CAPITULO_I-Propiedades_de_los_Materiales

8/7/2019 CAPITULO_I-Propiedades_de_los_Materiales

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Tecnología de los materiales

Ing. Ana Torre Carrillo

CAPITULO I

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

1. INTRODUCCIÒN

Los materiales usados por el hombre han representado siempre el grado de avancetecnológico, por ejemplo: en las denominadas edades de Piedra, de Bronce y de Hierro.

En un principio los metales reemplazaron a la piedra en la construcción de armas para laguerra y el avance tecnológico, con el tiempo, y la invención de mejores métodos deproducción, fue posible extender su uso para la fabricación de otros utensilios yestructuras más duraderos, influyendo de esta manera en la evolución de la culturahumana. Así entonces, continúa siendo en nuestros tiempos: los hogares "inteligentes"necesitarán de materiales que actúen como sensores de temperatura, presión, sonido y conun mínimo consumo energético.

Pero el aspecto a recalcar de todo ello es simplemente que la ingeniería y ciencia dematerialesconstituye un elemento imprescindible en el desarrollo tecnológico de nuestracivilización y, más específicamente, en el mejoramiento del nivel de vida de cualquierpaís.

El conocimiento de la estructura macro y microscópica de los materiales nos permite elmejor entendimiento y desarrollo. Así, por ejemplo la forma y tamaño de las partículasque constituyen un ladrillo refractario pueden observarse a simple vista, ya que poseen untamaño de varios milímetros; en cambio los cristales que constituyen cada una de laspartículas solamente son revelados mediante el empleo de técnicas microscópicas.

2. EL ESTUDIO DE LOS MATERIALES

Es claro que las sociedades humanas desarrollaron y usaron grandes cantidades demateriales mucho antes de contar con las bases científicas que explicaran el por qué desus propiedades, fueran éstas, por ejemplo, la maleabilidad de un metal la dureza de undiamante, la resistencia al calor de una cerámica.

Así fue que la tecnología de los materiales antecedió por muchos siglos a la ciencia demateriales.Las aplicaciones de los materiales se fueron diferenciando paulatinamente,

de acuerdo con el tipo de material y necesariamente de su precio. Surgieron oficiosespecializados dedicados al trabajo de los metales, de las cerámicas, de las maderas, delos vidrios, etc., los cuales se encargaron de preservar y mejorar las tecnologíasaplicables a los distintos materiales. La producción de muchos materiales se volvióinterdependiente; el hierro y el acero dependen para su fabricación de un suministro demateriales refractarios adecuados; éstos últimos, a su vez, requieren para su generaciónde la disponibilidad de materias primas minerales; para cerrar el círculo, las grandesexplotaciones mineras consumen grandes cantidades de hierro y acero en las minas y





plantas de beneficio, así como en la transportación (ferrocarriles, buques, camiones) delos minerales que produce.

En la década de los 50's era ya evidente para algunos visionarios que, si bien existíandiferentes tipos de materiales, debería ser posible entender y explicar sus propiedadesy comportamiento- que constituyen la causa fundamental del interés práctico en ellos

- sobre bases científicas generales emanadas de la compresión de su estructura, entendida ésta como la forma en que están constituidos los materiales, tanto en escalamacroscópica como microscópica, y aún atómica Por otra parte, la estructura de losmateriales está determinada por el procesamientoa que son sometidos en el curso desu fabricación o con el transcurso del tiempo. Finalmente, las propiedades, la estructuray el procesamiento, en forma conjugada, se relaciona íntimamente con el uso delmaterial, y viceversa.

Conocer la estructura del material permitirá comprender sus propiedades y en definitivaayudará a dar respuestas de donde y como usarlo a fin de lograr coordinar el efectotécnico-económico, la estructura del material puede ser vista como: macro estructura,observable a simple vista, la microestructura es la estructura vista desde unmicroscopio.

Existen equipos que nos permiten observar la micro estructura del material por ejemplo:El microscopio electrónico de barrido que permite determinar fisuraciones porosidades,fases del material, productos expansivos, alteraciones del material etc.

Las principales aplicaciones la tenemos por ejemplo para:

• Mineralogía de cementos: clínker, alitas, etc.• Mineralogía de áridos: granito, calizas, etc.• Crecimientos cristalinos, texturas, fisuraciones,

porosidades, fragilidad.• Fases reactivas, productos expansivos.• Interferencia árido pasta, índice de huecos• Composición microquímica, alteraciones, etc.• Cuantificación de parámetros de caracterización

Microanálisis de los rayos X emitidos por la muestra para determinar:

• Composición química• Migraciones de cationes• Detección de trazas• Cartografía de cationes, etc.

Microscopio petrográfico con luz Polarizada y luzFluorescente para determinar:

• Fases de minerales• Tamaño de grano• Parámetros petrográficos, etc.





Como apreciamos existe mucha tecnología que nos permite el mejor entendimiento enel comportamiento de los diversos materiales de construcción.

El estudio de los materiales implica el estudio de sus propiedades, para el caso de lasconstrucciones, una clasificación de las principales propiedades pueden ser lassiguientes: física, térmicas, acústicas, ópticas, eléctricas, químicas, mecánicas,

tecnológicas, etc.

Las cualidades enumeradas son las que principalmente interesan al ingeniero oconstructor y la clasificación es arbitraria, su única finalidad es la de facilitar elordenamiento del estudio de las mismas.

3. GENERALIDADES

El conocimiento de las propiedades de los materiales nos permitirá el uso adecuado deestos asimismo permite el constante desarrollo y optimización.

Los materiales para la construcción podríamos definirlo como un conjunto de sustanciaso materias primas utilizadas para lograr edificar obras de ingeniería civil es decir son labase de toda obra la producción de estos implica una extracción de la materia prima y latransformación con características y propiedades necesarias para cumplir una funciónadecuada en la estructura.

La ciencia y la técnica en la producción de los materiales de construcción, viene siendodesarrollada utilizando la teoría sobre el enlace entre la composición química delmaterial y la estructura interior del material y sus propiedades .A menudo el ingenierotiene que responder ciertas interrogantes:

¿Qué material utilizar?La decisión debe ser tomada en función del conocimiento de las propiedades físicas -químicas de los materiales.¿Que cantidad de material utilizar?Estará determinada por las propiedades mecánicas.¿Cómo utilizarlo?Es función de las propiedades tecnológicas.

4. LA ESTRUCTURA DEL MATERIAL

Conocer la estructura del material permitirá comprender sus propiedades y en definitivaayudara a dar respuestas de donde y como usarlo a fin de lograr coordinar el efectotécnico-económico, la estructura del material puede ser vista en tres niveles: macroestructura, como se observa a simple vista, la micro estructura es la estructura vistadesde un microscopio.

5. PROPIEDADES FISICAS

5.1. Formas y dimensiones

Abarca el conocimiento de las formas y dimensiones en que pueden tener losmateriales, lo que es siempre conveniente y en algún caso fundamental para su uso.





La imposibilidad de conseguir piezas de un tamaño determinado ya sea por suinexistencia en la naturaleza o por resultar poco viable o imposible su extracción ofabricación obliga a unir otras menores, mediante procedimientos o dispositivosadecuados hasta obtener del tamaño deseado.

En ciertos casos deben desarrollarse o crearse medios de uniones especiales, cuyocosto puede hacer inconveniente el empleo del material de que se trata. En otros elconjunto resultante no mantiene las propiedades de cada elemento que lo integra ysu uso habrá de considerarse con relación a las propiedades del conjunto.

Lo dicho sobre las dimensiones puede aplicarse en mayor o menor grado a lasformas que pueden ser útiles directamente tal como las poseen los materiales odeben ser modificadas lo cual no siempre es posible en el grado necesario sinalterar otras propiedades.

5.2. Peso específico

Es necesario recordar que todo cuerpo sólido continuo (piedra, tabique, etc.) omaterial solido fraccionado (arena, grava, etc.) contiene tres distintos volúmenes.

El volumen aparente (Va), que está determinado por las tres dimensionesdel cuerpo sólido continuo o por las tres dimensiones del recipiente quecontiene el material fraccionado (volumen a granel suelto o compacto,según sea el grado de apretamiento de las partículas).

El volumen absoluto (Vab) que mide la cantidad de materia que existe en elvolumen aparente.

El volumen de huecos o vacíos (Vh), que fija la cantidad de huecos o porosdel material, y que es igual a ( Va-Vab).

Peso específico absoluto de un cuerpo de material homogéneo y continuo es supeso por unidad de volumen.

Comparando los pesos específicos absolutos de los cuerpos con el peso específicodel agua que es la unidad de peso por unidad de volumen se llega al concepto depeso específico relativo o simplemente peso específico representado por PE.

Que es un número abstracto y que indica las veces que un cuerpo o materialcualquiera es más o menos pesado que el agua. No tiene unidades.





5.3. Porosidad

Se llama porosidad de un material al % de vacíos o huecos que contiene el material.

Va = Volumen aparente (dado por las dimensiones del cuerpo

Vab = Volumen absoluto (el ocupado por la materia)Vh = Volumen de huecos o vacíos

Porosidad = % de vacios

Simplificando:

Es decir que la porosidad de un material es igual a uno menos la relación devolumen aparente del material relación que fija el porcentaje de materia que existeen un volumen aparente dado de un material cualquiera y se conoce con el nombrede compacidad o volumen sólido que contiene un cuerpoComo:

Reemplazando en la ecuación de porosidad obtenemos:

Simplificando:

La experiencia demuestra que existe una relación intima entre la resistencia de unmaterial y su compacidad. Los cuerpos tienen una compacidad igual a uno, cuando





la materia de que esta constituido el cuerpo llena totalmente el espacio ocupado poreste sin permitir huecos o vacíos, y cuando las deformaciones que sufre el cuerpono acarrean cambio en su peso especifico; tal como los metales.

5.4. Permeabilidad

Es la propiedad vinculada con la porosidad pero que no debe ser confundida conella. Debe entenderse por permeabilidad a la capacidad de un material para seratravesado por un fluido, al establecer una diferencia de presión entre sus caras.

La permeabilidad se mide por la cantidad de líquido que pasa por un cuerpo deespesor y superficie dadas en un tiempo y bajo una presión y temperaturadeterminadas; para espesores, superficies y tiempos iguales, la permeabilidadaumenta con la presión y la temperatura.

5.5. Capilaridad

El fluido transita por el material, sin deferencia de presiones debido a la tensiónsuperficial que hay en las canículas ubicadas en el interior de los materiales. Lacantidad de liquido que penetra en el cuerpo por capilaridad mide su poder deabsorción y esta vinculado con su porosidad, desde que depende de la cantidad,forma y grado de comunicación con la superficie de los poros y espacios vacíos delmaterial; pueden ser muy porosos pero poco absorbentes, si sus poros no estáncomunicados con la superficie.

5.6. Higroscopia

Es la propiedad de algunos cuerpos o materiales de absorber el agua y por lo tantoincrementan su volumen. Ejm: el cemento, la madera, etc.

6. PROPIEDADES TÉRMICAS

6.1. Calor especifico

Se denomina calor específico o capacidad calorífica , a la cantidad de calor,expresada habitualmente en kilocalorías o calorías grandes , necesarias para elevaren un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de un material determinado.

La caloría grande o kilocaloría es, a su vez, la cantidad de calor necesaria paraelevar la temperatura de 1 Kg. de agua a la presión atmosférica, de 14.5º a 15.5º.

El calor especifico, para un mismo cuerpo o sustancias, es variable según latemperatura que se considera, pero para las necesidades de la construcción puedeoperarse en general con valores medios; determinados experimentalmente.

6.2. Dilatación

Es la propiedad de los cuerpos de modificar sus dimensiones con los cambios detemperatura.





atraviesa sin alterar su temperatura. La energía radiante originada por una fuente decalor sufre al chocar por un cuerpo de antemano un proceso de absorción yreflexión.

La energía absorbida se transforma en calor y aumenta la temperatura del cuerpo,mientras que la parte reflejada no la afecta, salvo el hecho de convertirlo a su vez

en un foco de radiación calorífica reflejada. La reflexión del calor se mide enfracciones de calor recibido; si llamamos E al calor recibido, Er al reflejado y Ea alabsorbido, podemos decir que:

El valor Ea puede expresarse como un % de E.

Esta característica nos permitirá estimar la cantidad de calor que absorberá unaestructura o construcción determinada expuesta a la radiación de una fuente decalor, se debe considerar que influyen el color y el acabado superficial de laestructura

7. PROPIEDADES ACUSTICAS

Los materiales de construcción son capaces de transmitir, recepcionar y absorber elsonido durante la propagación de las ondas sonoras en un medio pueden ocurrir variosfenómenos, cuando la onda sonora llega hasta una superficie suceden tres cosas:

• Una parte es reflejada por la superficie• Una parte es absorbida por la superficie• El resto se transmite

7.1. Aislamiento acústico

Es la capacidad de los materiales de construcción de disminuir la transmisión delsonido, esto dependerá del tipo de material empleado, de la tecnología constructiva,y de la arquitectura y forma de la estructura. Para lograr grandes aislamientos sedebe construir con espesores de muros mayores.

La diferencia de presión de sonido entre el edificio emisor y el receptor es:

y es expresado en decibeles.

El aislamiento acústico dependerá del uso que se le dará al edificio, la ley de masasindica que solo la masa aísla acústicamente por lo tanto existirán casos en que seránecesario diseñar paredes de espesores muy anchos casos extremos se puederecurrir alas dobles paredes.

7.2. Transmisión y reflexión del sonido

Toda emisión de sonido hace vibrar el aire cuando estas vibraciones chocan con lasparedes estas a su vez entran en vibración generando nuevas vibraciones en la





estructura adyacente, en algunos casos estas vibraciones sonoras rebotan en lasparedes y se produce la reverberación de los sonidos.

Conociendo los coeficientes de transmisión de sonido de los materiales se puedecalcular la disminución del sonido y se puede determinar el espesor de las paredes,techos, pisos etc.

La reflexión del sonido en las superficies delimitantes contribuyen a aumentar laenergía sonora que llega dentro de un recinto estas reflexiones modifican lascaracterísticas cualitativas del sonido. La reflexión es una propiedad de lapropagación del sonido, junto con la atenuación, dispersión, absorción y larefracción.

8. PROPIEDADES ÓPTICAS

Al interactuar los fotones de una fuentes externa con la estructura cristalina de unmaterial estos pueden ceder energía al material en cuyo caso hay absorción, puedesuceder también que el fotos aporte energía y el material emite electrones de idénticaenergía de forma que se produce la reflexión , también puede suceder que los fotones nointeractúen con la estructura electrónica del material en cuyo caso se produce latransmisión en cualquiera de los casos mencionados la velocidad de los fotones cambiaeste cambio propicia la refracción. En general se puede decir que un rayo incidente enun material se puede reflejar, absorber o transmitir :

8.1. Color

El color es un fenómeno físico de la luz, relacionado con las diferentes longitudesde onda en la zona visible del espectro electromagnético, que perciben las personasy algunos animales a través de los órganos de la visión, como una sensación quenos permite diferenciar los objetos del espacio con mayor precisión. Todo cuerpo

iluminado absorbe todas o parte de la onda electromagnética y refleja las restantes.

También se dice que el color es la sensación que se produce en el ojo de los seresvivos debido a la propiedad que tiene la materia de reflejar, absorber y transmitir laluz que incide sobre ella alterándola en sus características

El estudio y conocimiento de los materiales de construcción cobrara mayorimportancia cuando los materiales a emplearse en la estructura sean caravista esdecir no llevaran.

Material Coeficiente de reflexión Piedra lisa 95%Madera 90%Pared rugosa 80%Pared de ladrillo 75%Pared con relieves 64%

Bastidores de teatro 30%Tapices de pared 25%Cortinaje afelpado 20%





8.2. Reflexión de la luz

La luz es un fenómeno vibratorio de frecuencia y velocidad, mucho mayor es estaenergía vibratoria al chocar con un cuerpo puede ser reflejada o absorbida en formaparcial o total. En el estudio luminotécnico de los ambientes y en la construcción de

dispositivos de iluminación es necesario estudiar la cantidad de energía luminosaque se refleja.

9. PROPIEDADES QUÍMICAS

9.1. Composición química

Tiene importancia por la presencia o ausencia de ciertos compuestos o elementos enlos materiales puede definir algunas características o propiedades del material porejemplo: impurezas en agregados alteran la reacción química del cemento.

9.2. Estabilidad química

Algunos materiales ante la presencia de ciertos elementos puede manifestarreacciones de inestabilidad química ejemplo: la reacción álcali- sílice, presencia deexcesiva cantidad de sulfatos en presencia de cementos Portland, pueden producirla degradación del material.

10. PROPIEDADES MECANICAS

Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas detensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas.

10.1. Resistencia

Es la oposición que opone un material frente a fuerzas externas que tratan dedeformarlo; las moléculas del material tienden a mantenerse unidas por la cohesiónentre ellas:

• Resistencia a la compresión.• Resistencia a la tracción.• Resistencia a la flexión.

10.2. Tenacidad

Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse niromperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

10.3. Elasticidad

Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma ydimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado sudeformación.





10.4. Plasticidad

Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajola acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.

10.5. DurezaEs la resistencia que un material opone a la penetración.

10.6. Maleabilidad

Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunosmetales en láminas delgadas.

10.7. Ductilidad

Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertosmetales para poder estirarse en forma de hilos finos.

10.8. Isotropía

Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo comportamientoindependientemente de la dirección, mientras que en las anisotrópicas laspropiedades varían con la dirección.

10.9. Fragilidad

Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.

ACTIVIDAD 1• Recopilar precios de los diversos materiales de construcción y averiguar la

unidad de comercialización.• Buscar ejemplo de materiales de construcción asociándolo a sus propiedades

más resaltantes.• Seleccionar un material de construcción para el desarrollo del trabajo escalonado

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