Práctica 3 propiedades mecánicas

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Práctica 3: PROPIEDADES MECÁNICAS Asignatura: Ciencia de Materiales Curso: 2ºA Alumno: Miguel Alonso Jalón Grado: Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

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Práctica 3:

PROPIEDADES

MECÁNICAS

Asignatura: Ciencia de Materiales

Curso: 2ºA

Alumno: Miguel Alonso Jalón

Grado: Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

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Para la realización de esta primera práctica vamos a utilizar tres materiales diferentes,

el primero va a ser un metal, el segundo un cerámico y el tercero un polímero. Lo que

vamos a hacer es compararlos según las características que se nos explicaron en

clase. También vamos a explicar cada material y qué alternativa propondríamos para

que el objeto fuese mejor.

1-Clasifique y defina brevemente cada tipo de material e indique qué otros

materiales se utilizan en el mercado para realizar el mismo objeto para varias

aplicaciones (al menos 3)

METAL: NÍQUEL:

El Níquel metal de transición con símbolo químico Ni, con una abundancia en la

corteza terrestre del 0,008%, tiene un número atómico de 28 y peso 58,71 g/mol. Se

conocen 5 isótopos estables del níquel 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni y 64Ni. Posee una

densidad media de 8,908 g/ml, con puntos de fusión y ebullición respectivos de 1726 K

(1453ºC) y 3003 K (2730ºC), se usa en gran cantidad como aleante de los aceros

para darles propiedades de anticorrosivas y resistentes, formar superaleaciones o

baterías recargables.

El coeficiente de dilatación térmica es bajo (13.10-6 ªC-1) ayuda a construir materiales

con índices de dilatación térmica bastante bajos. El Níquel tiene como estados de

oxidación +3, +2, y 0 (levemente básico), tiene propiedades de resistencia a la

corrosión en ambientes acuosos y marinos muy elevada y por eso se usa en la

fabricación de recubrimientos de materiales para medios hostiles, como cascos de

barcos. Debido a su elevado punto de fusión el níquel se comporta bien a altas

temperaturas, siendo estable sin aparecer el fenómeno de fluencia, y su

comportamiento ante la oxidación también es muy bueno, por eso es un material clave

en los recubrimientos. Debido a todas estas propiedades el níquel también se usa

como material aleante en las denominadas superaleaciones; materiales metálicos que

mantienen sus propiedades químicas y mecánicas a temperaturas de 1100ºC.

Otras aplicaciones del níquel como elemento aleante es en aceros bonificables, para

conferirles buena templabilidad, acuñación de monedas, como metal monel con buena

resistencia a condiciones hostiles como baños de ácido sulfúrico, alpacas como

material para la fabricación de cubiertos de mesa y ornamentación y también se usa

como conductores, y el constantán otra aleación con bajo coeficiente de dilatación y

baja conductividad lo cual es útil para fabricar termopares.

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- Propiedades Mecánicas

El Níquel tiene unas grandes propiedades mecánicas lo que hace que se alee con

muchos materiales para mejorar sus propiedades de dureza, resistencia al desgaste,

tenacidad…

El níquel es un material dúctil, por lo que tiene una prolongada zona plástica. En la

zona elástica alargamientos y tensiones son proporcionales según una constante E

(Módulo de Young = 21.000 kg/mm2), la cual varía sustancialmente según a

temperatura.

La resiliencia es la energía que es capaz de absorber el material, mientras está en la

zona elástica (15 kg/mm2), en el caso del níquel como material dúctil tiene la

capacidad de absorber una buena cantidad de energía antes de que deformaciones y

esfuerzos no tengan una dependencia lineal.

El níquel es un material dúctil, por lo que tiene una prolongada zona plástica. Esta

propiedad es importante ya que el estiramiento en forma de láminas e hilos se basa en

las propiedades plásticas de deformación del material. En el caso del níquel tiene

buenas propiedades de tenacidad (Límite de Rotura: 47 kg/mm2), que es la capacidad

de absorber energía en la zona plástica (tras superar el límite de fluencia) y seguir

deformándose y no romper inmediatamente como un material frágil (como una

cerámica), así podemos estirarlo en planchas o en hilos con mayor o menor dificultad

según condicionantes de temperatura, tratamientos térmicos, y elementos aleados en

él. Un elemento muy perjudicial para el níquel es el azufre como ya se ha comentado,

hace que sus propiedades mecánicas de dureza se ven reducidas, por ello se somete

a un proceso de desulfuración.

La dureza, que es la resistencia que ejerce el material a ser rayado, no es elevada en

el níquel ya que es rayado sin excesiva dificultad, en la escala Mohs tiene un 4 sobre

10 (110 HB en estado puro), la cual varía bastante según la aleación y los elementos

aleantes. Otros factores a tener en cuenta son la capacidad de estricción entre 50% y

75%, y el alargamiento entre 40% y 65%.

Se debe mencionar la importancia de la temperatura en todas las propiedades,

excepto el módulo de Young, que según elevamos la temperatura los límites de

resistencia se reducen. Existen aleaciones de níquel termoelásticas las cuales tienen

altos coeficientes de elasticidad, a altas temperaturas.

- Otros materiales que se utilizan para la fabricación de monedas

El níquel puro se utiliza con menor frecuencia que las

aleaciones de níquel, las cuales ofrecen beneficios como

una mayor fuerza o mayor resistencia al calor que el níquel

solo. El platinado ofrece una capa protectora que también es

estética, con un terminado brillante que llama la atención de

fabricantes de elementos decorativos como llaves de baño,

fuentes de jardín, bandejas de servicio de acero inoxidable,

accesorios y decoraciones navideñas.

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En Europa, concretamente en los países pertenecientes a la UE, el círculo interior de

las monedas de 1 € y la corona exterior de las de 2 €, de color plateado, están hechos

del mismo material: se trata de una aleación de cobre y níquel. Por otra parte, el

exterior de las monedas de 1 € y el interior de las de 2 € están hechos de una aleación

de níquel-latón. Las monedas de 1, 2 y 5 céntimos están hechas de acero recubierto

de cobre. Las monedas de 10, 20 y 50 céntimos, hechas de una aleación de cobre,

aluminio, zinc y estaño.

También, existen otro tipo de monedas que no sirven para comprar o intercambiar por

productos de determinados valores. Por ejemplo, las monedas que se introducen en

los carros de compra de los supermercados están hechas de plástico, son del mismo

tamaño y forma que las de 50 céntimos o 1 euro para no tener que utilizar una moneda

válida para coger un carro en un supermercado.

Las monedas, también llamadas fichas, que sirven para jugar en ciertas máquinas

tragaperras de los casinos, o en el póker o algún que otro juego de mesa más,

tampoco están hechas de níquel ni de sus aleaciones. A diferencia de la creencia

popular, ninguna ficha de juego desde los años 1950 ha sido de un 100% de arcilla.

Las fichas modernas de arcilla son una composición de materiales más duraderos que

la arcilla por sí misma. Al menos un porcentaje de las fichas es de un material de barro

como arena, carbonato de calcio, tiza y/o arcilla semejante a la encontrada en la arena

higiénica para gatos.

También podemos encontrarnos “monedas” comestibles en cualquier tienda, kiosco o

supermercado, dichas monedas suelen estar hechas de chocolate.

CERÁMICO: GRAFITO:

El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono

junto al diamante, los fulerenos, los nanotubos y el grafeno. A presión atmosférica y

temperatura ambiente es más estable el grafito que el diamante, sin embargo la

descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es apreciable a

escala geológica. Puede extraerse de yacimientos naturales, pero también se produce

artificialmente. El principal productor mundial de grafito es China, seguido de India y

Brasil.

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- Propiedades Mecánicas

El grafito es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En

la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad

baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor.

A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la

temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. Aunque tanto el grafito

como el diamante están formados exclusivamente por átomos de carbono, el grafito es

muy blando y opaco, mientras que el diamante es el mineral más duro según la escala

de Mohs y además deja pasar la luz a través de si, estas marcadas diferencias físicas

se deben exclusivamente a las diferentes redes cristalinas o retículos sobre las que se

disponen los átomos de carbono en el grafito (átomos de carbono en los vértices de

prismas hexagonales) y en el diamante (la red cristalina está hecha de tetraedros

regulares cuyos vértices son átomos de carbono).

El grafito y los materiales compuestos de matriz de carbono tienen gran importancia

industrial debido a su excelente resistencia a la corrosión, la estabilidad estructural y

mecánica a alta temperatura, la elevada conductividad térmica y eléctrica, unidas a la

facilidad de mecanizado y a un precio razonable. En consecuencia, estos materiales

se emplean habitualmente para aplicaciones a alta temperatura dentro de la industria

electrometalúrgica y química.

La resistencia de este material aumenta a medida que se eleva la temperatura.

Además, cuenta con una extraordinaria resistencia a la corrosión y es prácticamente

inmune al choque térmico. La estabilidad térmica y dimensional permanece constante

a temperaturas de hasta 2600°C (4712°F). Su resistencia a la erosión lo convierte en

un producto excelente y resistente a la fatiga; no se producen cambios en las

propiedades con el paso del tiempo ni con el funcionamiento cíclico.

- Otros materiales que se utilizan para la fabricación de tubos

Se construyen también tubos de chapa galvanizada para que por ellos circule el aire

(instalaciones de climatización). Tubos de gres, material formado por arcillas naturales

que se utiliza para el transporte de productos químicos peligrosos. Los tubos de

cemento, hormigón u hormigón armado se utilizan en redes hidráulicas que trabajan

en régimen libre o en baja presión. Para el transporte de gas se usan tubos de acero y

cobre. Para el transporte de vapor de alta energía se utilizan materiales como el

cromo o el molibdeno. Todos los pistones son una parte fundamental en los motores,

determinan su comportamiento y, dependiendo el motor que queramos fabricar

tenemos que utilizar un material u otro.

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POLÍMERO: POLIETILENO:

El polietileno (PE) es químicamente el polímero más simple. Se representa con su

unidad repetitiva (CH2-CH2)n. Es uno de los plásticos más comunes debido a su bajo

precio y simplicidad en su fabricación, lo que genera una producción de

aproximadamente 60 millones de toneladas anuales alrededor del mundo.2 Es

químicamente inerte. Se obtiene de la polimerización del etileno (de fórmula química

CH2=CH2 y llamado eteno por la IUPAC), del que deriva su nombre. Este polímero

puede ser producido por diferentes reacciones de polimerización, como por ejemplo:

Polimerización por radicales libres, polimerización aniónica, polimerización por

coordinación de iones o polimerización catiónica. Cada uno de estos mecanismos de

reacción produce un tipo diferente de polietileno.

Es un polímero de cadena lineal no ramificada. Aunque las ramificaciones son

comunes en los productos comerciales. Las cadenas de polietileno se disponen bajo la

temperatura de reblandecimiento Tg en regiones amorfas y semicristalinas.

- Propiedades Mecánicas

Polietileno de alta densidad (PEAD o HDPE(en inglés)): es un polímero de cadena

lineal no ramificada, por lo cual su densidad es alta y las fuerzas intermolesculares

también. Es un material termoplástico parcialmente amorfo y parcialmente cristalino.

Presenta mejores propiedades mecánicas (rígidez, dureza y resistencia a la tensión) y

mejor resistencia química y térmica que el polietileno de baja densidad, debido a su

mayor densidad. Además es resistente a las bajas temperaturas, impermeable, inerte

(al contenido), con poca estabilidad dimensional y no tóxico. También presenta fácil

procesamiento y buena resistencia al impacto y a la abrasión. No resiste a fuertes

agentes oxidantes como ácido nítrico, ácido sulfúrico fumante, peróxidos de hidrógeno

y halógenos.

Estas son sus propiedades mecánicas:

PROPIEDADES MECÁNICAS

Módulo elástico E (N/mm2) 1000

Coeficiente de fricción 0,29

Módulo de tracción (GPa) 0,5-1,2

Relación de Poisson 0,46

Resistencia a tracción (MPa) 15-40

Esfuerzo de rotura (N/mm2) 20-30

Elongación a ruptura (%) 12

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Polietileno de baja densidad (PEBD o LDPE (en inglés)): es un polímero de cadena ramificada, por lo que su densidad es más baja. Es un termoplástico comercial, semicristalino (un 50% típicamente), transparente y más bien blanquecino, flexible, liviano, impermeable, inerte (al contenido), no tóxico, tenaz (incluso a temperaturas bajas), con poca estabilidad, pero fácil procesamiento y de bajo coste.

Estas son sus propiedades mecánicas:

PROPIEDADES MECÁNICAS

Módulo elástico E

(N/mm2) 200

Coeficiente de fricción -

Módulo de tracción (GPa) 0,1-0,3

Relación de Poisson -

Resistencia a tracción

(MPa) 5-25

Esfuerzo de rotura

(N/mm2) 8-10

Elongación a ruptura (%) 20

- Otros materiales que se utilizan para la fabricación de botellas

También existen botellas de vidrio para, por ejemplo, almacenar el vino de una

empresa vinícola. Después, las botellas o botes que se utilizan en el ámbito de

química para almacenar dichos productos químicos están hechas de un cristal opaco

que impide que la radiación de la luz entre y cambie la composición del producto.

También para almacenar otros productos como los lácteos se utiliza el tetra-brik, que

es un envase de cartón producido por la empresa sueca Tetra Pak. Tiene forma de

paralelepípedo y está compuesto por diferentes capas. El envase Tetra Brik es el más

conocido y el más vendido del portafolio de los envases de Tetra Pak, hasta tal punto

que algunas personas lo consideran un nombre genérico aunque es una marca

registrada. El envase Tetra Brik puede encontrarse tanto para productos refrigerados

como para productos UHT bajo la denominación de Tetra Brik Aseptic.

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2- Ordene comparativamente de mayor a menor las propiedades de los tres

objetos y justifique su elección en la medida de lo posible. Utilice las tablas que

se adjuntan e Internet para investigar y defender su elección.

Ejemplo: 1 Más, 3 Menos

Objeto y Material →

Propiedad mecánica

Moneda de

Níquel

Metal

Tubo de grafito

Cerámico

Botella de

polietilieno

Polímero

DUREZA 2 1 3

RIGIDEZ 1 2 3

FRAGILIDAD 2 1 3

DUCTILIDAD 2 3 1

TENACIDAD kic 1 2 3

Dureza: es el grado de resistencia a la deformación permanente que sufre un metal

bajo acción directa de una carga determinada (KxTS hasta 400 Brinell). En nuestro

caso nos fijamos en las escalas de dureza Mohs y Brinell.

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Queda claro que el polietileno (plásticos) es el menos duro y después entre el grafito y

el Níquel elegiremos el grafito como el más duro. Esto se debe a que en el grafito los

átomos de carbono forman anillos de seis lados, que se unen entre sí como si fuesen

baldosas hexagonales, dando lugar a láminas planas. Cada una de estas láminas se

denomina grafeno. Y, dicho grafeno es más duro incluso que los aceros, es

sorprendente pero numerosos estudios así los han confirmado. “Haría falta poner

encima a un elefante balanceándose sobre un lápiz para romper una sola hoja de este

material puesta sobre una taza de café.”

Otra forma de comprobar la dureza de un material es rayando este, ya que la dureza

es la oposición de un material a ser rayado o cortado. Una vez hemos intentado rayar

los tres objetos nos damos cuenta de que: el tubo de grafito se puede rayar poco,

mientras que la moneda es más fácil de rayar y la botella aún más.

Rigidez: consiste en la resistencia a la deformación elástica. Comparativamente

diremos que el polietileno (plástico) es el material menos rígido ya que tiene una

elevada zona elástica. Después, los metales son más rígidos que los cerámicos, por lo

que el níquel es más rígido que el grafito.

La siguiente gráfica ayuda a comprender la rigidez de los objetos.

Podemos comprobar esto intentando deformar los objetos. Haciendo esto

comprobamos que la moneda no se puede deformar, que el portalápices lo podemos

deformar un poco y que la botella nos permite deformarla bastante.

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Fragilidad: expresa falta de plasticidad. Para comparar los materiales tenemos que

contestar antes a cuál es más dúctil, ya que cuanto más dúctil menos frágil será.

Entonces diremos que el material más frágil será el grafito, seguido del Níquel, y el

polietileno es el que menos de los tres.

La siguiente gráfica muestra la fragilidad con la tensión.

Ductilidad: alargamiento máximo por tracción antes de rotura. Según la tabla que se

nos ha dado, el polietileno (termoplástico), con un 100%, es más dúctil que el Níquel,

45%, y que el grafito, 0%.

La botella de polietileno la podemos alargar una gran distancia sin que llegue a

romperse, en el caso de la moneda se rompería a un menor alargamiento y el grafito

no se podría ni alargar porque su ductilidad es del 0%.

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Tenacidad: cuantifica la cantidad de energía almacenad (tenacidad en deformaciones

planas kic). Según la tabla los metales son los más tenaces, tras ellos vendrían los

cerámicos y por último, los polímeros. Por lo que el Níquel es el más tenaz, el grafito el

segundo y el polietileno, el tercero.

La siguiente tabla indica la tenacidad de algunos materiales.

3- Proponga un cambio de material para cambiar algunas de las propiedades de

cada objeto y hacerlo más útil o más barato para una aplicación concreta.

Metales: se podría cambiar el níquel en la fabricación de algunas monedas para

realizarlas con acero, una aleación de hierro y entre un 0,04 y un 2,25% de carbono.

Pero más concreto, de acero inoxidable, que, contiene una mezcla de hierro, cromo y

el propio níquel. Es una mezcla muy dura y por tanto tienen poco desgaste.

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Cerámicos: Los tubos de grafito se pueden cambiar por ejemplo por tubos de gres, ya

que este último material soporta mucho mejor la abrasión y es más apto para

almacenar en su interior materiales más peligrosos como gases tóxicos o ácidos.

Polímeros: las botellas normales están fabricadas con tereflalato de polietileno (PET),

pero podríamos cambiar sus características e introducir el polietileno de alta densidad

ya que no desprenden toxinas, al contrario que las botellas de plástico transparente

del agua envasada, fabricadas en PET (PolyEthylene Terephthalate, tereflalato de

polietileno).