Apuntes materiales ingeniería civil

1. C I E N C I A D E L O S M AT E R I A L E S
C U R S O 2 0 2 2 / 2 3
N
↑

2. Indice
Tema 0: Introducción a la Ciencia de Materiales……………
Tema 1: La estructura de los materiales……………………..
Tema 2: Las propiedades de los materiales…………………
Tema 3: Metales……………………………………………..….
Tema 4: Cerámicas…………….…………………….…………
Tema 5: Polímeros……………….…..…………………………
Tema 6: Materiales compuestos………………………………
Ejercicios de repaso………………………………………..…..
2
24
54
133
212
243
271
333
.. ·

3. 2
Introducción a la Ciencia de Materiales
La profesión de ingeniería consiste, en esencia, en buscar la solución a los problemas de la vida cotidiana
desde un punto de vista práctico, para ello será fundamental el desarrollo y construcción de distintas obras,
máquinas y equipos. Estas tareas serían imposibles sin los distintos materiales que existen en el mercado.
Los materiales son tan importantes y fundamentales para el desarrollo de la sociedad que históricamente
incluso han dado nombre a distintas épocas de la historia, como la edad de piedra, la de bronce o la de hierro,
por ejemplo.
Dado que una de las muchas actividades de nuestra profesión es construir y fabricar, esta asignatura es un
repaso general a las familias de materiales que existen en el mercado, sus propiedades más importantes, su
modo de fabricarlos y la estructura interna que presentan, y es que estos tres aspectos: propiedades,
fabricación y estructura están íntimamente relacionados entre sí, de tal forma que si se varía alguno de ellos
los otros dos variarán también. Entender estas relaciones es el objetivo principal de la asignatura, porque este
conocimiento permitirá saber seleccionar los materiales más adecuados, entre los miles que existen en el
mercado, para solventar cada problema concreto que se presente en el ejercicio de la profesión.

4. O B J E T I V O S H O Y
• Responder a las siguientes cuestiones:
• ¿Qué es un material?, ¿cuántos hay?
• ¿Para qué sirve esta asignatura?
• ¿Qué aporta a la profesión de ingeniería?
3

5. ¿ Q U É PA S A R Í A S I … ?
4

6. Edad de Piedra
Edad Prehistórica
Edad de Bronce
Edad de Hierro
Edad Antigua
Edad Media
Edad
Moderna
Edad
Contemporánea
5

7. H A B L E M O S U N P O C O S O B R E
E V O L U C I Ó N …
6

8. ¿ C U Á L F U E … ?
7

9. Herramientas de hueso
Armas de madera y piedra
Útiles de piedra
2,5 millones de años a.C…
8

10. La clave para el siguiente adelanto tecnológico fue…el fuego
9

11. 1-Trabajo del barro 2-Decoración 3-Cocido en horno
La alfarería entorno al 25000 a.C…
10

12. Comienza la era de los metales sobre el 4000 a.C…
Cobre
Bronce
Mineral de Estaño Mineral de hierro
Plata
Oro
11

13. Golpeo en frío Golpeo en caliente
La conformación para obtener piezas
Obtención de bronce
12

14. Civilización Hitita sobre el 1200 a.C
Comienzo de la edad del hierro…
13

15. Pirita
El problema…¡no hay fusión!
Siderita
Mineral de hierro
Carbón vegetal
Esponja de hierro
14

16. ¿Por qué el hierro desplaza al bronce?
15

17. Las tres formas básicas del hierro…
Hierro forjado Hierro colado Acero
16

18. Edad Antigua Edad Media La Revolución Industrial
El siglo XIX El siglo XX
Edad del Hierro
17

19. El aluminio
El titanio
Los superconductores
Los plásticos
Los semiconductores
La fibra de vidrio
El grafeno
18

20. L A C L A S I F I C A C I Ó N D E L O S
M AT E R I A L E S
Metales Cerámicas Polímeros
19

21. Las familias de materiales y la tabla periódica
Alcalinos
Alcalinotérreos
Otros metales
Metales de transición
Lantánidos
Actínidos
Metaloides No metales
Halógenos
Gases
nobles
20

22. Algunas propiedades básicas de las familias
¿Cuál es la familia que suele presentar mayores densidades?
¿Cuál es la familia que tiene mayores resistencias mecánicas?
Seleccionar la familia de materiales más duros
¿Cuál es la familia que conduce mejor la electricidad?
Seleccionar la familia de materiales que mejor conduce el calor
21

23. La cuarta familia…los composites
22

24. C O N C L U S I O N E S
¿Qué es un material?
Toda materia prima que
necesitamos para construir cosas
¿Qué es la Ciencia de los Materiales?
¿Por qué se estudia Ciencia de los
Materiales en los Grados de Ingeniería?
Es el estudio de la relación entre la
estructura, las propiedades y la
fabricación de un material
Porque un ingeniero/a en su vida laboral
deberá, en un porcentaje muy alto de
veces, construir o reparar cosas y para ello
necesitará emplear materiales
FA B R I C A C I Ó N
P R O P I E D A D E S E S T R U C T U R A
23
Para saber más consultar el libro:
Ciencia e ingeniería de
materiales - W.D. Callister
Capítulo 1 Introducción

25. 24
Al comienzo de este tema se repasarán aspectos básicos sobre la estructura del átomo y los enlaces químicos,
por esta razón los apuntes están redactados a modo de cuestiones.
La bibliografía recomendada para repasar estos conceptos es la siguiente:
Introducción a la Ciencia de Materiales para ingenieros – Autor: J.F. Shackelford
Parte I Fundamentos, Capitulo 2 El enlace atómico
A continuación, se hablará sobre las posibles estructuras que pueden presentar los materiales sólidos: cristalinas,
amorfas y semicristalinas. Se hará especial hincapié en las características de las estructuras cristalinas dado que
los materiales más empleados en la industria poseen este tipo de estructuras. Para completar los apuntes se
recomienda la siguiente bibliografía en este apartado:
Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 3. Fundamentos de cristalografía
Capítulo 4. Estructura en sólidos cristalinos
Posteriormente, se describirán las principales irregularidades que presentan las estructuras cristalinas y que
afectan directamente a las propiedades que tienen los materiales que poseen esas estructuras. Debido a las
implicaciones que tiene, este es, sin duda, el apartado más importante del tema. Para completar los apuntes en
este apartado se recomienda la siguiente bibliografía:
Tema 1: La estructura de los materiales

26. 5
2
Introducción a la Ciencia de Materiales para ingenieros – Autor: J.F. Shackelford
Capítulo 4. Defectos cristalinos y estructura no cristalina: imperfección
Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 6. Imperfecciones en sólidos
Capítulo 9. Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
Para finalizar se introduce el concepto de la difusión, que aunque tiene que ver con el tema de estructura
de los materiales, realmente la aplicación importante está relacionada con la fabricación de los metales
por lo que los ejercicios se realizarán en ese tema. No obstante en el siguiente libro se puede leer sobre
el tema:
Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 7. Difusión
Tema 1
↓

27. Cuestiones:
1. ¿Cuáles son los componentes fundamentales de los átomos?
2. Nombrar las propiedades fundamentales de esos componentes
3. En la tabla periódica:
1. ¿Cuál es el criterio que se emplea para ordenar los átomos?
2. ¿Qué significan las filas?
3. ¿Qué significan las columnas?
26
Tema 1

28. Cuestiones:
1. ¿Cuales son las diferencias principales entre los dos materiales siguientes?,
¿qué cosas tienen en común?
(a) (b)
De Kamranki - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/
index.php?curid=39216798
27
Tema 1

29. Cuestiones:
2. ¿Por qué ocurren las uniones entre los átomos?
3. ¿Por qué existen cuatro enlaces químicos fundamentales:
metálico, iónico, covalente y fuerzas intermoleculares?
4. ¿Cuáles son las características fundamentales del…
1. Enlace metálico?
2. Enlace iónico?
3. Enlace covalente?
4. Fuerzas intermoleculares?
5. Ordenar los enlaces químicos en función de la energía de
enlace
28
Tema 1

30. El arreglo atómico
El arreglo atómico hace referencia al orden que adquieren los átomos en el material
Desordenamiento
aleatorio. Gases
Orden de corto
alcance: orden
sólo en átomos
vecinos.
Líquidos
Orden de largo
alcance: orden
en todo el
material
formando una
red
29
Tema 1

31. Celdas Unitarias = Redes de
Bravais
La estructura de largo alcance
• No todas las estructuras son iguales:
• Varia: la forma y las dimensiones de
la red
• Porque: los átomos y los tipos de
enlaces son distintos
Pirita
30
Tema 1
Fuente: Pixabay

32. • Se define:
• Celda Unitaria: La menor subdivisión
que mantiene las propiedades de la
red
• Parámetros de red: son las
dimensiones de los lados de la celda
unitaria y los ángulos que forman
Metal Tipo de
estructura
Parámetro de
red (nm)
Cromo
CC (Cuerpo)
BCC
0,289
Hierro 0,287
Molibdeno 0,315
Potasio 0,533
Sodio 0,429
Tantalo 0,330
Wolframio 0,316
Vanadio 0,304
Aluminio
CCC (Caras)
FCC
0,405
Cobre 0,3615
Oro 0,408
Plomo 0,495
Níquel 0,352
Platino 0,393
Plata 0,409
31
Tema 1

33. Estructura Ejes Ángulo entre
ejes
Cúbica a = b = c 90º
Tetragonal a = b ≠ c 90º
Ortorrómbica a ≠ b ≠ c 90º
Hexagonal a = b ≠ c Dos de 90º y
uno de 120º
Romboédrica a = b = c Todos iguales
y distintos de
90º
Monoclínica a ≠ b ≠ c Dos de 90º y
otro distinto
Triclínica a ≠ b ≠ c Todos distintos
entre sí y
diferentes de
90º
EJERCICIO 1:
Determinar el número de átomos por celda en los
sistemas:
a) cúbico simple
b) cúbico centrado en las caras (FCC)
c) cúbico centrado en el cuerpo (BCC).
• Número de átomos por celda unitaria: es el
nº de átomos o nodos que posee una celda
teniendo en cuenta las comparticiones
32
Tema 1

34. • Número de coordinación: es el nº de átomos que están en contacto con un átomo en
particular
• Factor de empaquetamiento: es la fracción de espacio que ocupan los átomos
• Densidad teórica:
Estructura a₀ en función de r Nº
coordinación
Factor de
empaquetamiento
Ejemplos
Cúbica simple a₀= 2r 6 0,52 Ninguno
Cúbica centrada
en el cuerpo
a₀ = 4r/√3 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo,
Nb, Ta, K, Na,
V, Cr, Zr
Cúbica centrada
en las caras
a₀ = 4r/√2 12 0,74 Fe, Cu, Al, Au,
Ag, Ni, Pt
Hexagonal
compacta
a₀= 2r
c₀= 1,633a₀
12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be,
Co, Zr, Cd
33
Tema 1

35. EJERCICIO 2:
Calcular el factor de empaquetamiento de la estructura cúbica centrada en las caras
EJERCICIO 3:
Determinar la densidad del hierro de estructura cúbica centrada en el cuerpo, cuyo parámetro de
red es 2,866 Å y masa atómica 56 g/mol
• Los índices de Miller: Coordenadas de los
átomos y direcciones en la celda unitaria
EJERCICIO 4:
Calcular los índices de Miller de las
direcciones A, B y C de la figura.
34
Tema 1

36. • Determinación de la estructura cristalina: se
emplea la difracción de rayos X para medir las
distancias interplanares e identificar la
estructura
• Ley de Bragg:
• Distancia interplanar:
EJERCICIO 5:
Determinar los índices de Miller de los
planos A, B y C de la figura.
35
Tema 1

37. Las estructuras de los materiales
Estructura
monocristalina
Estructura
policristalina
Estructura
amorfa
Tema 1 36

38. Las irregularidades en el arreglo atómico
¿Qué son las irregularidades en el arreglo atómico?
• Son defectos en la red cristalina de los materiales
¿Por qué son importantes las irregularidades en el arreglo atómico?
• Porque afectan de manera muy notable a las propiedades de los materiales
• En ocasiones, para conseguir determinadas características, se introducen de manera
controlada en el proceso de fabricación
¿Qué tipos de irregularidades existen en el arreglo atómico?
• Defectos puntuales
• Defectos lineales o masivos
• Defectos de superficie
37
Tema 1

39. ¿Cómo son los defectos puntuales?
38
Tema 1

40. ¿Cómo son los defectos masivos o dislocaciones?
• Son imperfecciones lineales
• Tipos:
De arista:
Los átomos situados por encima de la
línea de dislocación están
comprimidos, los de abajo separados
Helicoidal:
Se forman por esfuerzos cortantes
que soporta el material
39
Tema 1
https://www.doitpoms.ac.uk/vidlib/
videos/html/dis-true-glide.html
https://www.doitpoms.ac.uk/vidlib/
videos/html/dis-false-glide.html

41. • En la mayoría de cristales aparecen los 2 tipos
• Cuando se aplica un esfuerzo cortante en la dirección apropiada la dislocación SE MUEVE
• Macroscopicamente se
observa que el material se
alarga, es decir, se deforma
plásticamente
40
Tema 1

42. • Los sistemas de deslizamiento
• Existen planos, y dentro de ellos direcciones, en los que las dislocaciones se
mueven con mayor preferencia
• Los sistemas de deslizamiento dependen de la estructura cristalina del material y
siempre tienden a que la distorsión atómica que genera el movimiento de las
dislocaciones sea mínima
• Tanto los planos como las direcciones de deslizamiento son los más compactos
posibles
Planos y direcciones forman
el sistema de deslizamiento
Ejemplo sistema FCC, plano compacto (naranja),
direcciones compactas (rojo)
En un determinado sistema
cristalino existen diferentes
sistemas de deslizamiento
Los sistemas cristalinos FCC
y BCC poseen al menos 12
sistemas de deslizamiento
por lo que los metales que
cristalizan en estos sistemas
son muy dúctiles. Sin
embargo, el sistema HCP
posee muchos menos
sistemas de deslizamiento
por lo que los metales con
esta estructura son bastante
frágiles
Sistema
cristalino
Ejemplos
FCC Cu, Al, Ag, Au
BCC Fe, W, Mo
HCP Cd, Zn, Mg, Ti, Be
41
Tema 1

43. ¿Cómo son los defectos de superficie?
• Son los límites que separan un material en regiones y aparecen a
una escala mayor que los defectos anteriores
• Tipos:
a) Bordes de grano
• Los distintos granos tienen orientaciones de los átomos diferentes
• Bordes de grano son regiones comprimidas o traccionadas
• Las dislocaciones tienen dificultad en atravesar los bordes de grano
+ Bordes de grano, + Resistencia
42
Tema 1

44. b) Bordes de grano de ángulo pequeño
• Son pequeñas desorientaciones en redes
contiguas
• Apenas afectan al movimiento de las
dislocaciones
c) Fallas de apilamiento
• Son errores de apilamiento en los planos compactos
• Aparecen en los metales CCC y HC
• Afectan al movimiento de las dislocaciones
43
Tema 1
.

45. d) Bordes de macla
• Aparece en metales que soportan fuerzas cortantes principalmente
• Son planos que separan dos partes de un grano que tienen una pequeña diferencia en la
orientación
• Los átomos abandonan su posición
• Interfieren en el deslizamiento incrementando la resistencia
44
Tema 1

46. Los mecanismos de transporte
• Se estudia en la Termodinámica de procesos irreversibles
• Existen un gran número de procesos irreversibles en los que ocurre el transporte
de una magnitud física de una a otra región de un sistema: masa, energía,
cantidad de movimiento
• El transporte ocurre porque existe un gradiente de otra magnitud física:
concentración, calor, velocidad
• Los fenómenos de transporte se pueden expresar en general como: J = -L·grad X
• J = Flujo de la magnitud física transportada
• L = Cte de proporcionalidad
• X = Variable de una determinada magnitud física
45
Tema 1

47. Fenómeno Gradiente Flujo Ley
Conductividad
térmica
Temperatura Calor Fourier
Conductividad
eléctrica
Potencial Corriente eléctrica Ohm
Difusión Concentración Masa Fick
Viscosidad Velocidad Impulso (Tensión
tangecial)
Newton
• Algunos ejemplos:
46
Tema 1
.

48. La difusión
• La difusión es el movimiento de los átomos en el material
• La causa principal de que ocurra es la diferencia de concentración en distintas
zonas
• Se realiza mediante tratamientos térmicos durante la etapa de fabricación
• El objetivo es mejorar alguna característica mecánica
• Tipos:
• Autodifusión: ocurre en materiales puros
• Difusión de átomos distintos: ocurre en aleaciones y cerámicas
• La difusión más habitual es la de átomos distintos
47
Tema 1

49. • Se distinguen 4 mecanismos:
¿Qué es la Energía de activación?
• El átomo que se va a mover está inicialmente en
posición de baja Energía
• Para iniciar el movimiento debe atravesar una barrera
de energía potencial, necesita una energía de
activación
• Energía de activación = Calor
48
Tema 1

50. ¿Qué son las leyes de Fick?
• Son dos ecuaciones matemáticas que se emplean para monitorizar el proceso de difusión
• 1ª Ley:
• Siendo:
J = la velocidad de difusión, es decir, el nº de átomos que atraviesan una superficie en
una determinada unidad de tiempo. En estado estacionario se supone cte.
D = coeficiente de difusión (m2/s). Es cte para un par de sustancias a una Tª dada
∆c/∆x = gradiente de concentración. Se supone conocido e invariable con el tiempo
• Cuanto mayor sea el gradiente de concentración mayor será la velocidad de difusión
49
Tema 1

51. • 2ª Ley:
• En la práctica la difusión ocurre en estado no estacionario, es decir, la velocidad de difusión y el
gradiente de concentración varían con el tiempo
• A medida que ocurre el proceso la concentración del átomo que difunde va variando
Concentración
Distancia
Cs
C
0
t1
t2
t3
Siendo:
Co = concentración inicial de átomos de soluto
CS = concentración en la superficie de átomos de soluto
Cx = concentración a una distancia x de los átomos de
soluto
Erf = función error
x = distancia de difusión
D = coeficiente de difusión (m2/s)
t = tiempo
50
Tema 1

52. • ¿Qué le afecta a la velocidad de difusión?
• Gradiente de concentración
• Temperatura y coeficiente de difusión
• Energía de activación
• Tipos de difusión
• Tiempo
z erf (z) z erf (z) z erf (z)
0 0 0,55 0,563
3
1,3 0,9340
0,025 0,0282 0,60 0,603
9
1,4 0,9523
0,05 0,0564 0,65 0,642
0
1,5 0,9661
0,10 0,1125 0,70 0,677
8
1,6 0,9763
0,15 0,1680 0,75 0,7112 1,7 0,9838
0,20 0,2227 0,80 0,742
1
1,8 0,9891
0,25 0,2763 0,85 0,770
7
1,9 0,9928
0,30 0,3286 0,90 0,797
0
2,0 0,9953
0,35 0,3794 0,95 0,820
9
2,2 0,9981
0,40 0,4284 1,0 0,842
7
2,4 0,9993
0,45 0,4755 1,1 0,880
2
2,6 0,9998
0,50 0,5205 1,2 0,910
3
2,8 0,9999
Función de error Gaussiana
51
Tema 1

53. • Aplicaciones de los procesos de difusión en la fabricación
1. Cementaciones, nitruraciones y carbonitruraciones: Ver tema Metales
2. Crecimiento de grano
- En los procesos de fabricación pueden realizarse
operaciones para aumentar el tamaño de los granos
- Implica el desplazamiento de los bordes de grano
haciendo que unos granos crezcan a costa de otros
- El crecimiento esta relacionado con la energía de
activación necesaria para que los átomos salten de un
grano a otro
- La permanencia de un metal a altas temperaturas trae
consigo un aumento del tamaño del grano: debe
controlarse
52
Tema 1

54. 3. Sinterización
- Es un tratamiento a alta temperatura que hace que las partículas del material
se unan
- Gradualmente el volumen de huecos entre partículas se va reduciendo
- Se emplea en pulvimetalurgia y fabricación de cerámicas
- Los átomos difunden hacia los puntos de contacto, permitiendo que las
partículas se unan y los poros disminuyan
- La velocidad de sinterización depende de la temperatura, de la energía de
activación y del coeficiente de difusión de los átomos
53
Tema 1

55. 54
Este tema es uno de los más importantes para la Ingeniería dado que es la herramienta principal que se emplea
para seleccionar los materiales idóneos para cada obra. Conocer las propiedades más importantes de los
materiales es fundamental para elegir el material más idóneo en cada caso. No debe olvidarse que existe una
relación directa entre la estructura de un material, sus propiedades y el modo de fabricarlo como se irá viendo a lo
largo del curso.
Este tema comenzará definiendo las propiedades eléctricas más importantes, es decir, la conductividad y su
inversa la resistividad y se hablará de la clasificación de los materiales en conductores, aislantes y
semiconductores que se realiza en función de estas propiedades. Se recomienda la siguiente lectura en este
apartado:
Ciencia e Ingeniería de los materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 19. Propiedades eléctricas
Después se tratarán las propiedades térmicas fundamentales, es decir, la dilatación térmica, la conductividad
térmica y el choque térmico y su relación con las propiedades eléctricas. Para complementar este tema se
recomienda el siguiente libro:
Ciencia e Ingeniería de los materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 20. Propiedades térmicas
Tema 2: Las propiedades de los materiales
↓

56. 55
Posteriormente se explicarán las propiedades mecánicas fundamentales, que como tienen que ver con la
integridad de las piezas en obra, será el apartado más importante y al que más tiempo se dedicará. En este
apartado se comenzará hablando del ensayo de tracción y del ensayo de dureza y de las magnitudes que se
obtienen de ellos como el módulo de Young, el límite elástico, la resistencia del material, la deformación en rotura
o la dureza. Se hablará de dos conceptos fundamentales como son la ductilidad y la fragilidad y de sus
implicaciones. En el caso de necesitar alguna aclaración sobre estos conceptos se recomienda la siguiente
lectura:
Ciencia e Ingeniería de los materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 8. Propiedades mecánicas de los metales
El apartado de las propiedades mecánicas continuará con la definición de resiliencia y tenacidad y el ensayo del
péndulo Charpy. Otro aspecto que se estudiará serán los fundamentos principales de la mecánica de la fractura
que servirá para evaluar si en caso de grietas en las piezas existe peligro real de rotura en las condiciones de
obra. El tema finalizará con la definición de los conceptos de fatiga y fluencia en caliente. Para ampliar la
información en este apartado se recomienda la lectura:
Ciencia e Ingeniería de los materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 10. Rotura
2. Gaia

57. Propiedades eléctricas
• Existen aplicaciones en las que las propiedades eléctricas del material son la clave para el
funcionamiento adecuado de la pieza
• El comportamiento eléctrico depende de la estructura del material, del tratamiento aplicado y del
entorno al que se exponga
Fuente: Pixabay Fuente: Pixabay
Fuente: Pixabay
56

58. ¿Qué es la conductividad eléctrica?
• Es la capacidad que tiene el material de transportar energía
eléctrica
• Es función de la estructura, de la fabricación y del medio donde se
encuentre el material
• Para controlar la conductividad:
• Concentración
• Movilidad Portadores de carga
• Son e- en conductores,
semiconductores y aislantes
• Son iones en compuestos iónicos
• La movilidad de los portadores de carga depende del tipo de
enlace, defectos, microestructura y difusión
57
Tema 2

59. 58
• Los metales son buenos conductores: poseen
conductividades entorno a los
• Los aislantes poseen conductividades muy
pequeñas, sobre los
• Los materiales que poseen conductividades
intermedias se denominan semiconductores
La conductividad varía mucho de un
material a otro
Grupo Material
Conductividad
(Ω·cm)⁻¹
Metales
Na 2,13×10⁵
K 1,64×10⁵
Mg 2,25×10⁵
Ca 3,16×10⁵
Al 3,77×10⁵
Ga 0,66×10⁵
Fe 1,0×10⁵
Ni 1,46×10⁵
Cu 5,98×10⁵
Ag 6,80×10⁵
Au 4,26×10⁵
Grupo IV
C < 10⁻¹⁸
Si 5×10⁻⁶
Ge 0,02
Sn 0,9×10⁵
Polímeros
Polietileno 10⁻¹⁵
Politetrafluoroe
tileno
10⁻¹⁸
Poliestireno 10⁻¹⁷ - 10⁻¹⁹
Epoxi 10⁻¹² - 10⁻¹⁷
Cerámicas
Al₂O₃ 10⁻¹⁴
Vidrio sílice 10⁻¹⁷
BN 10⁻¹³
SiC 10⁻¹ - 10⁻²
B₄C 1 - 2
Tema 2

60. La movilidad de los electrones
• Al aplicar un campo eléctrico sobre los electrones libres
se genera una fuerza sobre ellos
• Todos los electrones libres se aceleran en dirección
contraria al campo (E) aplicado
• No existen interacciones entre los electrones acelerados
y los átomos de la red (mecánica cuántica)
• Mientras se esta aplicando E, la intensidad debería
aumentar de manera continua pero sin embargo
permanece cte
Las fuerzas de rozamiento disminuyen
la aceleración provocada por E
• Las fuerzas de rozamiento se generan como consecuencia de
los defectos en la red cristalina: impurezas, vacantes, átomos
intersticiales, dislocaciones….
• Este fenómeno de dispersión se representa como la resistencia
que opone el material al paso de la corriente
59

61. La resistividad de los materiales
• La resistividad es la inversa de la conductividad
• Los defectos cristalinos dispersan los e- conductores aumentando la resistividad
• En una muestra de metal la concentración de defectos depende de la Tª, composición
y del grado de conformación en frío:
ρT
• A medida que
aumenta la Tª la
resistividad
aumenta también
• Las vibraciones de
los átomos y las
imperfecciones
cristalinas
aumentan con la Tª
ρe
• Cuanto mayor es
la cantidad de
impurezas la
resistividad es
mayor
ρd
• La deformación
plástica aumenta
la resistividad
60
Tema 2

62. • En el gráfico se muestran las resistividades del Cu y de
tres aleaciones de Cu-Ni en función de la Tª
• Se muestran los efectos de la Tª, las impurezas y de las
deformaciones a partir de -100 ºC
Fuente: CC0 Public
Domain
61

63. Los materiales semiconductores
• Los materiales semiconductores tienen un comportamiento
intermedio entre los materiales conductores y los aislantes
• Clasificación:
• Intrínsecos (el silicio y el germanio): la conductividad se
controla variando la temperatura
• Extrínsecos: al silicio o germanio se les añaden pequeñas
impurezas como por ejemplo antimonio o galio (método de
dopado), la conductividad se controla, en un rango de
temperaturas, a través de la concentración de impurezas
• Se emplean para fabricar elementos con funciones electrónicas
específicas como diodos, transistores, amplificadores y
transductores entre otros
Fuente: CC0 Public
Domain
62

64. Los materiales aislantes
• Los polímeros y la mayor parte de las cerámicas (las covalentes)
son aislantes a Tª ambiente
• Se emplean para evitar el transporte de carga eléctrica
• A medida que aumenta la Tª, la conductividad de los materiales
aislantes aumenta en cierta medida, al contrario que en los
conductores
• Para altos voltajes aplicados:
• Es posible que ocurra la ruptura dieléctrica haciendo pasar la
corriente
• Para evitarlo es necesario tener en cuenta el comportamiento
dieléctrico de los materiales: cómo el material almacena y
posteriormente conduce cargas eléctricas
Fuente: Pixabay
63
l

65. Los materiales dieléctricos
• Son aislantes eléctricos (no metálicos)
• Poseen una estructura de dipolo eléctrico: la carga + y – se
encuentra separada a nivel atómico/molecular
• Los materiales dieléctricos se emplean en condensadores
Material Cte dielectrica
60 Hz
Cte dielectrica
1 MHz
Cerámicas
titanatos
- 15-10000
Mica - 5,4-8,7
Esteatita (MgO-
SiO₂)
- 5,5-7,5
Vidrio sódico-
cálcico
6,9 6,9
Porcelana 6,0 6,0
Fenol-
formaldehído
5,3 4,8
Nylon 6,6 4,0 3,6
Poliestireno 2,6 2,6
Polietileno 2,3 2,3
Politetrafluoroet
ileno
2,1 2,1
Fuente: CC0 Public
Domain
64

66. • Un material es superconductor cuando su resistividad eléctrica
es cero y la corriente fluye indefinidamente: no hay pérdida de
energía
• Algunos materiales cristalinos se comportan como
superconductores cuando su Tª está cercana al 0 absoluto
• Otros materiales son superconductores por encima del cero
absoluto e incluso poseyendo imperfecciones
• El paso de conductor normal a superconductor ocurre a una Tª
crítica para alcanzarla el material debe enfriarse con He ó N
liquido
• ¿Cómo ocurre?
• e- de la misma energía y de spin opuesto se combinan
formando pares
• La frecuencia de vibración de los átomos (fonones) coincide
con la frecuencia de vibración de los pares de e-
Los materiales superconductores
Fuente: CC0 Public
Domain
65
alreded
oi de
protcción
sueje

67. • Algunos tipos de superconductores:
Material Tc (K)
Superconductores de Tipo I
W 0,015
Al 1,180
Sn 3,720
Superconductores de Tipo II
Nb 9,25
Nb3Sn 18,05
GaV3 16,80
Superconductores Cerámicos
(La, Sr)2CuO4 40,0
YBa2Cu2O7-x 93,0
TlBa2Ca2Cu4O11 122,0
Fuente: Pixabay
66
Tema 2

68. Propiedades Térmicas
• Concepto de fonón:
• A 0 K los átomos tienen mínima energía
• Al aplicar calor adquieren energía térmica: vibración
• La vibración se transmite como onda elástica, es el fonón
• Un material gana o pierde calor a medida que gana o pierde fonones
• Los materiales se comportan de manera diferente según la temperatura a la que se encuentren,
por ello es indispensable conocer sus propiedades térmicas para elegir adecuadamente el
material idóneo en cada aplicación
67
Tema 2

69. ¿Qué es la dilatación térmica?
• Es el aumento de dimensiones que experimenta un
material al ser calentado
• Un átomo que adquiere cada vez más energía
térmica vibra con mayor intensidad, así aumenta la
distancia media entre los átomos
• Las dimensiones del material aumentan
• Los cambios de dimensiones que ocurren por unidad
de longitud se representan mediante el coeficiente de
dilatación térmica (α):
• Coeficiente volumétrico de dilatación térmica (αv):
representa el cambio de volumen Isotrópico:
Fuente: MemoryCatcher CC0 Public
68
P 1

70. • El coeficiente de dilatación está relacionado con la
resistencia de los enlaces:
• Unión fuerte: α bajo
• Alto punto de fusión: α bajo
• En la tabla se observan valores de dilatación térmica de
distintos materiales
• Deberá tenerse en cuenta:
• Muchos materiales son anisotrópicos
• α varía con la temperatura, en los catálogos
se encuentra como:
• Función compleja de la Tª
• Como una cte en un intervalo de Tª
Material 𝛂×10⁻⁶ (ºC)⁻¹
A temp. ambiente
Aluminio 25,0
Cobre 16,6
Hierro 12,0
Niquel 13,0
Wolframio 4,5
Acero 1020 12,0
Invar (Fe-36% Ni) 1,54
Acero inoxidable 17,3
Latón 18,9
Nylon-6,6 80,0
Polietileno 100,0
Poliestireno 70,0
Al₂O₃ 6,7
SiO₂ 0,55
SiC 4,3
Si₃N₄ 3,3
Vidrio sódico calcico 9,0
69
Tema 2
·

71. EJERCICIO 1
Se montan railes de tren fabricados con acero de 0,25 % en C de 15 m de longitud a una
temperatura ambiente de 18ºC. El coeficiente de dilatación de este material es de 12,5·10-6 (°C)-1 y
está previsto que sufran variaciones de temperatura comprendidas entre los -22 ºC y los 60 ºC.
¿Cuál debería ser el espacio entre railes?
70
Tema 2

72. • Es la medida de la velocidad con la que se transmite el calor en un material
• Relación:
¿Qué es la conductividad térmica?
• La energía térmica se transmite de estas maneras:
• Por la transferencia de e- libres
• Por la vibración de la red (fonones)
• La cantidad de energía transmitida depende de:
• Número de e- , movilidad de los e- , defectos y la Tª
Q = calor transmitido en 1s
A = área
K = conductividad (W/m·K)
∆T/∆x= gradiente de temperatura
71
Tema 2
.

73. • Algunos ejemplos de valores de conductividad
térmica para distintos materiales:
Material Conductividad
térmica (W/m·K)
Aluminio 238,49
Cobre 401,66
Hierro 79,50
Magnesio 100,42
Titanio 21,76
Wolframio 171,54
Acero 1020 100,42
Acero inoxidable 304 30,13
Latón 221,75
Al₂O₃ 15,90
Diamante 2317,94
Grafito 334,72
Arcilla refractaria 0,27
Si C 87,86
Si₃N₄ 14,64
Vidrio sódico calcico 0,96
Nylon-6,6 0,25
Polietileno 3,35
Poliestireno espuma 0,029
Fuente: Pixabay
72
Tema 2

74. EJERCICIO 2
Una pieza prismática fabricada de aluminio A6060 – T6 de sección cuadrada 0,8 × 0,8 m2 y
longitud desconocida va a experimentar un calentamiento (ΔT) de 125 °C por uno de sus
extremos. Datos: K = 165 W/m·°C
Responder a las siguientes cuestiones:
a) ¿Cuál es la longitud de la barra, expresada en m, si se sabe que ha perdido 8000 kcal/h
por su extremo frío?
b) Si se modifica el material de la pieza fabricándolo de una aleación de acero con una K de
50 W/m·°C, las pérdidas de calor serían ¿mayores, menores o iguales?
73
Tema 2

75. ¿Qué es el choque térmico?
• Cuando una pieza se enfría rápidamente sufre un gradiente de
temperaturas entre la superficie y su interior
• Las diferencias de temperatura generan valores de contracción
diferentes
• Las diferentes contracciones pueden generar la rotura de la
pieza
• Factores que afectan al choque térmico:
• Coeficiente de dilatación térmica: α pequeña, choque
térmico alto
• Conductividad térmica: K alta, choque térmico bajo
• Ductilidad: ductilidad grande, choque térmico bajo
• En general: el choque térmico será bajo cuando los materiales
posean facilidad de deformación
74
Tema 2

76. Propiedades mecánicas: comportamiento a tracción
• El ensayo de tracción se emplea para determinar algunas propiedades mecánicas de los materiales
• Estudiar las propiedades mecánicas de un material consiste en analizar el comportamiento de un
material sobre el que actúan fuerzas
• Existen cuatro formas fundamentales de aplicar fuerzas: tracción, compresión, cortante y torsión y
la combinación de todas ellas
• Cuando se aplica una fuerza sobre una pieza SIEMPRE se deformará
• Estudiar el comportamiento mecánico consiste en analizar la relación entre fuerza – deformación,
para ello se realizan ensayos
Tracción Compresión Cizalladura Torsión
75
Tema 2

77. Pasos para realizar el ensayo de tracción:
F
F
1. Se fabrican probetas normalizadas del material a ensayar
La selección de la geometría se realiza en
función del formato en que se halle el material:
chapa, redondo, palanquilla etc.
2. Se coloca la probeta en la máquina y se aplican cargas uniaxiales a
v = cte
3. El ensayo acaba cuando la probeta rompe
4. Se realiza el análisis de los resultados
76
Tema 2

78. Máquina de tracción con cabezal superior fijo
para metales
Partes de la máquina de tracción:
77
Tema 2
Máquina de tracción con cabezal inferior fijo
para polímeros y metales blandos

79. • Durante el ensayo de tracción se registra gráficamente la relación entre la tensión y la
deformación
• La máquina obtiene la Tensión
nominal mediante el cálculo:
• La máquina obtiene la Deformación nominal:
• F es la fuerza que aplica la
máquina que es cada vez mayor
• A0 es la sección inicial de la probeta
• li es la longitud que va adquiriendo la probeta a medida que se va traccionando
• l0 es la longitud inicial de la probeta
Resultados del ensayo de tracción:
78
Tema 2

80. Análisis de las curvas tensión deformación
• Analizando los resultados obtenidos en el ensayo tensión-deformación se observa que:
• Cada material posee su relación tensión-deformación, es decir, materiales diferentes poseen
curvas diferentes
• Para conocer gran parte del comportamiento mecánico del material se analizarán las curvas con
sus zonas y puntos característicos
79
Tema 2

81. • Deformaciones elásticas:
• En muchos materiales cuando se aplican cargas pequeñas, las tensiones y las deformaciones
son proporcionales: Metales
• La deformación elástica NO es permanente, es recuperable cuando cesa la carga
• Se cumple la Ley de Hooke: 𝛔 = E·𝛆
• E = Módulo de elasticidad = Módulo de Young
• Unidades: las de la tensión
• El módulo de elasticidad (E):
• Da idea de la rigidez del material
• La rigidez es la dificultad que oponen los materiales
a la deformación elástica
• Cuanto mayor es el valor de E menor es la
capacidad de deformarse elásticamente
80
Tema 2

82. Material Módulo de elasticidad
(MPa×10⁴)
Aluminio 6,9
Latón 10,1
Cobre 11,0
Magnesio 4,5
Niquel 20,7
Acero 20,7
Titanio 10,7
Wolframio 40,7
• En general, teniendo en cuenta las distintas familias de
materiales se tiene que el módulo de elasticidad varía así:
ECERÁMICAS > EMETALES > EPOLÍMEROS
• En el valor de E tiene una
influencia fundamental:
• La fuerza de los
enlaces químicos
• La temperatura
81
Tema 2
·
·

83. ! Pregunta 1
El acero tiene un módulo de Young de 207 GPa y el aluminio de 69 GPa, ¿qué material es más rígido?
! Pregunta 2
En el siguiente gráfico se muestran dos curvas tensión-deformación de dos materiales distintos:
a) ¿Cuál es el más rígido?
b) ¿Cuál de los dos experimentará mayor deformación elástica
bajo la tensión 𝛔?
Tema 2 82
.

84. • Deformaciones plásticas:
• En la zona plástica las tensiones dejan de ser proporcionales a la deformación
• La deformación es permanente
• El la mayor parte de metales la zona elástica, como mucho llega
hasta deformaciones de tan solo 0,005
• A nivel atómico:
• Los enlaces con los átomos
vecinos se rompen
• Los átomos se desplazan
unos respecto a los otros
83
Tema 2
.

85. • Fluencia:
• Es la zona del gráfico donde se realiza la transición entre la zona elástica y la zona plástica
de la curva
• No se trata de un punto concreto es una zona
• Existen problemas para calcular numéricamente su valor dado que no se trata de un punto
concreto , ¿solución?
• Se define el Límite elástico como la resistencia a la deformación plástica que presentan
los materiales
84
Tema 2
·
·

86. 85
! Pregunta 3
¿Cuál de las dos probetas es más dúctil?

87. • Resistencia a tracción de un material:
• Se define como la tensión máxima que es capaz de soportar un material
• Corresponde con el punto máximo de la curva
86
Tema 2

88. • La estricción:
• Es una reducción de área localizada que sufre la probeta y que implica la rotura inevitable de
la pieza
• Ocurre una vez que se sobrepasa el máximo de la curva
87
Tema 2
T

89. • La ductilidad:
• Es la medida de la deformación plástica hasta la rotura
• Cuando un material posee una gran capacidad para deformarse plásticamente se llama dúctil
• Cuando un material posee muy poca capacidad para deformarse plásticamente se llama frágil
• La ductilidad ó fragilidad puede calcularse
como:
• Alargamiento relativo porcentual:
• Reducción del área porcentual:
• Se considera que un material es frágil cuando su
deformación plástica es inferior a un 2 %
88
Tema 2
.

90. • Compresión:
1. Se fabrican probetas normalizadas del material a
ensayar
2. Se coloca la probeta en la máquina y se aplica una
fuerza uniaxial que aumenta a v = cte
3. El ensayo se acaba cuando la probeta rompe
4. De manera continua se representa gráficamente la
relación entre la tensión y la deformación
F
F
Propiedades mecánicas: estudio de otros comportamientos
89
Tema 2
.

91. El aspecto de la máquina de compresión es semejante a la de tracción. Por otra parte, en
algunos materiales, el gráfico resultado tampoco dista mucho de los de tracción
Fuente: Habib M’henni CC0 Public Domain
90
Tema 2
↑
·

92. F
F
• Cortante:
• Se fabrican probetas normalizadas con el material a
ensayar
• Se coloca la probeta en la máquina y
se aplica un fuerza creciente a v = cte
• De manera continua se registra la
relación entre la tensión y la deformación
Tensión cortante:
Deformación:
91
Tema 2
-
-

93. Ejemplos de las máquinas y los ensayos de cortante en función del tipo de material de que se
trate
Líquidos viscosos
Adhesivos
Reómetro de platos paralelos.
Ensayo de adherencia
92
Tema 2

94. Ensayo de torsión.
F
F
• Torsión:
• Es una variación del esfuerzo cortante
• Las fuerza aplicadas generan un movimiento de
rotación alrededor del eje de la pieza
• Dado la forma de trabajar de los ejes y de
algunas vigas deberán realizarse estos ensayos
para asegurar su durabilidad
93
Tema 2

95. En un ensayo de tracción se emplea una
probeta de 8 mm2 de sección y 50 mm de
longitud. Esta muestra llega a rotura cuando la
carga aplicada es 10000 N, en ese instante su
longitud es de 150 mm y su sección de 5 mm2.
La fuerza aplicada en el límite elástico es 2500
N siendo la deformación 0,5. Calcular:
A) La tensión de rotura
B) La tensión de fluencia
C) El valor de la estricción en rotura
D) La deformación en rotura expresado en %
E) ¿cuánto mide la probeta cuando se aplica la
carga de 2500 N?
F) Representan en u. diagrama tensión-
deformación las magnitudes anteriores
EJERCICIO 3a EJERCICIO 3b
En el siguiente gráfico se muestran las curvas
tensión-deformación de dos materiales distintos:
¿Cuál es el material más…
A) dúctil?
B) resistente?
C) rígido?
D) elástico?
94

96. El efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas
• Cuando aumenta la temperatura de un
material:
• La ductilidad aumenta
• E disminuye
• El límite elástico disminuye
• La resistencia disminuye
• Cuando la temperatura de un material
disminuye:
• Aumenta la fragilidad
• E aumenta
• La resistencia aumenta
Tema 2 95

97. • Por lo tanto, para asegurar que
un determinado material resista
sin romper los materiales se
clasifican en función del rango
de temperaturas de uso:
Rango de Tª Materiales empleados
25 ºC – 150 ºC ≤ 100 ºC Polímeros termoplásticos
≤ 150 ºC La mayor parte de metales y aleaciones de ingeniería
150 ºC – 400 ºC ≤ 200 ºC Plásticos de alta temperatura (polisulfonas, fluoroplasticos
etc.)
≤ 250 ºC Aleaciones de aluminio y polímeros termoestables
≤ 400 ºC aceros bajos al carbono (exposición corta), aceros de baja
aleación (exposición larga)
400 ºC – 600 ºC ≤ 450 ºC Aleaciones de titanio alfa-beta, aceros de baja aleación
≤ 600 ºC Aceros con 5-12 % en Cr+Mo
600 ºC – 1000 ºC ≤ 650 ºC Aceros inoxidables ferríticos
≤ 750 ºC Aceros inoxidables austeníticos
≤ 800 ºC Súper aleaciones basadas en Fe-Ni
≤ 850 ºC Súper aleaciones basadas en Ni
≤ 980 ºC Súper aleaciones basadas en Co
>1000 ºC Metales refractarios (Mo, Nb, Ta, W), Cerámicas
96
Tema 2

98. • La resiliencia:
• Es la capacidad que poseen los materiales de devolver la energía absorbida cuando sobre
ellos se aplica una carga, se deforman elásticamente y posteriormente se descargan
• Es la energía por unidad de volumen necesaria para deformar el material hasta el límite
elástico
• Matemáticamente:
• Los materiales más resilientes:
• Poseen un L.E muy alto
• E pequeño
Resiliencia y tenacidad
97
Tema 2
->

99. • La tenacidad:
• Representa la capacidad de un material para absorber energía hasta la rotura
• Se calcula como el área bajo la curva σ – ε hasta rotura
• Un material posee una tenacidad elevada cuando posee una alta resistencia y una alta
ductilidad
• Se emplea el péndulo Charpy para medir la tenacidad
98
Tema 2
·

100. • Objetivo del péndulo Charpy: A medida que desciende
la Tª saber si el material posee transición dúctil-frágil
• La transición dúctil-frágil depende de la energía
absorbida en el choque:
• Tª alta: La energía absorbida es alta, el material es
dúctil
• Tª baja: La energía absorbida es baja, material
frágil
• Cuando las probetas rompen poseen el siguiente
aspecto:
• Rotura dúctil: superficie fibrosa
• Rotura frágil: superficie granular
• Transición dúctil-frágil: existen los dos tipos de
superficies
99
-

101. • Todos los materiales que presenten transición dúctil-frágil deben emplearse por encima de
la Tª en la que aparece dicha transición para evitar la rotura catastrófica
• Los materiales que presentan transición:
• Aleaciones metálicas CC y HC
• Cerámicas
• Polímeros
100
Tema 2

102. • Es la resistencia que opone el material a la deformación plástica en su superficie
• Es un indicativo de la resistencia del material
• Primeros intentos de medida: Escala de Mohs
• Industrialmente se mide especialmente en metales mediante unas máquinas denominadas
durómetros
10. Diamante
9. Corindon
8. Topacio
7. Cuarzo
6. Ortoclasas
5. Apatita
4. Fluorita
3. Calcita
2. Yeso
1. Talco
Dureza
Escala de Mohs
Dureza
101
Tema 2

103. Desgaste y erosión
102
¿Qué es el desgaste y la erosión?
• Es un ataque mecánico de sólidos o líquidos sobre piezas
• Cuando se combina con la corrosión y los fallos mecánicos la durabilidad de las piezas disminuye
drásticamente
• La ciencia que estudia el comportamiento de los materiales ante la fricción y el desgaste se
denomina tribología
Tema 2

104. 103
Tipos de desgaste
Desgaste por adhesión
• También se conoce como rayado, raspado o agarre
• Ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una
sobre la otra bajo presión
• Las imperfecciones superficiales se deforman
plásticamente y finalmente sueldan debido a la presión
• Al continuar el deslizamiento esas uniones rompen y se
producen:
• Cavidades en una de las superficies
• Proyecciones en la otra superficie
• Partículas abrasivas pequeñas
• Se puede minimizar con:
• Disminuyendo la carga aplicada
• Puliendo las superficies en contacto
• Aplicando una lubricación continua con aceite
• Propiedades fundamentales del
material:
• Dureza y resistencia altas
• Buena tenacidad y ductilidad
Tema 2

105. 104
Desgaste abrasivo
• Ocurre cuando se elimina material de una superficie debido al contacto con partículas duras
• Puede aparecer por:
• Partículas que han quedado atrapadas entre superficies
• Partículas que se añaden intencionadamente para eliminar material: operaciones de
rectificado
• Los materiales que mejor lo soportan: los de alta dureza, buena tenacidad y alta resistencia a
la fluencia
(a) partícula abrasiva atrapada entre superficies, (b) operaciones de
rectificado
Tema 2

106. 105
Erosión líquida
• Un material puede destruirse por la erosión ocasionada por altas
presiones de un líquido en movimiento
• Existen dos tipos fundamentales:
• Cavitación
• Ocurre cuando un líquido que contiene un gas disuelto entra en
una zona de baja presión: las burbujas crecen
• Cuando el líquido entra en zonas de presiones mayores las
burbujas colapsan y se genera una onda de choque
• Ocurre en: propulsores, vertederos de presas, bombas hidráulicas
• Pulverización por gotas de líquido
• Ocurre cuando gotas líquidas suspendidas en un gas en
movimiento golpean una superficie
• Producen altas presiones locales debido al impacto y al
movimiento lateral de las gotas
• Ocurre en: aspas de turbinas de vapor
Tema 2

107. EJERCICIO 4
a) En un ensayo de péndulo Charpy se rompe una probeta del material A. La maza de 25 kg cae
de una altura de 1 m y, después de romper la probeta de 75 mm2 de sección, se eleva 0,3 m.
Calcular la energía de rotura expresada en J/mm2
b) Una segunda probeta de las mismas dimensiones fabricada con un material B se ensaya con
la misma maza y la misma altura inicial, obteniéndose tras la rotura una elevación de 0,5 m.
¿este material es más o menos frágil que el anterior?
Tema 2 106

108. EJERCICIO 5
Mediante los ensayos de impacto realizados en el
laboratorio con tres materiales diferentes se han
determinado las siguientes gráficas.
a) Indicar cual/es de ellas podrían corresponder a
aceros y cual/es podrían corresponder a aluminio.
Razonar la respuesta.
b) Indicar cuál de los materiales es más fiable para
ser usado a temperaturas criogénicas (T< -50ºC)
c) Indicar cuál de los materiales es más fiable para
ser usado a temperatura ambiente (T=20ºC)
107
Tema 2

109. EJERCICIO 6
Una barra de acero cuelga verticalmente con una carga en el extremo de 2000 N. A
continuación se muestran las características conocidas de la pieza:
a) ¿Recuperará la barra la longitud inicial si se elimina la carga?
b) ¿Cuál es el valor de la deformación unitaria?
c) ¿Cuál sería la sección mínima de la barra para soportar una carga de 5000 N sin
deformaciones permanentes?
108
Tema 2
Material Acero
Longitud 1 m
Sección 10 mm2
E 200 GPa
L.E 350 MPa

110. Mecánica de la fractura
• La fractura o rotura simple es la división de una pieza en dos o
más partes como consecuencia de la aplicación de una tensión
y siendo T<<Tm
• Tipos de rotura:
• Dúctil: el material sufre deformación plástica antes de la
rotura, siendo la absorción de energía grande
• Frágil: la rotura ocurre casi sin deformación plástica, con una
absorción pequeña de energía
• Un proceso de rotura ocurre en 2 etapas:
• Formación de grietas
• Propagación de las grietas
Fuente: Dean Hochman CC0 Public
Tema 2 109
1
↑

111. • El tipo de rotura es función del mecanismo de propagación de las grietas:
• Rotura dúctil: Entorno a la grieta que se propaga ocurre una deformación
plástica muy grande, proceso lento Grieta estable
• Rotura frágil: La propagación de la grieta es rápida y espontánea con una
pequeña deformación plástica
• Siempre es preferible la rotura dúctil:
• La rotura frágil siempre es espontánea y no presenta ningún tipo de síntoma
• Para provocar la rotura dúctil es necesario mayor energía de deformación dado
que son materiales más tenaces
Grieta inestable
Fuente:
Pixabay
110
Tema 2
·

112. Aspecto visual de los distintos tipos de rotura
(a): Material muy dúctil
(b): Material dúctil
(c): Material frágil
• (a) Material muy dúctil
• La reducción de la sección es del 100 %
• Tª ambiente: Au y Pb
• Tª altas: Otros metales, polímeros y
vidrios
111
Tema 2

113. • (b) Material dúctil
• Estricción media
• La rotura ocurre en distintas etapas:
• (a) Cuando comienza la estricción aparecen dentro de
la sección microhuecos
• (b) A medida que la estricción aumenta los
microhuecos crecen uniéndose entre sí
• (c) Se forma una grieta elíptica, siendo su eje principal
perpendicular a la fuerza aplicada
• (d) Ocurre la propagación de la grieta alrededor del
perímetro externo formando un ángulo de 45 º con el eje
de tracción: ángulo al cual la tensión cortante es máxima
• (e) Rotura copa-cono: zona interna irregular de aspecto
fibroso, señal de la deformación plástica
112
Tema 2
·
↑

114. • (c) Material frágil
• La rotura frágil ocurre sin una deformación plástica apreciable
• La propagación de la grieta es rápida
• La dirección de propagación de la grieta es perpendicular a la tensión aplicada
• La superficie de rotura es bastante plana
• En metales de grano muy fino no es posible distinguir marcas
• En materiales amorfos como los vidrios, la superficie de rotura es plana y
brillante
• La propagación de la grieta ocurre debido a la rotura de enlaces a través de
los planos cristalográficos: proceso de descohesión
• En el proceso de descohesión puede ocurrir:
• (a) Que la grieta atraviese los granos
• (b) Que la grieta se propague alrededor de los bordes de grano
113
Tema 2

115. • Ejemplos de roturas
114
Tema 2

116. • Los principios de mecánica de la fractura:
• Problema: en algunas ocasiones los materiales dúctiles se comportan como frágiles
• La mecánica de la fractura relaciona:
Propiedades
de los
materiales
Aparición de
grietas
Mecanismos
de
propagación
de grietas
Niveles de
tensión
115
Tema 2

117. a
σ
σ
σ
σ
2a
• La tenacidad a la fractura:
• La mecánica de la fractura tiene como objetivo analizar el comportamiento del material que presenta
grietas
• Sirve para determinar la tensión máxima que es capaz de soportar el material agrietado antes de romper
• La tenacidad a la fractura mide la capacidad de un material para soportar cargas sin que ocurra el
agrandamiento de la grieta/s
• Es una propiedad cuantitativa
• Ensayo:
• Se aplica tracción
• La probeta posee una grieta de dimensiones y geometría conocidas
• En los extremos de la grieta la tensión se incrementa debido a que estos puntos son concentradores de tensión
Factor de intensidad de tensiones:
𝐾 = 𝑌 ∙ 𝜎 ∙ 𝜋 ∙ 𝑎
donde:
Y = Factor que depende de la geometría de la
probeta y del tipo de defecto. Suponiendo que la
anchura de la muestra es infinita, su valor es 1
σ = tensión aplicada
a = tamaño de la grieta
116
Tema 2

118. • Conociendo la dimensiones de la grieta, mediante este ensayo puede determinarse el valor de K necesario
para que la grieta se desarrolle y la pieza rompa, logrando el valor Kc de tenacidad a la fractura
• La tenacidad a la fractura depende del espesor de la probeta:
Factor crítico de intensidad de
tensiones, el valor de K necesario
para que la grieta se agrande
- Cuanto mayor sea el espesor Kc disminuirá hasta un
valor cte
- Esa cte se conoce como KIC y se presenta como una
propiedad del material
KIC = Tenacidad a la fractura en
la deformación plana
Material KIC (MPa·m1/2)
Aleación Al-Cu 30
Ti-6Al-4V 55
Acero Ni-Cr 50
Al2O3 1,8
Si3N4 5
ZrO2 11
PC 2,2
PMMA 0,8
Tenacidad a la fractura
(Kc)
Espesor de la probeta
KIC
117
Tema 2

119. • La capacidad que tiene un material para soportar el agrandamiento
de una grieta depende de distintos factores:
• Cuanto mayor sea la dimensión de la grieta menor será la
tensión que podrá soportar
• Cuanto mayor sea la fragilidad del material la tenacidad a la
fractura (KIC) disminuirá porque se facilita el desarrollo de la
grieta
• Cuanto más gruesa sea la pieza menor será la tendencia a
romperse
• Cuanto mayor sea la velocidad con la que se aplican las
fuerzas en el ensayo la tendencia a romper será mayor
• Cuanto mayor sea la temperatura a la que se realiza el ensayo
la tendencia a romper será menor
118
Tema 2

120. • En general, para estudiar la probabilidad de que un componente falle se analizarán los siguientes
parámetros:
• KIC = Tenacidad a la fractura
• σ = Tensión aplicada
• a = dimensión de la grieta
• Expresión a aplicar:
• Para que la expresión anterior sea aplicable el espesor del material (B) debe ser el suficiente, para
comprobarlo:
• Los materiales:
• Frágiles: Rompen de manera catastrófica, KIC es pequeña <
• Dúctiles: KIC grande
• Conceptos fundamentales de la mecánica de la fractura:
Siendo σy = Límite elástico
Suele ser dato
Deberá calcularse alguno de
los dos
119
Tema 2

121. Ensayos no destructivos
• En muchas ocasiones no es posible ensayar los materiales hasta rotura
• Los ensayos no-destructivos se emplean para analizar la calidad de los materiales y para detectar la aparición,
dimensiones y posición de defectos
• Mediante estos ensayos pueden analizarse la evolución de las grietas a lo largo del tiempo pudiendo predecir
la duración de la pieza
• Los siguientes ensayos son los más empleados:
• Radiografías
• Ultrasonidos
• Inspección con partículas magnéticas
• Corrientes de Eddy
• Inspección por líquidos penetrantes
• Termografía
120
Tema 2

122. Radiografía
• Se emplea la capacidad de
emisión y absorción del
material para formar una
imagen de los defectos
• Para emplearlo es necesario:
• Una fuente de radiación
(rayos x normalmente)
• Un sistema de detección
(película)
• Los defectos y los
materiales deben poseer
distintas propiedades de
absorción
Fuente:
Chris
Willis,
U.S.
Air
Forces
in
Europe
&
Air
Forces
Africa
•Un emisor genera pulsos
de frecuencias superiores
a 100000 Hz
•Esas ondas se trasladan
a través del material
hasta el receptor
•La velocidad de las ondas
es función del módulo
elástico y de la densidad
Ultrasonidos Inspección por
partículas magnéticas
•Se induce un campo magnético
en el material
•Se analizan las líneas de flujo
•Los defectos desvían las líneas
de flujo generando
discontinuidades
•Para que sea un método
aplicable:
•Los defectos deben ser
perpendiculares a las líneas
de campo
•Los defectos deben situarse
cerca de la superficie
•El material debe ser
ferromagnético
Fuente: Elizabeth Van Patten, Dobbins Air Reserve
Base
121
Tema 2

123. Corrientes de Eddy
• Se analizan las interacciones
del material con un campo
electromagnético
• Por una bobina se hace
pasar una corriente alterna
colocando el material al lado
• En el material se genera una
corriente inducida
• La corriente inducida genera
interacciones con el campo
de la bobina
• Los defectos generarán
cambios en el campo
magnético
Inspección por
líquidos penetrantes Termografía
Fuente: Adarius Petty, Air Combat
Command
• Mediante esta técnica pueden
detectarse grietas que penetran desde
la superficie
• El líquido es un tinte
• Pasos de aplicación:
• Se limpia la superficie del material
• Verter el líquido penetrante
• Nueva limpieza de la superficie
• Se vierte sobre la superficie un
revelador
• El líquido penetrante reacciona
con el revelador dejando a la vista
la grieta
• Los defectos en un material
modifican la velocidad del flujo de
calor
• Aplicación:
• Sobre la superficie del material
se aplica un recubrimiento
térmicamente sensible
• El material se calienta y luego
se enfría
• La temperatura es mayor en
las cercanías de un defecto
• Como recubrimientos se
emplean pinturas normalmente
122
Tema 2

124. EJERCICIO 7
Cuando una pieza estructural metálica se inspecciona mediante técnicas no destructivas, se
observa que posee algunos defectos. Dichos defectos se sitúan en el interior de la pieza y el
mayor posee una dimensión de 0,5 mm. Sabiendo que el valor de la tenacidad a la fractura para
este material es de 45 MPa·m1/2 y sabiendo que la pieza en obra soportará una tensión a
tracción de 550 MPa, ¿esos defectos podrían ocasionar la rotura de la pieza? Suponer que se
cumple la condición de deformaciones planas siendo Y = 1
Tema 2 123

125. EJERCICIO 8
Se dispone de tres piezas iguales fabricadas con tres materiales distintos A, B y C. Debe
seleccionarse una de estas piezas sabiendo que en obra soportará una tensión de 600 MPa.
Mediante técnicas de ultrasonido se han detectado grietas internas en todas ellas de las siguientes
características:
Suponiendo que se cumplen las condiciones de deformación planas, ¿cuál de las piezas sería
más conveniente utilizar para evitar la rotura?
124
Tema 2
Material KIC (MPa·m1/2) Longitud de la grieta (mm) Y
A 60 4,13 1
B 24 2,05 1
C 45 3,78 1

126. EJERCICIO 9
Una pieza prismática de sección 200×200 mm2 y
longitud 1 m será sometida a una carga de tracción
en su eje longitudinal de valor 30000 KN. En una
inspección inicial se han detectado grietas internas
perpendiculares al eje longitudinal de la pieza de
dimensiones 1,25 mm, 6,01 mm y 3,57 mm. Los
datos del material son los mostrados en la tabla.
Material Acero inoxidable ferrítico
Límite elástico 380 MPa
Resistencia máxima 620 MPa
Módulo de Young 198 GPa
Deformación en rotura 12 %
KIC 70 MPa·m-1/2
Factor de forma Y 1
a) ¿Se cumple la condición de deformaciones planas?
b) ¿Cuál es la dimensión crítica de la grieta interna, en mm, que haría romper la pieza con esa
carga aplicada?
c) Si hubiera que calcular el valor de la tensión crítica que haría romper el componente, ¿cuál
sería el tamaño de la grieta que habría que valorar?
d) ¿Cuál sería el valor de la tensión crítica que haría romper el componente?
e) ¿Romperá la pieza bajo la carga aplicada?
125
Tema 2

127. Resistencia a la fatiga
• ¿Qué es fatiga?
• El fenómeno de rotura que experimenta un
material por soportar un esfuerzo que se repite en
el tiempo
• ¿Por qué es importante?
• Porque el 90% de los materiales metálicos que
rompen lo hacen por este motivo, y también puede
tener lugar en cerámicas y polímeros
• ¿Cómo es la rotura generada por fatiga?
• La rotura tiene aspecto frágil aunque el material,
en estado normal, sea dúctil
• La superficie de rotura es perpendicular a la
dirección de la tracción aplicada
Tema 2 126

128. • ¿Cómo son las cargas aplicadas?
a) Cargas alternas de tracción-compresión
b) Carga alterna que varía de 0 a F
c) Carga pulsatoria, el valor de la carga varía pero no
cambia de signo ni se hace cero
• Ensayo de fatiga • Resultado del ensayo de fatiga
Los valores obtenidos se representan en un gráfico (curva
S-N) donde se representan para cada probeta las tensiones
(S) frente al logaritmo del número de ciclos (N) hasta la
rotura:
127
Tema 2
↑
·
ATRACCION
- I
·l
NVF 2 -
COMPRIMIDO

129. • Las grietas generadas por la fatiga comienzan en la
superficie del material donde los esfuerzos son máximos
• En el proceso de rotura existen 3 etapas:
1. Comienzo de la grieta donde existen grandes
concentraciones de tensiones: rayas, ángulos vivos,
roscas…
2. En cada ciclo ocurre una pequeña
propagación de la grieta
• La grieta avanza
• Ocurre un cambio en la
dirección de propagación hasta
Que se vuelve perpendicular a la
dirección de la tensión aplicada
3. Rotura cuando la grieta llega a un tamaño crítico
128
Tema 2

130. • Ejemplos de rotura por fatiga
Rotura por fatiga dúctil:
Marcas de playa: representa la
propagación de la grieta durante
un periodo de tiempo (propagac-
parada-propagac)
Rotura por fatiga frágil:
No existe deformación plástica,
la superficie de rotura es lisa o
arenosa
129
Tema 2

131. • El entorno tiene importancia en el comportamiento a fatiga, así:
• Fatiga térmica
• Se genera a altas Tª por medio de tensiones térmicas variables
• Las tensiones térmicas aparecen por impedir las dilataciones/
contracciones
• Matemáticamente:
• Para evitar las tensiones térmicas:
• Eliminar las limitaciones mecánicas que impiden los
cambios dimensionales
• Debe elegirse el material adecuadamente
• Fatiga generada por la corrosión
• Se generan por tensiones cíclicas de rotura + ataque químico
• Los defectos que generan las reacciones químicas generan
puntos de concentración de tensiones
• La velocidad de propagación aumenta en entornos corrosivos
130
Tema 2

132. Fluencia en caliente
• ¿Qué es la fluencia en caliente?
• Una deformación permanente que sufre el material a
altas Tª y bajo cargas constantes
• ¿Por qué es importante?
• Porque afecta a todo tipo de materiales y reduce su
vida útil
• Especialmente debe tenerse en cuenta:
• En polímeros amorfos
• En metales, cuando Tª > 0,4 Tm
• Ensayo:
• Se aplica una carga cte sobre una probeta que se
encuentra a Tª cte
• Se mide la deformación en función del tiempo
131
Tema 2
↑

133. • La curva posee 3 zonas:
1. Fluencia primaria o transitoria: la velocidad
de fluencia va disminuyendo y el material se
endurece como consecuencia de la
deformación
2. Fluencia secundaria o estacionaria: La velocidad
de fluencia es cte, el material se reblandece
3. Fluencia terciaria: la velocidad de fluencia aumenta
y ocurre la rotura de la pieza
• Influencia de la tensión y la Tª en la fluencia:
• Al aumentar la Tª o la tensión ocurre que:
• Aumenta la tensión instantánea
(comienzo de la curva)
• Aumenta la fluencia estacionaria
• Disminuye el tiempo de rotura
132
Tema 2

134. 133
Este grupo de materiales son los más empleados en el ámbito industrial por las propiedades que presentan. Dentro de este
grupo se incluyen tanto los metales puros como las aleaciones, es decir, las mezclas de un metal principal con otros metales u
otros elementos químicos.
De forma habitual en el proceso de fabricación existe una etapa en la que estos materiales se encuentran en estado líquido a
altas temperaturas. Para lograr piezas útiles el proceso continúa con el enfriamiento y solidificación. Este proceso genera
estructuras policristalinas que se van desarrollando en dos etapas denominadas nucleación y crecimiento. Dado que el proceso
de crecimiento puede realizarse de formas diferentes esto generará estructuras policristalinas planares o dendríticas, lo que
producirá propiedades distintas en el material. Para saber más sobre estas etapas puede realizarse la siguiente lectura:
Ciencia e Ingeniería de los materiales – Autor: D.R. Askeland
Capítulo 8. Principios de endurecimiento por solidificación y procesado
Las propiedades de metales puros suelen ser bastante limitadas para las aplicaciones industriales, no suelen tener ni la
resistencia ni la dureza necesarias por lo que la primera opción para mejorar estos aspectos es generar aleaciones. Para
ajustar las propiedades de dichas aleaciones existen varias herramientas fundamentales, siendo los diagramas de fases una de
las más básicas. Cada aleación posee su propio diagrama que muestra, para distintas temperaturas, las fases que se
presentan al variar el porcentaje de mezcla. Según el tipo y cantidad relativa de cada fase las propiedades de la aleación serán
distintas. El diagrama más importante es el del Fe-C que sirve para la fabricación de aceros y fundiciones. Antes de abordar los
ejercicios relacionados con estos diagramas se recomienda la siguiente lectura:
Tema 3: Los Metales

135. Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 11. Diagramas de fases
Otras herramientas empleadas para mejorar la resistencia y dureza de este grupo de materiales son la deformación plástica y
la reducción del tamaño de grano. Una vez que se ha fabricado la aleación comienza la etapa de dar forma al material para
lograr la geometría de la pieza necesaria. Para realizar esta operación existen dos grandes grupos de métodos: los métodos en
los que tras solidificar el material se aplican fuerzas para deformarlo plásticamente, y obtener así la forma de la pieza, y los
métodos en los que se solidifica la aleación en moldes que poseen la geometría de la pieza a obtener. Solo en el primer grupo
de métodos se consigue un aumento de la dureza y resistencia de los materiales.
Posteriormente, una vez obtenida la pieza con su forma definitiva, se aplican tratamientos térmicos en hornos para acabar de
ajustar las propiedades. Existen tratamientos de distinto tipo que, bien a través de la reducción del tamaño del grano o a través
de la generación de nuevas fases, son capaces de mejorar aún más la resistencia y dureza de los materiales.
Se recomiendan las siguientes lecturas relacionadas con estos temas:
Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 9. Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
Capítulo 17. Fabricación y procesado de materiales en ingeniería
Introducción a la Ciencia de materiales para ingenieros – Autor: J.F. Shackelford
Capítulo 10. Cinética: Tratamiento térmico
Tema 3
134

136. 135
Posteriormente, se hablará de las propiedades generales que poseen esta familia de materiales: el aspecto de las curvas
tensión-deformación, la dureza, los resultados a fatiga, propiedades eléctricas y térmicas y, también, de su comportamiento a la
oxidación y corrosión.
Para saber más acerca de las propiedades de los metales se recomienda la siguiente lectura:
Introducción a la Ciencia de materiales para ingenieros – Autor: J.F. Shackelford
Capítulo 6. Propiedades mecánicas
Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 18. Corrosión y degradación de los materiales
El tema acabará con una corta descripción de las aleaciones industriales más importantes y sus aplicaciones fundamentales.
Este apartado puede complementarse con la siguiente lectura:
Ciencia e ingeniería de materiales – Autor: W.D. Callister
Capítulo 13. Propiedades y aplicaciones de los metales
Tema 3

137. Introducción
1. ¿Cuál es el metal que más se consume en el mundo? Ordenar la siguiente lista
Metal Consumo
Titanio
Aluminio
Zinc
Hierro
Cobre
2. ¿Qué características estructurales básicas tienen los metales?
- Tipo de enlace
- Estructura cristalina o amorfa
- Tipos de átomos
136

138. Fuente: British
Geological Survey,
Natural
Environment
Research Council
Producción de minerales año 2020
137
Aluminio Cobalto Cobre Oro
Hierro Plomo Litio Manganeso
Mercurio Molibdeno Niquel Plata
Estaño Titanio Zinc

139. La estructura de los metales
• Para entender la estructura de los metales es necesario comprender qué ocurre en el proceso de
solidificación durante la fabricación
¿Qué es el proceso de solidificación?
• Cualquier sustancia puede encontrase, en general, en tres estados de agregación: sólido, líquido y
gaseoso
• Habitualmente en los procesos de fabricación se parte de un estado líquido y se pasa a uno sólido
• El cambio de estado de agregación ocurre a la denominada temperatura de solidificación
• Al pasar de estado líquido a sólido, en metales y muchas cerámicas, se forma una red cristalina
ordenada
Tema 3 138

140. ¿Por qué a unas temperaturas existe el estado líquido y a otras sólido? y ¿por
qué ocurre a unas determinadas temperaturas?
• Las transformaciones líquido-sólido son
espontáneas, es decir, aparece el nuevo estado
porque energéticamente es más favorable que
el estado anterior
• El estado energético se caracteriza por la
energía libre (G)
• Cuanto mayor es la energía libre de un sistema
menor es su estabilidad y, si es posible, el
sistema pasará a un estado en el que la energía
libre sea menor
• Cuando varían las condiciones exteriores, la Tª
por ejemplo, la energía libre del sistema varía
siguiendo una ley compleja pero distinta para
los estados líquido y sólido
G
T
Líquido
Sólido
Tª solidificación
139
Tema 3
·

141. ¿Cuál es el mecanismo del proceso de cristalización?
• La solidificación ocurre en dos pasos: nucleación y crecimiento
• Nucleación
• Se le denomina nucleación a la creación de una pequeña partícula sólida dentro del líquido
• La partícula sólida está formada, en los primeros momentos, por unos pocos cientos de átomos
ordenados
En metales En vidrios
• Crecimiento
• Los átomos del líquido se unen a las partículas del sólido, hasta que se agota el líquido
• En el tipo de crecimiento del sólido influye como se disipa el calor del sistema
• Deben disiparse dos tipos de calor:
• Calor específico del líquido:
• Este es el primero que debe eliminarse, hasta que el líquido llegue a la temperatura de
solidificación
• Se transmite por radiación a la atmósfera o por conducción a través del molde
• Calor latente de fusión:
• Antes de que ocurra la solidificación el calor latente de fusión presente en la interfase
sólido-líquido debe eliminarse
• La manera en la que desaparece ese calor definirá el mecanismo de crecimiento de los
núcleos y la estructura final 140
Tema 3

142. • En el proceso de cristalización tiene un efecto fundamental la velocidad de enfriamiento y la
dirección de extracción de calor
• En función de esas variables los cristales tienen distintos mecanismos de formación y distinta
forma final
• Se distinguen dos tipos de crecimiento:
• Crecimiento planar
• La temperatura del líquido es mayor que la
Tª de solidificación
• La temperatura del sólido es la Tª de
solidificación o menor
• En el proceso de solidificación el calor
latente de fusión (∆H𝘧) se disipa por
conducción a través del sólido por la
interfase sólido-líquido
141
Tema 3

143. • Crecimiento dendrítico
• Cuando la nucleación es lenta el líquido se enfría antes de que se forme sólido
• Existe una dirección en la que el calor se extrae más rápidamente y da lugar a que el
cristal crezca más deprisa en esa dirección
• En esta situación se forma en la interfase una partícula sólida pequeña denominada
dendrita
• A medida que aumenta la dendrita el calor latente de fusión pasa al líquido aumentando
su Tª a la Tª de solidificación
• El crecimiento de las dendritas aumenta hasta que la Tª del líquido sea la Tª de
solidificación
• De ahí en adelante el líquido que queda solidifica mediante crecimiento planar
142
Tema 3

144. • La velocidad con la que crece el sólido es función de la velocidad de enfriamiento o de la velocidad
de evacuación del calor
• Una velocidad rápida de enfriamiento genera una solidificación rápida o tiempos de solidificación
cortos
• El tiempo de solidificación influye en las dimensiones de las dendritas
• Normalmente, las dimensiones de las dendritas se miden mediante la distancia entre los brazos
secundarios de las mismas (EDBS)
• EDBS disminuye cuanto más rápido se enfríe el material
• EDBS pequeños producen resistencias mecánicas mayores y mejores ductilidades
Fuente: DoITPoMS
143
Tema 3

145. ¿Qué son los diagramas de fases y para qué sirven?
• Son diagramas ampliamente empleados en la
fabricación de materiales especialmente en
aleaciones metálicas
• En un diagrama de este tipo se relacionan
composiciones de las aleaciones con temperaturas
y estructuras obtenidas
• Los diagramas de fases que más se emplean
representan mezclas de dos componentes (dos
metales, por ejemplo)
• Son una herramienta fundamental para que el
fabricante del material pueda ajustar la composición
a los requisitos que impone el comprador
Cliente
Pedido de material con
requisitos
Fabrica
1
Análisis de
propiedades
2
Determinación
de la estructura
necesaria
3
Selección del
modo de
fabricación
Tema 3 144
·

146. ¿Cómo se obtienen los diagramas de fases?
• Para una mezcla de dos componentes empleando sus curvas de enfriamiento:
• Las curvas de enfriamiento son gráficos que
sirven para representar los cambios de
temperatura que sufre el material a lo largo
del tiempo
• Las curvas de enfriamiento son diferentes
en un metal puro y en una aleación
145
Tema 3

147. Algunos conceptos clave para entender los diagramas de fases
• Límite de solubilidad:
• En ocasiones a la hora de formar una disolución sólida, a una
temperatura determinada, como mucho puede disolverse una
concentración determinada de átomos en el disolvente
• A dicha concentración máxima se le denomina límite de solubilidad
• Fases:
• Es la zona del sistema donde existen propiedades físicas y químicas
uniformes
• Todos los materiales puros poseen una única fase, son sistemas
homogéneos
• Es habitual que en las mezclas aparezcan dos o más fases, son sistemas
heterogéneos
• La mayor parte de las aleaciones metálicas, sistemas cerámicos,
poliméricos y composites son sistemas heterogéneos
146
Tema 3

148. • Las fases se observan al microscopio y tienen el siguiente aspecto:
Muestra formada por una única fase Muestra formada por dos
fases: blanca y negra
• Microestructura:
• Muchas veces las propiedades mecánicas de los materiales dependen de la microestructura
• La microestructura se estudia mediante la microscopía
• En las aleaciones de metales depende del número de fases, de la proporción de dichas fases
y de su manera de organizarse
• La microestructura depende entre otras cosas de los elementos de aleación, de su
concentración y de los tratamientos térmicos realizados
147
Tema 3
·

149. • Equilibrio de fases:
• El equilibrio está relacionado con la energía libre del sistema
• La energía libre es función de la energía interna del sistema y del desorden de átomos y
moléculas (entropía)
• Un sistema está en equilibrio cuando a una combinación de temperatura, presión y composición
determinadas la energía es mínima
• En un diagrama de fases se controlan:
• Los diagramas de fases se dibujan mediante combinaciones de esos parámetros
Composición
Temperatura
Presión
148
Tema 3
-

150. El proceso de solidificación, la estructura y los diagramas de fases
• Metales puros
• Solidifican en dos pasos:
• Nucleación: formación en el líquido de una partícula pequeña
• Crecimiento: los átomos del líquido se unen a la partícula sólida, hasta
agotarse el líquido
• Aleaciones
• Cuando desean mejorarse las propiedades mecánicas de los metales puros
se emplean aleaciones
• Para fabricarlas se emplean los diagramas de fases
• Existen dos tipos de aleaciones: de una sola fase y de múltiples fases
¿Cómo son las aleaciones de una sola fase?
• En estado liquido poseen solubilidad ilimitada
• En estado sólido son disoluciones sólidas
• Habitualmente se denominan soluciones sólidas
¿Qué es una aleación de fases múltiples?
• En algunas ocasiones, al añadir demasiada cantidad de una metal,
existirá solubilidad limitada, es decir, disolución sólida y metal sobrante
• Es muy habitual en las aleaciones comerciales
149
Tema 3

151. EJERCICIO 1
Empleando el diagrama de fases de la
aleación cobre–níquel:
a) Para la aleación 60 % en Ni explicar
las transformaciones que sufre al
disminuir la temperatura desde el
estado líquido hasta temperatura
ambiente empleando una curva de
enfriamiento.
b) Para la aleación 20 % en Ni
determinar, a las temperaturas de
1350°C, 1175°C y 800° C, las fases
existentes, su composición y su
cantidad. Dibujar su microestructura.
Tema 3 150

152. • Reacciones eutécticas (Punto A)
• Ejemplo Mg-Pb
• Punto eutéctico: A
• T = 450 ºC
• Composición 67 % Pb
• Compuestos intermetálicos
• La composición de estas fases es independiente de la
temperatura, es decir, una vez formadas su
composición no varía
• Ejemplo: Mg-Pb
• Mg₂Pb compuesto intermetálico, Composición
fija: %19 Mg-%81 Pb
• Reacciones eutectoides (Punto E):
• Reacciones Peritécticas (Punto P):
Los puntos invariantes y los componentes intermetálicos
A
151
Tema 3
Aleación Cu-Zn
·

153. EJERCICIO 2
Empleando el diagrama de fases de la
aleación plata-cobre responder a las
siguientes cuestiones:
a) Identificar el punto triple
b) Identificar las distintas zonas del diagrama
c) Determinar las fases, su composición y la
microestructura que presentará una
aleación del 4 % en Cu a 400 °C
d) Determinar las fases, su composición y la
microestructura que presentará la aleación
de composición eutéctica a 500 °C
e) Determinar las fases, su composición y la
microestructura que presentará una
aleación del 20 % Cu a 600 °C
152
Tema 3
-

154. El diagrama de fases hierro-carbono
• El diagrama se dibuja hasta contenidos
de C del 6,7 %, aquí se forma el
compuesto intermetálico carburo de hierro
o cementita (Fe3C) que se representa
mediante una línea vertical
• Habitualmente el C entra en la red
cristalina como solución sólida de
inserción
• Posee tres puntos invariantes:
• Punto eutéctico
• Punto eutectoide
• Punto peritéctico
Átomos de Fe
Átomos de C 153
Tema 3
·

155. • El diagrama posee las siguientes zonas importantes:
• Los aceros se fabrican con composiciones de C
que varían desde 0,01 % a 1,8 % y se clasifican
en:
• Aceros hipoeutectoides (0,01 % C - 0,76 % C)
• Aceros eutectoides (0,76 % C)
• Aceros hipereutectoides (0,76 % C - 1,8 % C)
• Las fundiciones se fabrican con composiciones de
C que varían desde 1,8 % a 6,7 % y se clasifican
en:
• Fundición gris (2,4 % C - 4 % C)
• Fundición dúctil o esferoidal (3,2 % C - 3,6 % C)
• Fundición blanca (1,8 % C - 3,6 % C)
Aceros Fundiciones
154
Tema 3

156. • En el diagrama aparecen las siguientes fases y microconstituyentes que aportan a los
distintos aceros y fundiciones sus propiedades:
• La ferrita posee pequeñas
cantidades de C < % 0,020
C
• Es relativamente blanda y
dúctil
• Por debajo de 768 ºC se
puede volver magnética
• La ferrita α y la ferrita δ son
iguales pero aparecen en
intervalos de Tª distintos
Ferrita (fase ⍺)
• No es estable por debajo
de 727 ºC
• Como mucho posee un
2,1 % de C a 1147 ºC
Austenita (fase γ) Cementita (Fe3C)
• Se forma cuando se supera la
solubilidad del C en la ferrita α
por debajo de 727 ºC
• Es un compuesto intermetálico
• Es muy dura y frágil
• Aumenta mucho la resistencia
de los aceros
155
Tema 3

157. Perlita (ferrita + cementita)
• Se forma en la
composición eutectoide
• En su interior se disponen
en forma de láminas
alternas ferrita α y
cementita
• Posee propiedades
intermedias entre la Ferrita
(zona clara) y la cementita
(zona oscura)
Ledeburita (austenita + cementita)
Vander
Vroot,
G.F.,
2006,
Microstructure
of
ferrous
alloys
• Se forma en la
composición eutéctica
• En su interior se disponen
en forma alternas austenita
y cementita
• Posee una alta dureza y
fragilidad
156
Tema 3

158. EJERCICIO 3
En el diagrama de fases Fe-C y para
las aleaciones que se muestran a
continuación determinar a 600 °C las
fases presentes, su composición, su
cantidad y su microestructura:
a) Aleación eutectoide
b) 0,5 % C
c) 1,5 % C
157
Tema 3
·
-

159. Modificaciones en la estructura de los metales
• En la mayor parte de las ocasiones la resistencia y la dureza que poseen los metales puros
no es suficiente y es necesario endurecerlos
• Existen cuatro mecanismos fundamentales para lograrlo:
1. La disolución sólida
2. El endurecimiento por precipitación
3. La deformación plástica
4. La reducción del tamaño del grano
Se realizan en el proceso de fusión-
solidificación
Se realizan en el proceso de
conformación-T. Térmicos
• Todas estas técnicas permiten aumentar la resistencia y la dureza de los metales pero siempre
a costa de disminuir su ductilidad
Tema 3 158
- -
Disolución solida -
*
uorgati- 2aa
Al
ig BQ

160. • ¿Qué es una disolución sólida?
• Es una aleación de una sola fase
• Las disoluciones sólidas pueden ser
• De inserción (átomo secundario pequeño, p.e. Fe-C)
• De sustitución
• Requisitos para formar disoluciones sólidas de sustitución:
1. El tamaño de los átomos debe ser parecido
2. Deben poseer la misma estructura cristalina
3. Deben poseer la misma valencia y una electronegatividad
parecida
Reglas de Hume-Rothery
• Respecto a un metal puro las disoluciones sólidas son más resistentes y más duras
159
Tema 3

161. • ¿Qué es el endurecimiento por precipitación?
• Cuando se supera la solubilidad de un elemento,
por agregar demasiada cantidad de un segundo
elemento, se forman dos fases
• El límite entre las fases es una superficie donde
el ordenamiento atómico no es perfecto
• Al endurecimiento que tiene lugar como
consecuencia de la aparición de una segunda
fase se le denomina endurecimiento por
precipitación
• Mediante este método se logran resistencias y
durezas mayores que las obtenidas en las
disoluciones sólidas
Principios
• En una aleación endurecida por precipitación
debe haber más de una fase
• La fase continua normalmente está en
cantidades mayores y recibe el nombre de
matriz
• La segunda fase, normalmente en cantidades
menores, es el precipitado
160
Tema 3

162. • Para que las propiedades mecánicas mejoren apreciablemente la matriz y el precipitado deberán
poseer las siguientes características:
La matriz será blanda
y dúctil y el
precipitado duro y
resistente
El precipitado debe
ser no continuo y la
matriz continua
Las partículas del
precipitado deben ser
pequeñas y estar en
cantidades grandes
Las partículas del
precipitado deben ser
redondeadas
Las cantidades
grandes de
precipitado aumentan
la resistencia de la
aleación
161
Tema 3

163. ¿Qué ocurre en la estructura para que se genere el endurecimiento?
1.Identificar el metal puro, la aleación con
disolución sólida y la aleación de fases
múltiples
2.¿Cuál es más resistente?
3.¿Cuál es más dura?
4.¿Cuál es más frágil?
5.¿Cuál es la mejor conductor del calor?
6.¿Cuál es el peor conductor de la
electricidad?
7.¿Por qué?
162
Tema 3
P
todos
gravosiquall ATOMOS DISTINTOS (6)
METAL PURO
disdución
~
alida
C
C
I que
meno imperfecciones
C
se tiene
A
- C ->
porque
es el
que
más bordes tiene
a
ALEACION DE
MULTIPLES FASES

164. La fabricación de los metales
• La ciencia que tiene por objeto la fabricación de metales se denomina metalurgia
• Dentro de la metalurgia, la siderurgia se encarga de la fabricación de la aleaciones de hierro
• Pasos para obtener los productos metálicos:
Extracción de la mina de las materias primas:
óxidos y sulfuros metálicos
Obtención de la aleación metálica
•Hidrometalurgia: precipitación del metal
•Electrometalurgia: electrólisis de sales metálicas fundidas
•Pirometalurgia: fusión de la mena
Fuente:
CC0
Public
Domain
Fuente:
CC0
Public
Domain
Fuente:
CC0
Public
Domain,
KUKA
Roboter
GmbH
Conformación del metal y ajuste de propiedades
Tema 3 163

165. Bandas y chapas Alambre, barras y tubos Perfiles y raíles
Vía tradicional Vía reciclaje
Conformación
en caliente
164
Tema 3

166. ¿Qué es el conformado de los metales?
• Una vez que la aleación se encuentra en estado líquido, con su composición química definitiva,
comienza el proceso de conformación
• Conformar significa dar la forma necesaria al material para la aplicación que corresponda
• Las técnicas más empleadas se dividen en dos grupos, más un tercer grupo complementario:
Deformación
• Forja
• Laminación
• Extrusión
• Trefilado
Moldeo
• En arena
• En coquilla
• De precisión
Otros procesos
• Pulvimetalurgia
• Mecanización
• En algunas ocasiones se deseará modificar las propiedades mecánicas del metal para que se
pueda utilizar en distintas aplicaciones, para ello será necesario aplicar tratamientos térmicos
165
Tema 3

167. Las técnicas de deformación
• Las técnicas de deformación implican aplicar esfuerzos sobre el material para deformarlo
plásticamente y así lograr la forma necesaria
• La deformación plástica es la distorsión y reconstrucción de los enlaces atómicos del material
y ocurre a través de las dislocaciones
• Puede realizarse de dos maneras:
En caliente
El metal se calienta antes de iniciar el
proceso de deformación para que se
encuentre en estado blando y dúctil
En frío
Se realiza a temperatura cercana a
la ambiente, el metal aumenta la
resistencia y disminuye la ductilidad
166
Tema 3

168. La deformación en frío
• Durante este proceso el metal se vuelve cada vez más difícil de
deformar a medida que aumenta la deformación producida
• Se generan tantas dislocaciones que los mecanismos de deslizamiento
se encuentran con muchos obstáculos y resulta que unas dislocaciones
impiden el movimiento de otras
• Los obstáculos en el movimiento endurecen a los metales pero reducen
su ductilidad haciendo que el metal rompa si se excede un cierto límite
de trabajo en frío
• La acritud
• Significa la deformación mecánica de un material a temperaturas
relativamente bajas
• Se define como:
• La dureza y resistencia del material aumentan con el % de acritud
• El trabajo en frío disminuye: la ductilidad, la resistencia a corrosión y
la conductividad del material
Ejemplo de los efectos del trabajo
en frío sobre un metal
167
Tema 3
~>
Ao=
100mm
Aco III -
a
Ir
=
65mm2
LE=
525MPa
E
=
zoompa ↳ OPAx=
575MPa
·
OAx=
350 MPa EROT =
12
1.(W =
65.100=35-; ERO=
30
⑦

169. • La anisotropía
• Durante la deformación en frio los granos
del metal se alargan y giran generado una
microestructura fibrosa
• Se desarrollan orientaciones y un
comportamiento anisotrópico, es decir, las
propiedades dependerán de la dirección en
la cual se midan
• Tensiones residuales
• Se desarrollan durante la deformación en frio
• Una pequeña parte del esfuerzo aplicado para la
deformación queda almacenado en la estructura
en forma de red de dislocaciones
• Se incrementa la energía total de la estructura
• No se distribuyen de forma uniforme: puede haber
zonas traccionadas y zonas comprimidas
• Afectan a la capacidad de una pieza de soportar
una carga
• ¿Pueden eliminarse los efectos de trabajo en
frío?
• El endurecimiento puede eliminarse totalmente con
el tratamiento térmico de recocido
• Consiste en calentar el material por encima de su
Tª de recristalización
• La Tª de recristalización se encuentra entre 1/2 y
1/3 de la Tm, y los átomos adquieren la suficiente
movilidad como para afectar a las propiedades
mecánicas
Tema 3 168

170. La deformación en caliente
• Es la deformación plástica del metal por encima de su Tª
de recristalización
• Durante el trabajo en caliente no hay endurecimiento por
lo que la deformación que se puede alcanzar es, en
teoría, ilimitada
• Los metales a altas Tª poseen un mayor número de
sistemas de deslizamiento por lo que son más dúctiles
• El oxígeno del aire reacciona con la superficie
del metal caliente formado una capa de óxido
(cascarilla) que durante la deformación puede
quedar atrapada dentro de la pieza generando
debilidad
• Las estructuras de los metales no son isotrópicas porque
la superficie de las piezas siempre se enfría antes que el
interior, entonces:
• La superficie posee un tamaño de grano más
pequeño que el interior
• Se genera una estructura fibrosa por el alargamiento
de inclusiones y segundas fases
169
Tema 3

171. • Forja:
• Consiste en el amartillamiento de la pieza metálica hasta
obtener su forma
• Para aplicar la fuerza se emplean prensas
• Se colocan matrices en las prensas para conseguir la
forma deseada de las piezas
• Las piezas fabricadas de esta manera poseen:
• Una microestructura de grano fino orientado
• Buena resistencia mecánica, buena resistencia al
impacto y una mínima porosidad
• Se fabrican con este sistema llaves para tuercas, ruedas
de tren y bielas entre otros
Prensa
Fuente:
Sam
D.
Wilbur
CC0
Public
Domain
Las técnicas de deformación más importantes
170
Tema 3

172. • Efecto del calentamiento y de la
deformación plástica sobre la
estructura del material forjado
• La estampación en frío
• Es una variación de la forja
• La clave de este proceso es la matriz: se trata
de medio molde que posee la forma de la pieza
a obtener
• El proceso puede realizarse en un único golpe
de prensa o en varios consecutivos
Ejemplo de logotipo de Toyota obtenido por estampación en frio,
una variación de la forja
171
Tema 3

173. • Laminación:
• Se hace pasar una pieza metálica entre dos
cilindros hasta que alcanza la forma deseada
• Los cilindros aplican fuerzas de compresión
sobre el material
• Se emplea para reducir el espesor y para
lograr formas especiales largas
• Aplicando calor se emplea para fabricar barras
redondas, perfiles de construcción y raíles de
tren
• En frío se emplea para fabricar láminas y hojas
de metal
Tren de laminación en caliente
Fuente: Wikijalen CC0 Public Domain
172
Tema 3

174. Cambios estructurales en la
laminación en caliente
Cambios estructurales en la
laminación en frio: ACRITUD
173
Tema 3

175. • Extrusión:
• El material metálico se alimenta en forma de
tocho
• Se hace pasar hacia una cámara donde se
calienta
• Cuando alcanza la temperatura de trabajo se
aplica de una fuerza de compresión
suministrada con un émbolo
• El metal, como consecuencia de esa
compresión, y al estar caliente tiene la
deformabilidad suficiente para pasar a través de
una boquilla (matriz) que posee la forma de la
pieza que se quiere obtener
• Se emplea para fabricar tubos y perfiles
174
Tema 3
-

176. • Trefilado:
• Se fuerza a pasar el material en forma de barra por una matriz
aplicando una fuerza de tracción en uno de sus extremos
• A medida que la sección del material disminuye su longitud
aumenta
• El proceso se suele realizar en etapas diferentes
• Mediante esta técnica se fabrican alambres principalmente
175

177. Las técnicas de moldeo
• Consisten en verter un metal líquido en un molde que posee la forma de la pieza a obtener
• Una vez solidificado el metal adquiere la forma deseada
Fuente:
A.
Ochoa
CC0
Public
Domain
• ¿Cuándo se aplica el moldeo?
• En alguno de los siguientes supuestos:
• La pieza a obtener tiene forma complicada o
es muy grande
• La resistencia y calidad de la pieza no son
determinantes
• La aleación posee una ductilidad muy baja y
no se puede deformar ni en caliente ni en frío
• Se busca un procedimiento de fabricación
barato
176
Tema 3

178. ¿Cuáles son las técnicas de moldeo más empleadas?
• Moldeo en arena:
• Es el sistema de moldeo más habitual
• El molde está formado por arena
• Se fabrica un modelo de madera o
poliestireno con la forma de la pieza a obtener
dividido en dos partes
• Una mitad del modelo se coloca en una caja
que se rellena con arena, la otra mitad del
modelo se coloca en otra caja también rellena
de arena
• Una vez que la arena posee la forma deseada
se extrae el modelo de la caja y se practican
los bebederos
• Las cajas se disponen una sobre la otra listas
para recibir el metal fundido
177
Tema 3

179. Media caja con moldea de la pieza a obtener
Fuente:
OKFoundryCompany
CC0
Public
Domain
Colada del metal
Fuente:
Kevin
Hackert
CC0
Public
Domain
Piezas recién obtenidas y posteriormente separadas y
pulidas
Fuente:
Glenn
McKechnie
CC0
Public
Domain
178
Tema 3
I

180. • Contracciones:
• Durante el proceso de solidificación el volumen del
material disminuye
• Las contracciones muchas veces:
• Crean cavidades si ocurren en toda la superficie de
la pieza
• Si una superficie solidifica más despacio que las
otras se generan rechupes
• Los defectos que se producen en el proceso de solidificación
Material Contracción (%)
Al 7,0
Cu 5,1
Mg 4,0
Zn 3,7
Fe 3,4
Pb 2,7
Ga -3,2
H2O -8,3
179
Tema 3

181. • Porosidad:
• Muchos metales en estado líquido son capaces de disolver grandes cantidades de gas
• Pero al solidificar sólo son capaces de guardar una pequeña cantidad de gas en su
estructura
• El gas sobrante forma burbujas en el interior de la pieza metálica
180
Tema 3

182. • Moldeo en coquilla:
• Se introduce el metal bajo presión y a velocidad elevada en el molde donde solidifica
• El molde es de acero y está dividido en dos mitades que unidas forman entre las dos la
pieza completa
• Es un sistema relativamente económico porque se trata de un proceso rápido y el molde
puede emplearse una y otra vez
• Se emplea para fabricar piezas pequeñas de metales de punto de fusión bajos como Zn,
Al y Mg
181
Tema 3

183. • Moldeo de precisión:
• También se conoce como moldeo a la
cera perdida
• El modelo se fabrica con cera o con un
polímero de bajo punto de fusión,
fácilmente trabajable
• Alrededor del modelo se coloca un
material refractario en estado líquido,
que al secarse forma una cáscara
alrededor del mismo
• El conjunto se introduce en un horno
fundiéndose el modelo como consecuencia
del calor, se extrae el material del modelo:
se consigue el molde
• Una vez logrado el molde se vierte el metal
fundido
• Se emplea en joyería y en la fabricación de
álabes de turbina
182
Tema 3

184. Otras técnicas de conformación
• Pulvimetalurgia
• También denominada metalurgia de
polvos
• Se parte de metal en polvo, se prensa
y se le aplica un tratamiento térmico
para aglomerar las partículas
metálicas: la sinterización
• Se aplica para dar forma a metales de
alto punto de fusión o a materiales
compuestos basados en metales
183
Tema 3
E
Me >

185. • Mecanizado
• Se parte de metales semi elaborados como lingotes, tochos o piezas que previamente han sido
moldeadas
• Consiste en eliminar material, mediante arranque de viruta o por abrasión, o incluso por láser, con
el objeto de dar a la pieza su forma y dimensiones finales
Fuente: Pixabay Fuente: Michael Washburn U.S Air Force Medical Service
184
Tema 3

186. ¿Qué son los tratamientos térmicos?
• El objetivo de los tratamientos térmicos
es ajustar las propiedades de los
metales a los requerimientos
especificados por el cliente: dureza,
resistencia a rotura y ductilidad
• Mediante la aplicación controlada de
calentamientos y enfriamientos se
consigue modificar la estructura del
material y con ello sus propiedades
• Existen distintos tipos de tratamientos
térmicos, los más importantes son:
• El recocido
• El temple y revenido
• La cementación y la nitruración
• Recocido:
• ¿Cómo se realiza?
1. El material se calienta a altas
temperaturas (entre 1/3 y 1/2 de su Tm)
2. Se mantiene durante un cierto tiempo
a esa temperatura
3. Se enfría lentamente (al aire) hasta
temperatura ambiente
• ¿Cuál es el objetivo?
• Desaparición de tensiones residuales
• Ablandamiento, aumentar la ductilidad
eliminando la acritud
185
Tema 3
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