TEMA 5:Propiedades físicas-mecánicas de los materiales.

1. Elasticidad
2. Plasticidad
3. Dureza
4. Fragilidad
5. Resistencia
6. Resiliencia
7. Fatiga
8. Conductividad Eléctrica
9. Conductividad Térmica

1.Elasticidad:

La elasticidad es la propiedad de un objeto o material que causa que sea restaurado a su forma original, después de la distorsión. Se dice que es más elástica, si se restablece por sí mismo a su configuración original, de forma más precisa. Una tira de goma es fácil de estirar, y se ajusta de nuevo hasta cerca de su longitud original cuando se libera, pero no es tan elástica como un trozo de cuerda de piano. La cuerda de piano es más difícil de estirar, pero se dice que es más elástica que la tira de goma, porque retorna a su longitud original de manera mas precisa. Una cuerda de piano real puede ser golpeada cientos de veces, sin que se estire suficientemente para llevarla fuera de tono de forma notable. Un muelle es un ejemplo de objeto elástico -cuando se estiran, ejerce una fuerza de restauración que tiende a traerlo de vuelta a su longitud original-. En general, esta fuerza restauradora es proporcional a la cantidad de estiramiento, como se describe por medio de la Ley de Hooke. Para cables o volúmenes, la elasticidad se describe generalmente, en términos de cantidad de deformación (tensión) resultante de un estiramiento determinado (módulo de Young). Las propiedades elásticas de los volúmenes de materiales describe la respuesta de los materiales a los cambios de presión.

          por ejemplo: dos probetas de ensayo totalmente opuestas serian el cristal y la goma

2.Plasticidad:

Una de las propiedades mecánicas de un material donde se ve involucrada su deformidad permanente e irreversible se conoce como plasticidad. Generalmente esto se da en materiales biológicos. Para que esto suceda el material tiene que encontrarse por encima de su límite elástico. En ocasiones pequeños incrementos en la tensión, provocan pequeños incrementos en la deformación. En caso de que la carga sea 0, el objeto toma su forma original. Según experimentos realizados existe un límite, conocido como el límite elástico, cuando las tensiones superan este límite y desaparecen las cargas el cuerpo no vuelve a su forma, debido a que muestra deformaciones no reversibles. Este se encuentra presente en los metales. Cuando en un material el comportamiento plástico se presenta de manera perfecta, aunque involucra las deformaciones irreversibles. Los materiales que presentan más esta condición son, la arcilla de modelar y la plastilina. Hay materiales que requieren de un esfuerzo mayor para aumentar su deformación plástica. En ocasiones se presentan efectos viscosos, esto es lo que hace que las tensiones sean mayores si se presenta la velocidad en el proceso de deformación, esto se conoce como visco plasticidad. La plasticidad depende mucho de los cambios irreversibles que se presentan en los materiales. Cuando un cuerpo se deforma plásticamente experimenta lo que se conoce como entropía. La energía mecánica en este caso se disipa internamente. Microscópicamente, la plasticidad en los metales es una consecuencia de las imperfecciones en la red llamadas dislocaciones.

   -Dos materiales plásticos opuestos: la pizarra y la arcilla

3.Duerza:

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras. También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar; ahí los dos ejemplos de este apartado.

4.Fragilidad:

La fragilidad es la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque técnicamente la fragilidad se define más propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación. Por el contrario, los materiales dúctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones, generalmente de tipo deformaciones plásticas. La fragilidad es lo contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.

La fragilidad de un material además se relaciona con la velocidad de propagación o crecimiento de grietas a través de su seno. Esto significa un alto riesgo de fractura súbita de los materiales con estas características una vez sometidos a esfuerzos.Por el contrario los materiales tenaces son aquellos que son capaces de frenar el avance de grietas.

                                ejemplos: la porcelana y el acero dulce 

5.Resistencia:

La Resistencia de Materiales. Es la disciplina que estudia las solicitaciones internas y las deformaciones que se producen en el cuerpo sometido a cargas exteriores lo cual puede provocar la falla de la misma. La diferencia entre la Mecánica Teórica y la Resistencia de Materiales radica en que para ésta lo esencial son las propiedades de los cuerpos deformables, mientras que en general, no tienen importancia para la primera.

Se entiende por falla de un cuerpo o de determinadas partes del mismo: a la rotura, o sin llegar a ello, a la existencia de un estado inadecuado. Esto último puede ocurrir por varios motivos: deformaciones demasiado grandes, falta de estabilidad de los materiales, fisuraciones, pérdida del equilibrio estático por pandeo, abollamiento o vuelco, etc.

                    Si se me permite el ejemplo, y sin discriminar a nadie: un honda y un renault.

6.Resiliencia:

La resiliencia es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía que un material puede absorber al romperse por efecto de un impacto, por unidad de superficie de rotura

Para los materiales sometidos a impactos o variaciones bruscas de cargas, que pueden aparecer circunstancialmente, la falla se produce por lo general, por no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en metales dúctiles. En estos casos conviene analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto.

Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material para absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, referido a la unidad de área, para obtener la llamada resiliencia.

Con este concepto no se consigue una propiedad definida del material, sino que se obtiene un índice comparativo de su plasticidad, en relación a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que deben considerarse los diferentes factores que inciden sobre ella.

La resiliencia se diferencia de la tenacidad en que esta última cuantifica la cantidad de energía absorbida por unidad de superficie de rotura bajo la acción de un esfuerzo progresivo, y no por impacto.

                                              ejemplos:hierro dulce y titanio de aviación. 

7.Fatiga:

Llamaremos fatiga al “fenómeno que afecta la resistencia de las piezas cuando se las somete 

a un número más o menos grande de solicitaciones repetidas de una cierta amplitud”. La idea
clave es que la solicitación (carga o deformación) debe variar en el tiempo para obtener fatiga
como posible causa de falla.
Podemos definir a la fatiga de los materiales como el “deterioro que se desarrolla bajo la
acción de ciclos repetidos de carga o deformación de cierta amplitud, en una determinada pieza”;
este deterioro se manifiesta en fisuración y eventualmente rotura.
Si bien la Fatiga se desarrolla en todos los materiales (incluyendo metales, plástico, gomas,
hormigón, etc.), nuestro estudio se concentrará en metales, tales como aceros o aleaciones
livianas (aunque se está haciendo cada vez más necesario conocer el comportamiento en
plásticos y materiales compuestos en fatiga pues el diseño aeronáutico recurre cada vez más a
este tipo materiales). No obstante, los mecanismos involucrados en la producción de fatiga
pueden diferir en los diversos materiales.
La fuente principal de Fatiga son las no homogeneidades de los materiales. Todos los
materiales, aún los cristales más perfectos, tienen imperfecciones de muchos tipos, de modo tal
que ningún material puede ser considerado perfectamente homogéneo. Bajo cargas repetidas el
efecto de las no homogeneidades se ve enfatizado.
Es sabido que un material sometido a tensiones repetidas o fluctuantes fallará a una tensión
mucho más baja que la necesaria para producir la fractura con una sola aplicación de carga. Esto
se debe a la Fatiga que se produce principalmente tres efectos: pérdida de resistencia, pérdida de
ductilidad, y aumento en la incertidumbre en cuanto a la resistencia y a la duración (vida en
servicio) del material.

                                                            (foto cosecha propia)

                                                          ejemplos: estaño y titanio

8.Conductividad Eléctrica:

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a  través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa  la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.

son materiales  conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen, formándose una  nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo eléctrico. Estos  medios conductores se denominan conductores eléctricos. 

                                                          ejemplos: plata y madera

9.Conductividad  Térmica:

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, es baja en polímeros, y muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por ello aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío bajo.

El coeficiente de conductividad térmica (λ) caracteriza la cantidad de calor necesario por m², para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K para poder comparar unos elementos con otros. Cuando el elemento no es homogéneo, pero su heterogeneidad se distribuye uniformemente, como por ejemplo, un muro de ladrillo con juntas de mortero, se obtiene en laboratorio un λ útil, media ponderada de los coeficientes de cada material.

Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.

Conductividades térmicas de diversos materiales en W/(K·m)

Material	λ	Material	λ	Material	λ
Acero	47-58	Corcho	0,03-0,04	Mercurio	83,7
Agua	0,58	Estaño	64,0	Mica	0,35
Aire	0,02	Fibra de vidrio	0,03-0,07	Níquel	52,3
Alcohol	0,16	Glicerina	0,29	Oro	308,2
Alpaca	29,1	Hierro	80,2	Parafina	0,21
Aluminio	209,3	Ladrillo	0,80	Plata	406,1-418,7
Amianto	0,04	Ladrillo refractario	0,47-1,05	Plomo	35,0
Bronce	116-186	Latón	81-116	Vidrio	0,6-1,0
Zinc	106-140	Litio	301,2	Cobre	372,1-385,2
Madera	0,13	Tierra húmeda	0,8	Diamante	2300
Titanio	21,9

10.La Disipación del calor:

La disipación es un fenómeno térmico por el cual los materiales alivian su temperatura cediéndosela al medio o a otros materiales.

Lógicamente los materiales recomendados para la disipación del calor son como he mencionado antes los que sean mejores conductores térmicos, aunque su final utilización dependa del coste económico del material en cuestión.

Este punto le he añadido por la pregunta que realicé el otro día sobre conductores térmicos.