¡Descarga Propiedades de los Materiales y sus Aplicaciones: Una Guía para la Ingeniería y la Ciencia y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Tecnología de Materiales solo en Docsity!
Propiedades de los Materiales y
sus Aplicaciones
Propiedades de los Materiales y sus
Aplicaciones
Introducción
Las propiedades son factores que influyen cualitativa o cuantitativamente en la respuesta de un determinado material a la imposición de estímulos y restricciones, como fuerzas, temperatura, etc. Estas propiedades hacen que un material sea adecuado o inadecuado para un uso industrial concreto. En otras palabras, cuando nos referimos a las propiedades de un material, hablamos de características que podemos percibir, medir o probar. El objetivo de la información a continuación es analizar e identificar dichas propiedades, conocer cómo se encuentran aplicadas, ciertos ejemplos y a través de qué normas o procedimientos estandarizados, los cuales conllevan ciertos requerimientos que nos permiten conocerlas más a fondo. Todo esto con el fin de poder identificar las propiedades de los materiales y cómo permiten satisfacer las necesidades correspondientes, al igual que algunas de estas propiedades se pueden combinar o pueden encontrarse de manera en que, en conjunto, se aproveche al máximo cada una de ellas.
Propiedades Eléctricas
Las propiedades eléctricas de los materiales son las que determinan el comportamiento de un determinado material al pasar por él la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica de cada material depende de la presencia de electrones móviles en los átomos y del grado de movilidad de los mismos, entre otros factores. Una de las principales características de los materiales es su capacidad (o falta de capacidad) para conducir corriente eléctrica. De hecho, los materiales se clasifican según esta propiedad, es decir, se dividen en conductores, semiconductores y no conductores.
Algunas de las propiedades eléctricas más importantes son:
Resistividad Eléctrica
Es la medida de la oposición de un material al paso de electricidad a través de él, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es.
Conductividad Eléctrica
Es la propiedad inversa a la resistividad eléctrica, es decir, es la propiedad que tienen los materiales de transmitir la electricidad. Este tipo de
materiales permiten el desplazamiento libre y fluido de electrones de un punto a otro si se conectan a un punto de tensión.
Semiconductor Eléctrico
Son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción en función de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio.
Ejemplos y Equipo
Resistividad Eléctrica : Los medidores de aislamiento o megóhmetros son instrumentos usados para la medición del aislamiento eléctrico en alta tensión. El nombre de este instrumento, megóhmetro, deriva de que la medida del aislamiento de cables, transformadores, aisladores, etc. se expresa en megohmios (MΩ).
Conductividad Eléctrica : La medida se efectúa mediante un conductímetro con una célula de medida de conductividad, formada por un par de electrodos (polos) a los que se aplica un voltaje. El medidor mide la corriente de flujo y calcula la conductividad.
Semiconductores Eléctricos : El sistema de prueba de semiconductores PST6747A es el instrumento profesional para medir y analizar los parámetros estáticos de dispositivos semiconductores, que puede proporcionar una solución de prueba completa para todo tipo de dispositivos semiconductores.
Aplicaciones
Resistividad eléctrica
Ejemplos: vidrio, caucho, plástico, goma espuma, etc.
Conductividad eléctrica
Ejemplos: cobre, oro, hierro, plata y aluminio, y sus aleaciones.
Semiconductor eléctrico
Ejemplos: los materiales semiconductores más comunes son silicio, germanio, arseniuro de galio, óxido de zinc.
cuando se calientan. Puede ser en longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica. Se puede medir de diferentes formas como: - Dilatación lineal: cuando predomina la variación en una única dimensión. - Dilatación cúbica: el coeficiente de dilatación volumétrico compara el valor del volumen total de un cuerpo antes y después del cambio de temperatura. - Dilatación de área o superficial: cuando el cuerpo incrementa sus dimensiones en la misma proporción.
Fusibilidad
La fusibilidad es la facilidad con la que un material puede derretirse o fundirse. Algunos materiales, como el metal, el vidrio o los plásticos se funden fácilmente cuando se calientan, pero no siempre es esto lo que interesa cuando se están seleccionando los materiales de un producto. Conocer esa facilidad o resistencia a fundirse es imprescindible para procesos como la soldadura, en la que se requiere que la aleación utilizada para soldar presente baja temperatura de fusión en comparación con los materiales que se van a soldar. Por otro lado, encontramos los materiales refractarios -que pueden resistir altas temperaturas sin descomponerse- como los óxidos de aluminio, de silicio y magnesio.
Aplicaciones
Las propiedades térmicas están presentes en todo desarrollo de producto, ya que las piezas más diversas tendrán que enfrentarse a requisitos como ser sometidas a un calor intenso durante un corto periodo de tiempo o, por el contrario, resistir durante un largo lapso temporal cambios de temperaturas a la intemperie. Además del acero, también se puede utilizar sobre muchos otros materiales como el aluminio. Existen diferentes tipos de tratamientos térmicos: - Tratamiento térmico temple: Se calienta el acero a una temperatura un poco superior que la crítica superior Ac y se enfría rápidamente. Se suele utilizar para aumentar la resistencia y la dureza del acero. - Tratamiento térmico revenido: Esta operación sólo se realiza sobre materiales que hayan sido templados previamente. Se reduce la dureza de los aceros templados y se mejora la tenacidad. - Tratamiento térmico normalizado: Esta operación se realiza para dejar un material con la apariencia normal: sin ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Normalmente se utiliza como paso previo al temple.
Comparación de la propiedad en específico en diferentes
materiales
Fusibilidad
Vidrio: A diferencia de la madera, los metales, algunos plásticos y el vidrio pueden pasar del estado sólido al líquido al elevar la temperatura. El vidrio no tiene un punto exacto de fusión, cuando lo calientas se pone más y más blando, alrededor de una temperatura de 1,500 °C se vuelve más o menos líquido. Este tipo de materias que no tienen un punto exacto de fusión se llaman 'amorfos'.
Plástico: Los termoplásticos se vuelven viscosos y se pueden fundir cuando se calientan por encima de su punto de fusión específico. Esto les permite ser moldeados y procesados a través de diversas técnicas como inyección, extrusión y soplado entre otras.
Equipos para medir las propiedades
El medidor de Propiedades Térmicas TEMPOS (METER Group) es el instrumento más avanzado y práctico que existe en el mercado para medir propiedades térmicas (Conductividad, Resistividad y Difusividad Térmica) de sólidos porosos y fluidos. Permite obtener medidas de Conductividad Térmica y Resistividad Térmica en 1 minuto y ajustar el procedimiento de medida en líquidos y nanofluidos, mediante los sensores para medir la conductividad y resistividad térmica. Su versatilidad permite utilizarlo tanto en campo como en laboratorio.
¿Existen normas o procedimientos estandarizados para su
determinación?
La norma ASTM E1225 define una técnica de estado estacionario para determinar la conductividad térmica (λ) de sólidos homogéneos-opacos. Este método de prueba es aplicable a materiales con conductividad térmica efectiva en el rango de 90 < λ < 1300 W/(m·K) en el rango de temperatura de 0,2 K a 200 K. Se puede utilizar con precisión reducida fuera de estos rangos.
Propiedades químicas
Las propiedades químicas de la materia son las que hacen al cambio de composición de la materia. La exposición de cualquier materia a una serie de reactivos o de condiciones particulares puede generar una reacción química en la materia y cambiar su estructura. Las propiedades químicas son observables o distinguibles cuando existe un cambio químico en la composición original, transformándose en otra diferente.
¿Para qué?
Nos permite observar cuando un material se hace evidente durante una reacción química; es decir, cualquier cualidad que puede ser establecida solamente al cambiar la identidad química de una sustancia.
¿Cuáles son?
Electronegatividad, Potencial de ionización, pH, Reactividad, Entalpía de formación, inflamabilidad, Estado de oxidación preferido, disociación, Reducción y oxidación.
¿Existen normas o procedimientos estandarizados para su
determinación?
Norma Mexicana nMX-AA-008 - determinación de pH - Método potenciométrico. Norma ASTM G50-10, la cual detalla los procedimientos para evaluar la resistencia a la corrosión de distintos metales.
Propiedades físicas
Una propiedad física es aquella que se basa principalmente en la estructura del objeto, sustancia o materia, que es visible y medible. Son aquellas que se pueden observar sin que cambie la composición del material. Podemos definir las propiedades físicas de un objeto mediante la observación y medición.
¿Para qué?
Los cambios en las propiedades físicas de un sistema describen sus transformaciones y su evolución temporal entre estados instantáneos. Nos permiten diferenciar tipos de materia y su información es útil para manipular los materiales en general.
¿Cuáles son?
Conductibilidad.
Propiedades de algunas sustancias
Temperatura
La temperatura es una medida del grado de agitación térmica de las partículas del cuerpo.
Solubilidad
La solubilidad es la capacidad que tienen las sustancias de disolverse.
Punto de ebullición
El punto de ebullición es la temperatura a la que el cuerpo pasa del estado líquido al gaseoso.
Fragilidad
La fragilidad es la propiedad de ciertos cuerpos de romperse sin que se deforme previamente.
Textura
La textura es la capacidad determinada por medio del tacto, que expresa la disposición en el espacio de las partículas del cuerpo.
Ductilidad
La ductilidad es la propiedad de los materiales con los que se puede hacer hilos y alambres.
Viscosidad
La viscosidad es la resistencia en la fluidez de un líquido, es decir, de desplazar las partículas de la sustancia. Por ejemplo, algunos jabones líquidos presentan mayor consistencia debido a su viscosidad, de forma que se mantienen sobre la piel sin derramarse fácilmente.
Dureza
La dureza es la capacidad del material de cortar y/o rayar otro. El diamante es el material más duro; por ello, es utilizado como herramienta para cortar otros materiales.
Elasticidad
La elasticidad es la característica de un material de deformarse y volver a su estado inicial. Un ejemplo claro es el muelle, que podemos estirarlo mucho y, al soltarlo, vuelve a su forma inicial.
Ejemplos y equipos
Viscosidad
El viscosímetro mide la resistencia mecánica de cualquier líquido que actúe en dirección opuesta al movimiento de rotación de un huso. Como resultado se genera una fuerza de torque que el viscosímetro detecta y lo convierte en un valor de viscosidad.
Ductilidad
El ensayo de tracción se usa para determinar la ductilidad o el coeficiente de restitución elástica de materiales sólidos y semisólidos.
Elasticidad
El módulo de elasticidad de un material es una medida de su rigidez. Para probarlo, se aplica fuerza al material y se registran los resultados. Entonces es posible calcular el módulo de elasticidad como igual a la tensión aplicada al material dividida por la deformación elástica resultante.
Tipos de magnetismo
Se han observado y clasificado cinco tipos básicos de magnetismo sobre la base del comportamiento magnético de los materiales en respuesta a campos magnéticos a diferentes temperaturas:
Materiales diamagnéticos: Son repelidos por un campo magnético; un campo magnético aplicado crea un campo magnético inducido en ellos en la dirección opuesta, provocando una fuerza repulsiva. Materiales paramagnéticos: Tienen dipolos atómicos permanentes, sobre los que se actúa individualmente y se alinean en la dirección de un campo externo. Materiales ferromagnéticos: Forman imanes permanentes, pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecer magnetizados después de que se elimina el campo externo. Materiales antiferromagnéticos: Tienen una tendencia de electrones de valencia vecinos que apuntan en direcciones opuestas. Cuando todos los átomos están dispuestos en una sustancia de modo que cada vecino sea antiparalelo, la sustancia es antiferromagnética. Materiales ferrimagnéticos: Presentan un ordenamiento magnético similar al ferromagnético, pero con momentos magnéticos atómicos desiguales.
Aplicaciones
Los materiales magnéticos juegan un papel esencial en muchos aspectos cotidianos, por ejemplo, en generadores de potencia, motores eléctricos, sensores en automóviles, aparatos domésticos como refrigeradores, etc. Sin embargo, las aplicaciones más visibles y de mayor impacto en la vida moderna se encuentran en la industria electrónica, debido a los avances recientes en la ciencia y la tecnología de materiales nanoestructurados.
Comparación de propiedades magnéticas en
diferentes materiales
Hierro
Las propiedades magnéticas del hierro fundido gris varían ampliamente, desde baja permeabilidad y alta fuerza coercitiva hasta alta permeabilidad y baja fuerza coercitiva. El hierro, en general, no se utiliza en estado puro, con excepción de los casos en los que se quiere aprovechar sus propiedades magnéticas.
Cobalto
El cobalto es un metal ferromagnético, tiene la capacidad de crear campos magnéticos debido a la existencia de electrones desapareados, característico en los metales de transición, que provocan un ordenamiento
tridimensional. Se utiliza comúnmente en la producción de imanes, especialmente en aplicaciones donde se requiere alta fuerza magnética.
Equipos para medir las propiedades
magnéticas
Magnetómetro de Protones
La parte principal de este instrumento consta de un recipiente en el cual se encuentra una gran cantidad de átomos de hidrógeno, los cuales son excitados por un campo magnético artificial producido por una bobina. Una vez que se interrumpe la corriente excitadora, en la bobina ocurre una interacción entre los átomos de hidrógeno y el campo geomagnético local, produciéndose un giro en los espines atómicos llamado "precesión".
Magnetómetro de bombeo óptico
Mide el campo total y las variaciones a lo largo de todas las direcciones del campo. La ventaja de este instrumento es que opera bien en campos magnéticos débiles y tiene un tiempo rápido de respuesta, lo que le da un mejor uso en satélites.
Magnetómetro Fluxgate
Los magnetómetros Fluxgate son llamados así por la manera en que periódicamente se intercala la medición de los sensores magnéticos cambiando su flujo magnético.
Normas y procedimientos estandarizados
Las pruebas no destructivas como la de partículas magnéticas están diseñadas para ser rápidas y confiables. Equipos como el yugo magnético son versátiles y duraderos en entornos industriales, cuentan con diversas salidas como CD y CA de onda media y completa. Esta prueba permite detectar discontinuidades superficiales y subsuperficiales en materiales ferromagnéticos, que puedan dar lugar a futuras fallas de los mismos. El proceso varía según los materiales que se usen, los defectos a buscar y las condiciones físicas del objeto de inspección.
Propiedades mecánicas
¿Qué son?
Las propiedades mecánicas de un material son aquellas que afectan a la resistencia mecánica y a su capacidad cuando se les aplica una fuerza. Es decir, las propiedades mecánicas son aquellas que posee un material relacionadas con sus posibilidades de transmitir y resistir fuerzas o deformaciones.
Fragilidad
La fragilidad se mide principalmente mediante pruebas y ensayos específicos diseñados para evaluar el comportamiento del material bajo cargas y tensiones. Algunas de las pruebas y métodos más comunes incluyen la prueba de tracción, donde los materiales frágiles tienden a romperse sin una deformación plástica significativa, a diferencia de los materiales dúctiles.
Maleabilidad
La maleabilidad es una propiedad mecánica que mide la capacidad de un material para deformarse plásticamente sin romperse cuando se le somete a tensiones de compresión o flexión. Algunos de los métodos y pruebas comunes para medir la maleabilidad incluyen la prueba de doblado o flexión.
Ductilidad
La ductilidad es una propiedad mecánica que mide la capacidad de un material para deformarse plásticamente antes de romperse bajo carga. La prueba de tracción es una de las pruebas más comunes para medir la ductilidad de un material.
Resistencia
La resistencia de un material mecánico se mide utilizando pruebas específicas diseñadas para evaluar su capacidad para resistir cargas o tensiones sin deformarse de manera permanente o romperse. La prueba de tracción es una de las más comunes.
Ejemplos
Tenacidad: Apatita, diamante, cuarzo, yeso, fluorita, la mayoría de los metales, madera, ciertos plásticos, caliza, granito, hormigón. Fragilidad: Ladrillo, cristal, grafito. Maleabilidad: Oro, hierro, aluminio, cobre, plata, plomo.
Normas y Procedimientos Estandarizados
Dureza Brinell (HBW): Norma ISO 6506 Tenacidad a la Fractura: Norma ISO 12737 Opacidad: Norma Oficial Mexicana NOM-077-ECOL- Transmitancia: Norma ASTM D 1003
Propiedades Ópticas
Las propiedades ópticas están íntimamente vinculadas con la estructura molecular y tienen gran importancia para la presentación de muchos productos.
Densidad Óptica
La densidad óptica es el grado de opacidad de cualquier medio translúcido, a veces expresada como el logaritmo de la opacidad. Se mide mediante dispositivos llamados densímetros.
Opacidad
La opacidad de un material es la incapacidad de transmitir luz, teniendo una transmitancia de luz de cero.
Transmitancia
La transmitancia es la habilidad de un material para dejar pasar la luz a través de él, sea especular o difusa.
Aplicaciones
Densidad: Metal, plástico, madera, hierro, cemento, entre otros. Opacidad: Titanio, mercurio, glicerina, madera, bronce, alcohol, entre otros. Transmitancia: Norma ASTM D 1003.
