Propiedades de los materiales de ingeniería:generales, físicas y mecánicas

En este artículo discutiremos sobre:​​1. Propiedades generales de los materiales de ingeniería 2. Propiedades físicas de los materiales de ingeniería 3. Propiedades mecánicas.

General Propiedades de los materiales de ingeniería :

Los economistas que se ocupan principalmente de las industrias que fabrican materiales de ingeniería están interesados ​​en descubrir formas en las que los materiales de ingeniería se pueden usar o aplicar de la mejor manera económica. El economista debe tener conocimientos prácticos de las propiedades y los procesos de fabricación de varios materiales de ingeniería.

Los servicios de tal economista pueden ser de extrema utilidad para elegir materiales de ingeniería en condiciones específicas o para decidir la línea de fabricación de materiales de ingeniería a partir de las materias primas locales disponibles.

Los campos de aplicación de un material de ingeniería en particular se rigen por las características y varias propiedades de ese material de ingeniería.

Estas propiedades se pueden clasificar en varias categorías de la siguiente manera:

(1) Propiedades químicas:

Las propiedades químicas del material sugieren la tendencia del material a combinarse con otras sustancias, su reactividad, solubilidad y efectos como corrosión, composición química, acidez, alcalinidad, etc. La corrosión es uno de los Serios problemas que enfrentan los ingenieros en la selección de materiales de ingeniería, causados ​​por las propiedades químicas del metal.

En los metales, los electrones de valencia están débilmente unidos a sus átomos y pueden eliminarse fácilmente durante las reacciones químicas. Entonces, cuando los metales se exponen en la atmósfera y entran en contacto con gases como oxígeno, cloro, etc., tienen lugar las reacciones químicas. Cuando el hierro reacciona con el oxígeno, se forma óxido de hierro que es de color rojo y se recubre con metal de hierro. A esto se le llama corrosión.

(2) Propiedades eléctricas:

Estas propiedades significan la capacidad del material para resistir el flujo de una corriente eléctrica e incluyen conductividad, rigidez dieléctrica y resistividad.

(3) Propiedades magnéticas:

El estudio de las propiedades magnéticas del material como permeabilidad, histéresis y fuerza coercitiva es necesario cuando se va a utilizar para generadores, transformadores, etc.

(4) Propiedades mecánicas:

Las características que gobiernan el comportamiento del material cuando se aplican fuerzas externas se incluyen en estas propiedades. Algunas de las propiedades mecánicas importantes son elasticidad, dureza, plasticidad, resistencia, etc.

(5) Propiedades ópticas:

Cuando el material se va a utilizar para el trabajo óptico, es necesario el conocimiento de sus propiedades ópticas como color, transmisión de luz, índice de refracción, reflectividad, etc. Cuando la luz incide sobre cualquier material, interactúa con sus átomos y provoca varios tipos de efectos. La luz puede reflejarse, refractarse, dispersarse o absorberse. El estudio de la luz en los materiales y cómo utilizar este comportamiento para controlar los distintos efectos luminosos se denomina óptica.

(6) Propiedades físicas:

Son necesarios para evaluar el estado del material sin que actúe ninguna fuerza externa e incluyen densidad aparente, durabilidad, porosidad, etc.

(7) Propiedades térmicas:

El conocimiento de las propiedades térmicas del material, como el calor específico, la expansión térmica y la conductividad, es útil para conocer la respuesta del material a los cambios térmicos. Por tanto, se pueden seleccionar materiales adecuados para resistir temperaturas elevadas y fluctuantes.

(8) Propiedades tecnológicas:

Las propiedades de los metales y aleaciones que influyen en su procesamiento o aplicación se denominan propiedades tecnológicas. Moldeabilidad, maquinabilidad, soldabilidad y trabajabilidad son algunas de las propiedades tecnológicas importantes de los metales y aleaciones.

De todas esas propiedades, las propiedades físicas y mecánicas son particularmente importantes para un ingeniero de construcción.

Propiedades físicas de materiales de ingeniería:

Se definen y explican los siguientes términos relacionados con las propiedades físicas de los materiales de ingeniería:

(1) Densidad aparente

(2) Resistencia química

(3) Coeficiente de ablandamiento

(4) Densidad

(5) Índice de densidad

(6) Durabilidad

(7) Resistencia al fuego

(8) Resistencia a las heladas

(9) Higroscopicidad

(10) Porosidad

(11) Refractariedad

(12) Resistencia al desconchado

(13) Calor específico

(14) Capacidad térmica

(15) Conductividad térmica

(16) Absorción de agua

(17) Permeabilidad al agua

(18) Resistencia a la intemperie.

(1) Densidad aparente:

El término densidad aparente se utiliza para referirse a la masa de una unidad de volumen de material en su estado natural, es decir, incluidos los poros y los huecos. Se obtiene averiguando la relación entre la masa del espécimen y el volumen del espécimen en su estado natural.

Las propiedades técnicas del material, como resistencia, calor, conductividad, etc., están muy influenciadas por su densidad aparente y, por lo tanto, la eficiencia de rendimiento de un material dependerá de su densidad aparente.

Para la mayoría de los materiales, la densidad aparente es menor que su densidad, excepto para materiales densos, líquidos y materiales obtenidos de las masas fundidas.

La Tabla 1-1 muestra las densidades aparentes de algunos de los materiales de construcción importantes.

(2) Resistencia química:

La capacidad del material para resistir la acción de ácidos, álcalis, gases y soluciones salinas se conoce como resistencia química.

Esta propiedad se examina cuidadosamente al seleccionar el material para tuberías de alcantarillado, instalaciones de ingeniería hidráulica, instalaciones sanitarias, etc.

(3) Coeficiente de ablandamiento:

La relación entre la resistencia a la compresión del material saturado con agua y el que está en estado seco se conoce como coeficiente de ablandamiento. Los materiales como el vidrio y el metal no se ven afectados por la presencia de agua y su coeficiente de ablandamiento es la unidad. Por otro lado, los materiales como la arcilla pierden fácilmente su resistencia cuando se sumergen en agua y, por lo tanto, su coeficiente de ablandamiento es cero.

Los materiales que tienen un coeficiente de ablandamiento igual a 0,8 o más se denominan materiales resistentes al agua. Es aconsejable evitar el uso de materiales con coeficiente de ablandamiento inferior a 0,8 para situaciones que puedan estar expuestas permanentemente a la acción de la humedad.

(4) Densidad:

El término densidad de un material se define como la masa de una unidad de volumen de material homogéneo. Se obtiene calculando la relación entre la masa de material y el volumen de material en estado homogéneo. Las propiedades físicas de un material están muy influenciadas por su densidad.

(5) Índice de densidad:

La relación entre la densidad aparente de un material y su densidad se conoce como índice de densidad y, por lo tanto, denota el grado en que su volumen está lleno de materia sólida.

Como prácticamente no existen sustancias densas en la naturaleza, el índice de densidad de la mayoría de los materiales de construcción es menor que la unidad.

(6) Durabilidad:

La propiedad de un material para resistir la acción combinada de factores atmosféricos y otros se conoce como durabilidad.

El costo de funcionamiento o mantenimiento de un edificio dependerá naturalmente de la durabilidad de los materiales que lo componen.

(7) Resistencia al fuego:

El término resistencia al fuego se utiliza para referirse a la capacidad de un material para resistir la acción de altas temperaturas sin perder su capacidad de carga, es decir, sin una pérdida sustancial de resistencia o deformación en la forma.

Esta propiedad de un material es de gran importancia en caso de incendio y como la operación de extinción de incendios suele ir acompañada de agua, esta propiedad de un material se prueba mediante las acciones combinadas de alta temperatura y agua. El material debe ser lo suficientemente resistente al fuego para brindar seguridad y estabilidad en caso de incendio.

(8) Resistencia a las heladas:

La capacidad de un material saturado de agua para resistir la congelación y descongelación repetidas sin una disminución considerable de la resistencia mecánica o signos visibles de falla se conoce como resistencia a las heladas. La resistencia a las heladas de un material depende de la densidad del material y su grado de saturación con agua.

En general, los materiales densos son resistentes a las heladas. Los materiales porosos cuyos poros están cerrados o llenos de agua hasta menos del 90% de su volumen son resistentes a las heladas.

(9) Higroscopicidad:

La propiedad de un material para absorber el vapor de agua del aire se conoce como higroscopicidad y se rige por la naturaleza de la sustancia involucrada, el número de poros, la temperatura del aire, la humedad relativa, etc. El agua -Las sustancias de retención o hidrófilas se disuelven fácilmente en agua.

(10) Porosidad:

El término porosidad se usa para indicar el grado en que el volumen de un material está ocupado por poros. Se expresa como una relación entre el volumen de poros y el de la muestra. La porosidad de un material es indicativa de sus diversas propiedades, como resistencia, densidad aparente, absorción de agua, conductividad térmica, durabilidad, etc., por lo que debe estudiarse y analizarse cuidadosamente.

(11) Refractariedad:

La capacidad de un material para resistir la acción prolongada de altas temperaturas sin derretirse o perder forma se conoce como su refractariedad.

(12) Resistencia al desconchado:

La capacidad de un material para soportar un cierto número de ciclos de variaciones bruscas de temperatura sin fallar se conoce como su resistencia al desconchado y depende principalmente de los coeficientes de expansión lineal de sus componentes.

(13) Calor específico:

El término calor específico se define como la cantidad de calor, expresada en kilocalorías, necesaria para calentar 1 N de material a 1 ° C. El calor específico de un material debe considerarse cuando se debe tener en cuenta la acumulación de calor.

Los calores específicos del acero, la piedra y la madera son los siguientes:

Acero - 0.046 x 10 ³ J / N ° C

Piedra:0,075 a 0,09 x 10 ³ J / N ° C

Madera:0,239 a 0,27 x 10 ³ J / N ° C.

(14) Capacidad térmica:

La propiedad de un material para absorber calor se conoce como su capacidad térmica y se calcula mediante la siguiente ecuación:

T =H / M (T ₂ - T ₁ )

Donde, T =Capacidad térmica en J / N ° C

H =Cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura del material de T ₁ a T ₂ en J M =Masa de material en N

T ₁ =Temperatura del material antes de calentar en ° C

T ₂ =Temperatura del material después de calentar en ° C.

(15) Conductividad térmica:

La conductividad térmica de un material es la cantidad de calor en kilocalorías que fluirá a través del área unitaria del material con espesor unitario en tiempo unitario cuando la diferencia de temperatura en sus caras también es la unidad. La unidad de conductividad térmica es J por m h ° C y generalmente se denota por K. La conductividad térmica de un material depende de su densidad, porosidad, contenido de humedad y temperatura.

El término resistividad térmica de un material se usa para significar el recíproco de su conductividad térmica. La resistencia térmica de un material es igual a la resistividad térmica multiplicada por su espesor.

(16) Absorción de agua:

La capacidad de un material para absorber y retener agua se conoce como absorción de agua. El material seco se sumerge completamente en agua y luego se calcula la absorción de agua como porcentaje del peso o porcentaje del volumen del material seco. Depende principalmente del volumen, tamaño y forma de los poros presentes en el material.

(17) Permeabilidad al agua:

La capacidad de un material para permitir que el agua lo atraviese bajo presión se conoce como su permeabilidad al agua y se describe como la cantidad de agua que atravesará el material en una hora a presión constante. , siendo el área de la sección transversal de la muestra de 1 cm. Los materiales densos como vidrio, acero, etc. son impermeables o impermeables al agua.

(18) Resistencia a la intemperie:

El término resistencia a la intemperie se usa para expresar la capacidad de un material para resistir condiciones alternas de humedad y sequedad sin afectar seriamente su forma y resistencia mecánica. Por tanto, indica el comportamiento de los materiales cuando se exponen a condiciones cambiantes de humedad.

Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería:

Las propiedades mecánicas de los materiales como su rigidez, ductilidad y resistencia son de vital importancia para determinar su fabricación y posibles aplicaciones prácticas.

Los materiales de construcción muestran una amplia gama de propiedades mecánicas que van desde la dureza del diamante hasta la ductilidad del cobre puro y el asombroso comportamiento elástico del caucho. De manera similar, muchos materiales se comportan de manera bastante diferente cuando se estresan de diferentes maneras. Por ejemplo, el hierro fundido, el cemento y los ladrillos son mucho más fuertes en compresión, mientras que la madera y el acero son más fuertes en tensión.

Se definen y explican los siguientes términos relacionados con las propiedades mecánicas comunes de los materiales de construcción:

(1) Abrasión

(2) Fluencia

(3) Elasticidad

(4) Fatiga

(5) Dureza

(6) Resistencia al impacto

(7) Plasticidad y fragilidad

(8) Fuerza

(9) Use.

(5) Dureza

(1) Abrasión:

La resistencia de un material a la abrasión se determina dividiendo la diferencia de peso de las muestras antes y después de la abrasión con el área de abrasión.

(2) Fluencia:

En muchas aplicaciones, los materiales de construcción deben soportar cargas constantes durante largos períodos. En tales condiciones, el material puede continuar deformándose hasta que su utilidad se reduzca seriamente. Tales deformaciones dependientes del tiempo de una estructura pueden crecer mucho e incluso pueden resultar en una fractura final sin ningún aumento en la carga. Si la deformación continúa incluso cuando la carga es constante, dicha deformación adicional se conoce como fluencia.

La mayoría de los materiales de construcción se deslizan hasta cierto punto a todas las temperaturas. Sin embargo, los metales de ingeniería como el acero, el aluminio y el cobre se deslizan muy poco a temperatura ambiente. Las altas temperaturas conducen a una rápida fluencia que a menudo va acompañada de cambios microestructurales. El fenómeno de la fluencia es importante en polímeros a temperatura ambiente, en aleaciones de aluminio a 100 ° C y en aceros por encima de 300 ° C.

(3) Elasticidad:

Cuando se aplica una carga a un material, hay un cambio en su forma y dimensión. El término elasticidad se utiliza para indicar la capacidad de un material para restaurar su forma y dimensiones iniciales después de que se retira la carga.

Debe tenerse en cuenta la diferencia entre los dos términos siguientes:

(i) Deformación elástica:

Se dice que una deformación es elástica cuando el sólido se deforma cuando se carga pero vuelve a su posición original cuando se descarga. Un cambio de presión o una aplicación de carga resulta en la deformación elástica. El término deformación ideal se utiliza para significar la deformación que tiene lugar instantáneamente al aplicar la fuerza y ​​desaparece por completo al eliminar la fuerza.

Estas deformaciones obedecen a la ley de Hooke y la deformación elástica del metal es directamente proporcional a la fuerza aplicada. La deformación ideal ocurre con fuerzas de deformación comparativamente más pequeñas que pueden mantener las tensiones de trabajo dentro del límite elástico.

(ii) Deformación plástica:

Se dice que una deformación es plástica cuando el sólido retiene total o parcialmente el cambio de forma después de que se retira la carga. La deformación plástica se observa cuando la tensión excede el límite elástico y su tasa está controlada por la tasa de deformación, la tensión aplicada y la temperatura. Puede ocurrir bajo tensiones de tracción, compresión y torsión. Se lleva a cabo intencionalmente en procesos como laminado, forjado, etc. para hacer productos útiles.

(4) Fatiga:

Cuando los materiales se someten a un esfuerzo repetitivo o fluctuante, fallarán a un esfuerzo mucho menor que el requerido para causar fractura bajo cargas constantes.

Este comportamiento se llama fatiga y se distingue por las siguientes tres características:

(i) Mayor incertidumbre en la resistencia y la vida útil;

(ii) Pérdida de ductilidad; y

(iii) Pérdida de fuerza.

Las siguientes son las razones de las fallas por fatiga:

(i) Entornos corrosivos que reducen la resistencia a la fatiga;

(ii) Puntos de concentración de estrés;

(iii) Imperfecciones de la superficie como marcas de mecanizado e irregularidades de la superficie; y

(iv) Temperatura, la resistencia a la fatiga es alta a bajas temperaturas y disminuye gradualmente con el aumento de temperatura.

(5) Dureza:

La capacidad de un material para resistir la penetración de un cuerpo más duro se conoce como dureza. Es un factor importante a la hora de decidir la trabajabilidad y el uso de un material para suelos y superficies de carreteras. La dureza no es una propiedad fundamental. Pero es un efecto combinado de propiedades de compresión, elásticas y plásticas en relación con el modo de penetración, la forma del penetrador, etc.

La dureza tiene una relación bastante constante con la resistencia a la tracción de un material dado. Por lo tanto, se puede utilizar como una prueba práctica no destructiva para tener una idea aproximada de la resistencia a la tracción del material y el estado del metal cerca de la superficie.

La dureza de los materiales pétreos se puede determinar con la ayuda de la escala de dureza de Mohs. Es una lista de diez materiales dispuestos en orden de dureza creciente. La dureza de un material se encuentra entre la dureza de dos materiales, es decir, el que se raya y el otro que se raya con el material que se va a probar.

La Tabla 1-2 muestra la escala de dureza de Mohs.

(6) Resistencia al impacto:

La resistencia al impacto de un material es la cantidad de trabajo requerida para causar su falla por unidad de volumen. Por lo tanto, indica la tenacidad de un material y los materiales se prueban en una máquina de prueba de impacto para determinar su resistencia al impacto.

La resistencia al impacto es una característica compleja que tiene en cuenta tanto la tenacidad como la resistencia de un material.

Varía según los siguientes factores:

(i) Si se aumentan las dimensiones de la muestra, también aumenta la resistencia al impacto.

(ii) Si la nitidez de la muesca aumenta, la fuerza de impacto requerida para causar fallas disminuye.

(iii) El ángulo de la muesca también mejora la resistencia al impacto después de ciertos valores.

(iv) La fuerza del impacto también se ve afectada en cierta medida por la velocidad del impacto.

(v) La temperatura de la muestra bajo prueba da una indicación sobre el tipo de fractura que es probable que ocurra, es decir, transición dúctil, frágil o dúctil a frágil.

(7) Plasticidad y fragilidad:

El término plasticidad de un material se define como su capacidad para cambiar su forma bajo carga sin agrietarse y para retener su forma después de la remoción de la carga.

Los materiales se pueden dividir en dos grupos, a saber, materiales plásticos y materiales quebradizos. El acero, el cobre, el betún caliente, etc. son materiales plásticos. Los materiales quebradizos fallan repentinamente bajo presión sin una deformación apreciable antes de la falla. Los materiales rocosos, cerámicos, vidrio, hierro fundido, hormigón y algunos otros materiales son frágiles y ofrecen poca resistencia a la flexión, el impacto y la tensión.

(8) Fuerza:

La capacidad de un material para resistir fallas bajo la acción de tensiones causadas por una carga se conoce como resistencia. Las cargas a las que se somete habitualmente un material son la compresión, la tensión y la flexión. La resistencia correspondiente se obtiene dividiendo la carga última por el área de la sección transversal de la muestra.

No se permite que las tensiones en los materiales de construcción excedan un cierto porcentaje de su resistencia máxima. Por tanto, se proporciona un margen de seguridad y el término factor de seguridad se utiliza para denotar la relación entre la tensión máxima y la tensión segura. Por ejemplo, si el factor de seguridad es dos, la tensión que se adoptará para fines de diseño sería la mitad de la tensión máxima.

Los valores de los factores de seguridad se especifican mediante estándares de diseño y se enmarcan teniendo en cuenta varios factores como la naturaleza del trabajo, la calidad del material, las condiciones del servicio, las consideraciones económicas, etc.

(9) Usar:

La falla de un material bajo las acciones combinadas de abrasión e impacto se conoce como su desgaste. La resistencia al desgaste se suele expresar como un porcentaje de la pérdida de peso y es de gran importancia para decidir la idoneidad de un material para el uso de superficies de carreteras, balasto de vías férreas, etc.

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