Ingeniería de Materiales: Tipos, Propiedades y Aplicaciones

Materiales: Son los productos útiles para la actividad tecnológica que se obtienen de la transformación de las materias primas.

Tipos de materiales: (Metales, Cerámicos, Polímeros (plásticos), Compuestos)

Metales

Algunas de las principales características de los metales son: ser buenos conductores de electricidad y temperatura, y en muchos casos la capacidad de deformarse sin romperse (dúctiles).

• Los elementos que constituyen a los metales se localizan en la porción izquierda de la tabla periódica, y tienen una configuración electrónica que los conduce a perder electrones de valencia.
• Los metales se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo en minería, construcción, hogar, etc.
• Muchos de los elementos metálicos tienen la propiedad de mezclarse o disolverse unos con otros para producir aleaciones metálicas como el acero (hierro + carbono).

Cerámicos

Se reconocen como materiales duros y quebradizos, con una alta resistencia al calentamiento.

• Estos se producen con la combinación de elementos que provienen tanto de la porción metálica como la no metálica de la tabla periódica. Se incluyen: ladrillos, tejas, muebles de baño, etc., y por lo general se denominan cerámicos tradicionales.
• Los cerámicos pueden ser: cristalinos, no cristalinos y mezcla.

Polímeros

Se componen de cantidades muy grandes de moléculas unidas entre sí formando cadenas. De este modo, una molécula es la unidad básica del sistema polimérico.

• La mayor parte de los polímeros usados en ingeniería se basan en los hidrocarburos, que son moléculas consistentes de átomos de hidrógeno y carbono.
• Los polímeros abarcan una gran cantidad de plásticos sintéticos como el poliéster, el nylon, el polietileno, y polímeros naturales como el hule.
• Dentro de sus principales propiedades: poseen bajas densidades, tienen bajas temperaturas de fluencia; mientras que la rigidez y la ductilidad varía dependiendo del tipo de polímero.
• Además, los polímeros son resistentes a las condiciones atmosféricas y corrosión. Por otro lado, no son buenos conductores de la corriente eléctrica.

Materiales Compuestos

Se forman con combinaciones de los materiales anteriores, como por ejemplo el caso de plástico reforzado con fibra de vidrio.

• Individualmente la fibra de vidrio es muy resistente pero también muy susceptible al ataque de la humedad y a la abrasión metálica (desgaste).
• Por su parte, la matriz polimérica (plástico) es comparativamente débil, pero resistente a la penetración de la humedad y protege de la abrasión a la fibra de vidrio.

Materiales compuestos en construcción:

• Morteros
• Hormigones
• Hormigón Armado

Solicitaciones sobre las estructuras

NCh 431 Of. 77 Construcción – Sobrecarga de nieve

NCh 432 Of. 71 Cálculo de la acción del viento sobre las construcciones

NCh 433 Of. 93 Diseño sísmico de edificios

NCh 2369 Of. 03 Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales

NCh 1537 Of. 86 Diseño estructural de edificios – Cargas permanentes y sobrecargas de uso

Solicitaciones

Estáticas

Aquellas solicitaciones, producto de la fuerza de gravedad, que tienden a cargar el edificio en sentido vertical.

Básicamente se trata de los diferentes pesos que se van acumulando y traspasando de un nivel a otro hasta llegar al terreno (pesos propios y sobrecargas de uso).

Solicitaciones Dinámicas

Como cargas dinámicas identificamos aquellas solicitaciones que en forma eventual afectan la estructura, que generalmente tienden a desestabilizarla y se representan como fuerzas horizontales (viento y sismo).

Materiales de Soporte Estructural

Concreto estructural, mampostería estructural, estructuras metálicas, madera (compresión, tracción, torsión, flexión, corte)

Comportamiento Mecánico

Para poder estudiar los materiales es necesario examinar los aspectos del comportamiento mecánico o de cómo responden los materiales a los esfuerzos y solicitaciones que se le aplican.

• La comprensión del comportamiento mecánico es esencial para una selección y utilización apropiada de los materiales.
• Algunas de principales propiedades son la resistencia, la rigidez, la dureza, la tenacidad y la ductilidad.
• Estas propiedades se determinan mediante ensayos, comparando los resultados obtenidos con patrones establecidos.
• Además interesa conocer la deformación elástica y plástica del Material.

La Ductilidad

La ductilidad de un material es la capacidad que posee este para deformarse sin romperse. (Mayor deformación plástica, más Dúctil)

Los Materiales Frágiles

Los materiales frágiles son aquellos que fallan a valores de tensión relativamente bajos (Poseen poca deformación plástica). Dentro de estos tenemos: Hormigón, piedra, fierro fundido, materiales cerámicos, vidrio, etc. Estos materiales fallan con solo pequeñas deformaciones después del límite de proporcionalidad y el esfuerzo de fractura es el mismo que el esfuerzo último.

Elasticidad

La propiedad mediante la cual, un material recupera sus dimensiones originales al descargarse se llama Elasticidad. Cuando un material recupera parcialmente su forma original se dice que es parcialmente elástico. El alargamiento residual se denomina alargamiento permanente. La característica de un material que le permite soportar deformaciones inelásticas superiores al límite elástico se denomina Plasticidad.

Para muchos materiales el límite elástico suele ser ligeramente superior o muy cercano al límite de proporcionalidad, por lo que para muchos materiales se toma un solo valor numérico para ambos. Por ejemplo, en el acero el esfuerzo de fluencia, el límite elástico y el límite de proporcionalidad se consideran iguales.

¿Qué pasa si cargamos nuevamente el material?

Si no sobrepasamos el límite elástico, el material no sufrirá deformaciones permanentes.

Hormigón o Concreto

El Hormigón es un material compuesto por cemento, agua, áridos, eventualmente aditivos y adiciones, que mezclados en proporciones adecuadas producen el fraguado y ganancia de resistencia del material.

Mezclas Ricas 15% Cemento 21% Agua 3% Aire 30% Áridos Finos 31% Áridos Gruesos

Mezclas Pobres 7% Cemento 16% Agua 0.5% Aire 25.5% Áridos Finos 51% Áridos Gruesos

Cemento + Agua + Áridos + Aditivos + Adiciones = Hormigón Fresco, posee Trabajabilidad, Fraguado, Endurecimiento

Hormigón Endurecido, posee Resistencia Mecánica

Ensayos para hormigones

• Ensayo de asentamiento (trabajabilidad)
• Resistencia a la compresión

Acero (hierro + carbono)

Ventajas: material 100% reciclable, alta resistencia a la tensión, alta ductibilidad para dar formas, alta trabajabilidad, se puede hacer más durable si se hacen aleaciones con cromo, níquel y aluminio.

Desventajas: oxidación (requiere protección), capacidad de transmisión de energía eléctrica.