Propiedades de los Materiales: Un Análisis Completo para la Industria Metalúrgica, Esquemas y mapas conceptuales de Ingeniería Mecánica

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PROPIEDADES

DE LOS MATERIALES

DIOSDADO ARAÍZ KAROL INÉS

ING. DE MATERIALES METÁLICOS

ING. DE MATERIALES METÁLICOS

Contenido

• PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.....................................................................
  • OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN
  • PROPIEDADES MECÁNICAS:
  • PROPIEDADES QUÍMICAS:...............................................................................
  • PROPIEDADES FÍSICAS
  • PROPIEDADES BIOLÓGICAS
  • REFERENCIAS

Resistencia a la compresión: La

capacidad de soportar el aplastamiento, vital en columnas y cimientos.

Resistencia al corte: Se refiere a la

capacidad de un material para soportar fuerzas cuando dos superficies se deslizan una contra la otra en planos paralelos, que pueden causar la fractura del material. Este atributo es importante en pernos y remaches.

Resistencia a la flexión: La capacidad

de un material para resistir la curvatura, evaluando la tensión máxima que puede soportar antes de fallar, es crucial en aplicaciones de ingeniería, especialmente en vigas y soportes.

Resistencia a la torsión:

Es el momento o fuerza que deforma un objeto al aplicar fuerzas opuestas en la misma línea de acción. Esta deformación causa una rotación o torsión del objeto alrededor de su eje.

Dureza:

La dureza es la resistencia de un material a la deformación superficial. Se mide por su resistencia a la penetración de un objeto más duro, usando escalas como Brinell (HB), Rockwell (HRC) y Vickers (HV). Esta propiedad es crucial para herramientas de corte y superficies expuestas al desgaste. La dureza no solo determina la durabilidad de los materiales, sino que también afecta su procesamiento y aplicación en distintas industrias.

La escala Brinell mide la dureza

mediante una bola de acero endurecido o de carburo de tungsteno presionada contra el material bajo una carga específica. El diámetro de la indentación resultante se usa para calcular el número de dureza Brinell (HB).

En la escala Rockwell, la dureza se

mide utilizando un penetrador cónico de diamante o una bola de acero, y se aplica una carga menor seguida de una mayor. La profundidad de la penetración después de eliminar la carga menor proporciona el valor de dureza Rockwell (HRC) para materiales duros o Rockwell B (HRB) para materiales más blandos. La escala Vickers utiliza una pirámide de diamante para penetrar el material con una fuerza constante. La longitud de las diagonales de la indentación se mide para calcular el número de dureza Vickers (HV). Este método es especialmente útil para materiales muy finos y frágiles debido a la precisión en la medición de la indentación. HV = 1.854 * (F/d²) (^) Los valores típicos para estas escalas varían ampliamente dependiendo del

alargamiento porcentual y la reducción del área, que cuantifican la extensión máxima y el cambio en la sección transversal del material respectivamente.

Maleabilidad. Es la capacidad de un

material para deformarse bajo compresión sin romperse, lo que le permite ser moldeado en láminas delgadas. Un ejemplo clásico es el oro, que puede ser reducido a hojas extremadamente delgadas utilizadas en aplicaciones ornamentales y electrónicas. La maleabilidad se mide generalmente mediante pruebas de laminación y martillado, donde se evalúa la capacidad del material para soportar deformaciones significativas sin presentar fracturas o grietas. Esta propiedad es especialmente valiosa en la fabricación de productos metálicos, ya que permite moldar materiales en formas complejas y precisas, esenciales en la industria automotriz, la joyería y la manufactura de componentes electrónicos.

Tenacidad y fragilidad

Tenacidad. es la habilidad de un

material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse, combinando en sí mismo resistencia y ductilidad. Es una medida de cuán bien puede un material resistir golpes o impactos sin romperse, siendo vital en aplicaciones donde se requieren materiales resistentes a fallos catastróficos.

Fragilidad indica la tendencia de un

material a fracturarse con poca o ninguna deformación plástica. Materiales frágiles, como el vidrio, pueden romperse fácilmente bajo tensiones relativamente bajas y no muestran señales de advertencia antes de la fractura, lo que limita su uso en situaciones donde las cargas inesperadas pueden ocurrir.

Fatiga y fluencia

Fatiga. Se refiere al deterioro

progresivo de un material cuando está sometido a cargas cíclicas repetidas. Este fenómeno puede llevar a fallas inesperadas después de un número determinado de ciclos, incluso si las tensiones aplicadas son inferiores al límite elástico del material. La fatiga es particularmente relevante en componentes sujetos a vibraciones constantes, como en puentes, aviones y maquinaria pesada.

Fluencia. Deformación lenta y

continua de un material bajo una carga constante y elevadas temperaturas.Esta propiedad es crítica en aplicaciones como turbinas y reactores nucleares, donde los materiales están expuestos a condiciones extremas durante largos períodos. PROPIEDADES QUÍMICAS: Las propiedades químicas de un material describen su comportamiento y reactividad cuando se expone a otras sustancias. Estas propiedades permiten predecir cómo un material interactuará en uno o varios sistemas, y analizará las posibles reacciones en este, lo cual es fundamental para su aplicación en diferentes campos de la industria. (Johnson, 2018).

Reactividad química:

La reactividad química de un material define su capacidad para responder ante la presencia de otros elementos o compuestos. Generalmente, se mide en términos cualitativos y cuantitativos, incluyendo la velocidad de reacción y la naturaleza de los productos formados. Esta propiedad es esencial en la producción de aleaciones y en procesos industriales que requieren reacciones controladas para obtener materiales con características específicas. Trabaja en la dimensión de la interacción con otras sustancias.

plomo tiene una alta densidad, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en protección contra la radiación, mientras que el aluminio, con una densidad mucho menor, es ideal para la fabricación de componentes ligeros en la industria aeroespacial.

Conductividad térmica

La conductividad térmica es la capacidad de un material para transferir calor. Se mide en vatios por metro- kelvin (W/m·K). La fórmula para la conductividad térmica es: q = - k * A * (dT/dx) donde q es el flujo de calor (W), k es la conductividad térmica (W/m·K), A es el área a través de la cual se transfiere el calor (m²) y dT/dx es el gradiente de temperatura (K/m). Materiales con alta conductividad térmica, como el cobre, se utilizan en sistemas de refrigeración y disipadores de calor, mientras que materiales con baja conductividad térmica, como la lana de vidrio, se emplean como aislantes térmicos. (Brown, 2016).

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica determina la capacidad de un material para transmitir electricidad. Se mide en siemens por metro (S/m). La fórmula para la conductividad eléctrica es: σ = 1/ρ donde σ es la conductividad eléctrica y ρ es la resistividad eléctrica (Ω·m). Metales como el oro y la plata tienen alta conductividad eléctrica y se utilizan en la fabricación de componentes electrónicos, mientras que materiales con baja conductividad eléctrica, como el plástico, se emplean como aislantes eléctricos.

Magnetismo

El magnetismo es la capacidad de un material para atraer o repeler otros materiales magnéticos. Se mide en términos de su permeabilidad magnética (μ), cuyo valor en el vacío es μ₀ = 4π x 10 ⁻ ⁷ H/m. La fuerza magnética se puede expresar en gauss (G) y en

tesla (T), donde 1 tesla equivale a 10,000 gauss. La fórmula para la fuerza magnética medida en gauss es: F = q * v * B * 10, donde F es la fuerza magnética (N), q es la carga eléctrica (C), v es la velocidad de la carga (m/s) y B es el campo magnético (T). Materiales como el hierro tienen alta permeabilidad magnética y se utilizan en la fabricación de imanes y dispositivos electrónicos, mientras que materiales no magnéticos, como el aluminio, no son afectados por campos magnéticos.

Transparencia

La transparencia es la capacidad de un material para permitir el paso de la luz. Se describe por la transmitancia (T) y el índice de refracción (n). La fórmula para el índice de refracción es: n = c/v donde n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío (m/s) y v es la velocidad de la luz en el material (m/s). Materiales transparentes, como el vidrio, se utilizan en ventanas y pantallas, mientras que materiales opacos, como la madera, bloquean la luz y se emplean en la construcción de estructuras. Color El color es una propiedad física que describe la apariencia visual de un objeto. Es el resultado de la interacción de la luz con la materia, donde diferentes materiales absorben, reflejan o transmiten distintas longitudes de onda de luz. Se mide en términos de longitud de onda (nm), con la luz visible siendo un rango de aproximadamente 400 nm (violeta) a 700 nm (rojo). Los materiales pueden ser clasificados como colores primarios (rojo, azul, amarillo) y secundarios (verde, violeta, naranja), dependiendo de su capacidad para reflejar o absorber ciertas partes del espectro visible.

Toxicidad

La toxicidad de un material describe su potencial para causar daño a los sistemas vivos. Es una propiedad crítica en la evaluación de materiales destinados a uso biomédico y ambiental. Los estudios de toxicidad incluyen pruebas de genotoxicidad, carcinogenicidad y efectos sobre la reproducción. Materiales como el plomo y ciertos ftalatos son conocidos por su alta toxicidad y deben ser evitados en aplicaciones donde haya contacto con seres vivos. Por otro lado, materiales como el silicio y algunos polímeros han demostrado ser no tóxicos y adecuados para una amplia gama de aplicaciones en biomedicina (Hunt et al., 2010).

Interacción con Microorganismos

La interacción de los materiales con microorganismos es otro aspecto biológico importante. Algunos materiales pueden inhibir el crecimiento de bacterias y hongos, lo cual es beneficioso en aplicaciones donde la asepsia es crucial, como en catéteres y apósitos. Materiales antimicrobianos, como la plata y ciertos polímeros con agentes antibacterianos incorporados, se utilizan para reducir el riesgo de infecciones en dispositivos médicos.

Absorción y Liberación de

Sustancias

La capacidad de un material para absorber y liberar sustancias biológicamente activas es vital en aplicaciones como la administración de medicamentos y la regeneración de tejidos. Materiales porosos y matrices hidrogel pueden ser diseñados para liberar medicamentos de manera controlada, mejorando la eficacia terapéutica y reduciendo efectos secundarios. La liberación controlada se puede ajustar mediante la modificación de la estructura del material y su composición química. REFERENCIAS

• Johnson, M. (2018). Propiedades químicas y físicas de los materiales. Editorial Técnica.
• Smith, L. (2020). Reactividad química y densidad. Ediciones Científicas.

• Wang, J. (2019). Conductividad térmica y capacidad de oxidación. Publicaciones Industriales.
• Martin, K. (2017). Mediación de propiedades electroquímicas. Librería Universitaria.
• Brown, R. (2016). Magnetismo en materiales industriales. Editorial de Ingeniería.
• Davis, S. (2019). Acidez, alcalinidad y conductividad eléctrica. Ediciones Académicas.
• Garcia, P. (2015). Propiedades físicas de los materiales. Editorial Científica.
• Taylor, A. (2021). Transparencia y color en materiales. Publicaciones Técnicas.
• Göpferich, A. (1996). Mechanisms of polymer degradation and erosion. Biomaterials, 17(2), 103-114.
• Hunt, J. A., Williams, D. F., & White, J. E. (2010). Biomaterials: Mechanisms of toxicity and biocompatibility. Nature Reviews Materials, 5(1), 45-54.