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PRÁCTICA 1

PROPIEDADES

MECÁNICAS

ROCÍO DEL CAMPO PEDROSA

GL A3

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ÍNDICE:

0. Introducción

1. Clasificación y aplicación de los materiales

2. Comparación

3. Proponer cambio de material

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0. Introducción

Para la realización de esta práctica se han seleccionado tres objetos, que están formados básicamente por un único material. Los objetos elegidos y que van a ser analizados a continuación son los siguientes: un tornillo de aluminio, un tarro de arcilla y un tapón de botella.

Longitud total: 2,4 cm

Tornillo de aluminio:

Longitud de rosca: 2 cm

Diámetro: 3 mm

Diámetro exterior: 6,5 cm

Tarro de arcilla:

Diámetro interior: 5,6 cm

Altura: 7,8 cm

Diámetro: 2,8 cm

Tapón de botella:

Altura: 0,9 cm

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1. Clasificación y aplicación de los materiales

A continuación, hablaremos brevemente de cada uno de los objetos elegidos, atendiendo especialmente al material del que están formados. También comentaremos los usos que tienen en el mercado los objeto que hemos seleccionado.

El tornillo de aluminio que hemos elegido está formado por un metal, el aluminio.

El aluminio se trata de un metal, situado en la columna 13 de la tabla periódica. Algunas de sus propiedades hacen que sea un metal muy útil en la industria, entre ellas, destaca que posee una densidad baja (2.700 kg/m3) y a la vez es muy resistente a la corrosión. Además es buen conductor eléctrico y térmico. Otra característica destacable es su punto de fusión de 660º, lo que lo hace resistente a altas temperaturas. Otras características propias del aluminio, como de muchos metales, son: ductilidad, tenacidad, dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga, etc.

Por otra parte, cabe destacar su abundancia, ya que se trata del tercer elemento más abundante en la Tierra. Finalmente, presenta la opción de que realizando ciertas aleaciones con él podemos aumentar su resistencia mecánica de forma barata.

Podemos concretar mejor sus propiedades, ya no solo nombrándolas, sino con valores numéricos, que mostramos a continuación:

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Para finalizar este primer objeto, comentaremos sus aplicaciones en el mercado. Podemos decir que el tornillo es un material muy conocido y usado diariamente en diversos campos del conocimiento. Se usan tornillos en la industria, para construcción de máquinas y mecanismos, sirve para unir articulaciones o fijar elementos. También se usan tornillos en la carpintería, para fijar elementos, como las baldas de una estantería o las patas de una mesa. En ambos casos, los tornillos usados suelen ser de metales o aleaciones de estos, como aluminio, acero inoxidable, titanio, etc. Actualmente, se han empezado a introducir cada vez más los tornillos en el mundo de la salud. Algunos ejemplos pueden ser en la odontología, los dentistas usan los pernos dentales, para reforzar empastes y coronas, hechos de de fibra de vidrio o en los aparatos para espaciar la boca como el tornillo de expansión hecho de acero inoxidable. Se usa en rehabilitaciones, con fines terapéuticos, y en cirugía, generalmente tornillos de titanio e incluso polímeros biodegradables.

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Finalmente, hablaremos de tornillos utilizados en biología y biomecánica, como el Tornillo de Interferencia en Peek, hecho mediante acero inoxidable, titanio o fibra de carbono PEEK.

El tarro de arcilla elegido está formado por un material cerámico, la arcilla. Tiene un barniz que recubre su interior y cuya misión es hacer que el tarro sea impermeable, es decir, que podamos introducir en su interior líquido. El material que vamos a analizar es únicamente la arcilla.

La fórmula química de la arcilla es Al2O3 · 2SiO2 · H2O, silicato hidratado de alúmina. Vemos que es un material formado por cuarzo, agua y trióxido de dialuminio. Algunas de sus características principales son las siguientes: plasticidad (que depende de la cantidad agua), dureza , rigidez, elevada superficie específica, porosidad, capacidad de intercambio catiónico, capacidad de absorción, hidratación e hinchamiento, plasticidad, rigidez, aireación a través de los poros, etc.

Los tarros de arcilla fueron de los primeros en la historia en crearse, actualmente se usan con menor frecuencia, podemos encontrarlo como objetos de decoración, de almacenamiento de objetos o en la industria alimentaria para almacenamiento. La arcilla cada vez se usa menos y ha sido sustituida por otros materiales, como los plásticos, desde termoplásticos como el PVC, el PET o el PEP, que se usan diariamente desde la industria alimentaria a la química; también se hacen botes de elastómeros, aunque cuando se desea que tenga alguna función concreta. También se hacen tarros con plásticos cuyo interior está recubierto de aluminio, similar a los tetra bricks, o simplemente, hechos de elementos metálicos como aluminio, titanio o acero inoxidable. Finalmente nos podemos encontramos tarros hechos de vidrio, usados en todo tipo de industrias, al igual que los hechos a base de plásticos.

El tapón de botella elegido es un tapón blanco que está formado por un polímero, más concretamente un termoplástico llamado PEAD: Polietileno de alta densidad (en inglés HDPE).

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de moléculas de monómeros. Sus características y propiedades principales son que se tratan de malos conductores eléctricos y térmicos, es decir, buenos aislantes. Poseen un comportamiento viscoelástico. Presentan resistencia al impacto, resistencia a los solventes y resistencia a las temperaturas extremas. Además son frágiles y rígidos, con estabilidad física y mecánica.

Presentan un comportamiento elástico y a la vez plástico, en función de las fuerzas que actúan y de la temperatura, a temperaturas más bajas los

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polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas. Al ser termoplásticos se caracterizan porque fluyen al calentarlos pero se endurecen al enfriarlos.

En concreto nuestro plástico es un Polietileno de alta densidad (HDPE) cuyas características principales, además de las nombradas anteriormente, son: versatilidad, resistencia química, reciclable de formas sencillas y variadas.

Para nuestro plástico PEAD, podemos dar valores concretos a algunas de sus propiedades mecánicas, como mostramos la siguiente tabla:

Para obtener más datos, podemos observar los siguientes valores que muestran tres propiedades físicas, además de propiedades mecánicas como módulos de tensión, fuerza, etc:

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Como podemos observar en la siguiente imagen, dependiendo del tipo de plástico, las propiedades mecánicas de estos varían, en esta tabla podemos observar las propiedades de nuestro plástico PEAD (PE high density) y compararla con la de los demás plásticos:

Podemos encontrar tapones de diversos materiales. Podemos encontrarlo de diversos tipos de plásticos como el PVC, PP, PET, etc. También encontramos tapones hechos de corcho, para las botellas de vino. Finalmente, encontramos tapones hechos de metales y aleaciones, como aluminio, titanio, acero inoxidable, hierro, etc, cuando forman parte de componentes como radiadores, ruedas de bicicletas, depósitos, materiales herméticos, etc. También encontramos tapones con uso en personas, como los tapones para los oídos; hechos de materiales diversos como espuma blanda, silicona, vinilo, cera, algodón, elastómeros, etc.

2. Comparación

Una vez descritos nuestros objetos, realizamos una tabla comparando alguna de las propiedades mecánicas de estos. A cada material le hemos asignado un número del uno al tres, donde el 1 indica más valor en esa propiedad y el 3 menos.

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Este es el resultado de la tabla:

Objeto y Material

Propiedad

Mecánica

TORNILLO DE ALUMINIO

METAL

TARRO DE ARCILLA

CERÁMICO

TAPÓN DE BOTELLA (HPDE)

POLÍMERO

DUREZA 1 2 3 RIGIDEZ 1 2 3 FRAGILIDAD 2 1 3 DUCTILIDAD 2 3 1 TENACIDAD Kic 1 2 3

Para determinar el orden de mayor valor en cada una de las propiedades, hemos usado distintos datos para su verificación.

Primero vamos a definir las cinco cualidades que comparamos:

- Dureza: el grado de resistencia a la deformación permanente que sufre un metal bajo acción directa de una carga determinada (un material es más rígido cuando más se opone a ser rallado por otro)

- Rigidez: resistencia a la deformación elástica. - Fragilidad: falta de plasticidad. - Ductilidad: alargamiento máximo por tracción de rotura - Tenacidad: cuantifica la cantidad de energía almacenada por el

material antes de romperse por esfuerzos de tracción progresivos.

Para determinar el valor de la dureza, nos hemos guiado por el valor del módulo de elasticidad. El aluminio toma un valor de 66,6 GPa, la arcilla un valor comprendido entre 4 y 20 GPa y el plástico PEAD un valor comprendido entre 0,06 y 0,17 GPa. Cuánto más pequeño sea el valor del módulo de elasticidad, más elástico es un material, y por el contrario, menos dureza posee.

Podemos apreciar fácilmente cómo funciona el módulo de la elasticidad mediante la siguiente imagen:

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Además, en está imagen vemos claramente como el plástico se encuentra con el valor más bajo, y que los materiales cerámicos y metálicos tienen valores muy cercanos, que en nuestro caso, al buscar valores concretos, hemos podido ver que el aluminio tiene mayor valor que la arcilla. Por lo tanto, el orden de dureza podemos decir que el aluminio es el más duro, seguido de la arcilla, y que el de menor dureza es el plástico.

Con el módulo de elasticidad también podemos saber la rigidez de cada material, cuanto mayor sea el valor del módulo de elasticidad mayor será el valor de la rigidez. Por lo tanto, el orden de mayor a menor rigidez es el mismo que el de dureza: aluminio, arcilla y plástico. Es necesario resaltar, que a pesar de que ambas propiedades puedan determinarse con un mismo dato numérico, se tratan de propiedades muy distintas como ya se ha mencionado en las definiciones anteriormente. En la resistencia tratamos de medir lo que “aguanta o soporta” el material, mientras que en la rigidez medimos el “aguante a la deformación”. Aunque ambas propiedades depende del módulo de elasticidad, también sabemos que depende de otros factores, la rigidez depende de la inercia y de la longitud del elemento, sin embargo la resistencia depende otros factores como la resistencia mecánica, además de que existen más formas de determinar la dureza con distintas escalas.

También podemos comprobar la dureza de más formas. Observemos el siguiente gráfico, en el cual vemos que existen diversas medidas para

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determinar la dureza. Vemos que nuestros objetos se encuentran en el mismo orden que el que hemos determinado con la medición anterior.

Para ver la fragilidad y la ductilidad de nuestros materiales, vemos los valores de la dureza como elongación puntual de la siguiente tabla, en donde podemos apreciar que el valor del aluminio oscila entre 8 y 40, el de la arcilla (al ser un material cerámico) tiene un valor de cero y el de los termoplásticos (como es nuestro material hecho de PEAD) tiene un valor de 100. Cuanto mayor es este valor, más dúctil es el material y su vez es menos frágil. Por lo tanto, obtenemos que el material más frágil es la arcilla, luego el aluminio y finalmente el plástico; también observamos que el material más dúctil es el plástico, seguido del aluminio y de la arcilla.

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Para finalizar, comparamos la tenacidad de nuestros materiales. Para ello nos basamos en la siguiente tabla. El aluminio presenta un valor de 25 MPa m1/2, el polietileno PEAD 2,05 MPa m1/2 y la arcilla tiene un valor que varía entre 2 y 5 mPa m1/2, dependiendo del tipo de arcilla de la que se trate, normalmente encontramos valores de 3 mPa m1/2. Por lo tanto, el más tenaz es el aluminio seguido de la arcilla y finalmente el polietileno.

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3. Proponer cambio de material A continuación trataremos de proponer materiales de los qué podrían haber estado formados nuestros objetos para mejorar en algún aspecto. El tornillo podría ser de acero inoxidable, resistente a la corrosión y a altas temperaturas. También podría ser de titanio ya que es un metal respetuoso con el medio ambiente y los desechos del proceso de fabricación son reciclables, además nos proporciona, al igual que aluminio, alta resistencia, elasticidad, resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y rigidez. Nuestro tarro podría haberse construido con un material de plástico, más resistente a caídas. También podríamos haberlo construido de vidrio para poder ver que contiene en el interior, muy útil cuando se almacena objetos sin necesidad de etiquetas. También podría ser de acero inoxidable, resistente a la corrosión y apto para elevadas temperaturas, en especial si el contenido necesita estar aislado del ambiente.

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Para finalizar, podemos proponer de qué otros materiales debería estar hecho nuestro tapón. El tapón, normalmente, debe estar hecho del mismo material que el recipiente que cierra. Por ello, dependiendo de nuestras necesidades, tenemos tapones de plásticos para botellas de agua, tapones de metal (aluminio o acero inoxidable) para radiadores, depósitos o maquinaría pesada.