1. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTIAGO DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE ARQUITECTURA Y DISEÑO
Asignatura: Análisis Estructural
Paralelo B
Guía para las tareas de investigación
1. Materiales en Ingeniería
En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es
gracias a la gran cantidad de información disponible y a las herramientas que permiten
predecir el comportamiento mecánico de un material.
Factores a considerar para la selección de un material:
1.-Factibilidad de fabricación
2.-Estabilidad dimensional
3.-Compatibilidad con los demás materiales
4.-Reciclabilidad
5.-Impacto ambiental durante su fabricación y desecho
6.-Costo de fabricación
Figura 1. Ciudad de Querétaro principios de siglo XX

2. 2. Tipos de Materiales
1.-Metáles
2.-Cerámicos
3.-Polímeros
4.-Semiconductores
5.-Vidrios
6.-Cemento y Concreto
7.-Compósitos
Cerámicos Polímeros Metales Compósitos
Figura 2. Auditorio Josefa Ortiz de Domínguez Querétaro. Estructura de Concreto y Acero
Metales
Ferrosos (Aceros y Fundiciones)

3. No-Ferrosos (Bronces, Latones, Inconel etc..)
Cerámicos
Oxidos (Al2O3, ZrO)
Nitruros (Si3N4)
Carburos (WC, TiC, Fe3C)
Compuestos Complejos
Vidrios (base silice y silicatos) Aplicaciones ópticas Resistentes al calor
Polímeros (compuestos organicos)/resinas: termofijos: redes poliméricas con enlaces
cruzados Termoplasticos: enredamiento de moléculas de peso molecular alto
Cemento y concreto compositos (materiales compuestos) metal + Cerámico =
Compuestos de matriz metálica (MMC) o matriz cerámica (CERMET)
Cerámico 1 + Cerámico 2 = Composito cerámico o Cerámico reforzado (Fibras, hojuelas o
partículas)
Vidrio + Fibra de cerámico = Vidrio cerámico Fibra de Carbon + Resina (Termofija) Fibra
de Vidrio + Resina (Termofija) Fibra de Polímero + Resina (Termofija)
Figura 3. Comparación de los valores de limite de cedencia para diferentes materiales.

4. Tabla 1. Atributos de los diferentes materiales (25 °C)
Simbología: E = Excelente., A = Alta., M = Media., B = Baja., N = Nula
Glosario
Tenacidad = Del latín tenacitas, la tenacidad es la cualidad de tenaz (que se opone con
resistencia a deformarse o romperse, que se prende de una cosa o que es firme y pertinaz en
un propósito).
Resilencia = Es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía que un material (p.ej.
acero) puede absorber al romperse por efecto de un impacto, por unidad de superficie de
rotura. Se expresa en Julios por metro cuadrado : J. m-² (Según Sistema Internacionalde
Unidades). Otra unidad muy empleada en Ingeniería, es kg.m.cm-² ; o kilopondio metro
por centímetro cuadrado: kp.m.cm-²
Propiedad Metales Cerámicos Vidrios Polímeros
Cemento
y Concreto
Compósitos
Resistencia a la Tensión E M B M B A-M-B
Resistencia a la Compresión M A B A A A-M-B
Resistencia a la Flexión A M B A M A-M-B
Resistencia al Desgaste A A B M B A-M-B
Dureza A-M A M B M A-M-B
Tenacidad A A B A B A-M-B
Plasticidad A B N A N A-M-B
Densidad A-M M-B M-B M-B M-B A-M-B
Conductividad térmica A B B N B A-M-B
Conductividad eléctrica A M-B N N N A-M-B
Propiedades Magnéticas E E N N N A-M-B

5. Figura 4. Clases de materiales de ingeniería y su constitución
3. Relación entre estructura, propiedades y procesamiento
El aspecto fundamental que debe tomarse cuando se requiere producir un componente con
una geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría durante su vida
útil. Para poder hacer la mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la compleja
relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales.
Cuando alguno de los tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se ven afectados.
Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relación que existe entre estos tres aspectos
a fin de obtener el producto requerido.
Figura 5. Relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus
propiedades finales

6. Estructuras
Figura 6. Átomo (distribución de electrones)
Figura 7. Arreglo atómico (tipo de enlace, tamaño relativo de iones o átomos)
Figura 8. Granos (forma y tamaño de los granos). Bronce C86300

7. Figura 9. Aleaciones multifásicas (tipo, distribución y cantidad).Composito fibra
epoxíca/vidrio
Figura 10. Fotografía mostrando dendritas en un rechupe en una aleación Al-Ti. La
fotografía fue tomada usando un microscopio electrónico de barrido
El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de éste. Por ejemplo,
una barra de cobre o acero fabricada por fundición tendrá una microestructura diferente a la
de una barra obtenida por conformado mecánico. La forma, tamaño y orientación de los
granos puede ser diferente. En las fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes)
debidos a la contracción del metal durante la solidificación, burbujas de gas; partículas no
metálicas (inclusiones) y granos columnares o estructuras dendríticas desarrolladas en la
pared del molde hacia el centro de la pieza.
En el material conformado mecánicamente las partículas no metálicas se deforman en la
dirección del flujo al igual que los granos, la estructura cristalina sufre deformaciones
(texturizado). La estructura y propiedades originales determinan la manera de procesar el
material. Las piezas de fundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento
durante un conformado mecánico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por
alteraciones de la estructura cristalina se vuelven "frágiles" y pueden fracturarse durante un
conformado posterior.

8. En el caso de los polímeros, sus propiedades mecánicas están determinadas por su
estructura química y peso molecular. Propiedades como la resistencia a la tensión, módulo
de Young, dureza y facilidad de proceso requieren un valor de peso molecular mínimo para
alcanzar el óptimo. Si bien la resistencia mecánica aumenta con el peso molecular, la
facilidad de procesamiento disminuye. Las variables más importantes que determinan el
estado físico de un polímero son la magnitud y naturaleza de las restricciones al
movimiento de sus cadenas moleculares, principalmente en el estado amorfo; en cambio
cuando existe cierto grado de
cristalinidad el material se endurece, aumentando su punto de fusión y propiedades
mecánicas. Los polímeros clasificados como termoestables o termofijos no pueden
deformarse plásticamente, mientras que los termoplásticos son fácilmente deformables.
Figura 11. Diagrama esquemático de una molécula polímerica.
La viscosidad, que es una de la propiedades más importantes de los polímeros, se ve
afectada por el grado de ramificación de sus moléculas.
PROPIEDADES
Propiedades mecánicas. Éstas propiedades determinan cómo responde un material al
aplicársele una fuerza o un esfuerzo. Las propiedades más comunes son la resistencia
mecánica, la ductilidad, y la rigidez del material aunque también son importantes la
resistencia al impacto, resistencia a la fatiga, termofluencia y desgaste. Las propiedades
mecánicas no sólo determinan el comportamiento del material en operación, si no que
influyen en la facilidad con que puede ser conformado en un producto.
Propiedades físicas. En éstas se incluyen el comportamiento electrónico, magnético,
óptico, térmico y elástico. Las propiedades físicas dependen tanto de la estructura como del
procesamiento de los materiales.

9. PROCESAMIENTO
El procesamiento de los materiales genera la forma deseada del componente a partir de un
material uniforme.
Tabla 2. Procesamiento de los materiales
Metales
Fundición
Soldadura
Forjado, Trefilado, Laminado, Doblado
Metalurgia de polvos
Maquinado
Cerámicos
Compactación
Colada en pasta fluida
Colado continuo de suspensión
Conformado rotatorio de pasta
Extrusión
Moldeo por inyección
Polímeros
Moldeo por inyección
Moldeo rotatorio
Conformado
Extrusión
Vidrios
Moldeo por soplo
Extrusión
4. Efectos ambientales sobre los materiales
La mayoría de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y
climáticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones
atmosféricas; pero en algunos caso las mismas condiciones de servicio requieren materiales
expuestos a condiciones extremas como es el caso particular de las álabes de turbinas de
avión.
Temperatura
Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades
de los materiales, debidos principalmente a:

10. • Reblandecimiento
• Degradación
• Transformaciones de fases
• Fragilización
Corrosión
Reacción de un material con el oxígeno u otros gases, particularmente a alta temperatura.
Los líquidos corrosivos también atacan a algunos materiales. De todos los problemas
metalúrgicos que conciernen a un ingeniero, el más importante desde el punto de vista
económico es la corrosión. Los metales no se corroen en lugares donde no hay atmósferas.
La cámara Hasselblad que dejaron los astronautas estadounidenses en La Luna permanece
en perfectas condiciones en lo que a partes metálicas concierne, ya que debido a efectos de
la radiación algunos de sus componentes no metálicos pueden dañarse.
Figura 12. Efecto de la temperatura sobre la resistencia mecánica

11. Figura 13. Astronauta portando una cámara Hasselbland en la superficie lunar
Oxidación o Corrosión en Seco
Los metales del grupo I y II de la Tabla Periódica reaccionan inmediatamente con el
oxígeno por lo que tienen un uso muy limitado en el área de la construcción. Así, la
mayoría de los metales que se utilizan son aquellos que se encuentran en la denominada
zona de transición y se caracterizan por tener menor afinidad por el oxígeno. La oxidación
es muy lenta en estos metales a temperatura ambiente, pero se ve incrementada con el
aumento de la temperatura. Cuando el Fierro se calienta en una atmósfera rica en oxígeno,
es cubierto por una capa negra de Fe O:
2Fe + O2 → 2FeO
Corrosión Electrolítica o Corrosión en Húmedo
La corrosión electrolítica o corrosión en húmedo, es de alguna manera la responsable de la
mayoría de la corrosión, que ocurre en los metales a temperatura ambiente. Este tipo de
corrosión ocurre cuando dos metales con diferentes potenciales de electrodo, que están en
contacto eléctrico uno con otro y en presencia de un electrólito.
Este tipo de corrosión es muy parecida a lo que ocurre en una celda galvánica, que consiste
en una placa de cobre (Cu) y una de zinc (Zn), inmersas en una solución de ácido sulfúrico
(electrólito). Cuando el circuito es cerrado la corriente empieza a fluir en el amperímetro,
ésta corriente esta compuesta de los electrones que se producen en la placa de Zn, como su

12. concentración se ve aumentada ahí, los iones Zn
++
tienden a fluir hacia la placa de Cu .
Los electrones que fluyen hacia la placa de Cu reducen a los iones H
+
produciendo gas H2.
Figura 14. Sección de tubería de un sistema de agua, presentando corrosión localizada
Figura 15. Celda electrolítica Zn/Cu.
Referencias Bibliográficas:
Mott, R. 2009. Resistencia de materiales. Quinta edición. Pearson Educación, México.