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Práctica 3:
PROPIEDADES
MECÁNICAS
Asignatura: Ciencia de Materiales
Curso: 2ºA
Alumno: Miguel Alonso Jalón
Grado: Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
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Para la realización de esta primera práctica vamos a utilizar tres materiales diferentes,
el primero va a ser un metal, el segundo un cerámico y el tercero un polímero. Lo que
vamos a hacer es compararlos según las características que se nos explicaron en
clase. También vamos a explicar cada material y qué alternativa propondríamos para
que el objeto fuese mejor.
1-Clasifique y defina brevemente cada tipo de material e indique qué otros
materiales se utilizan en el mercado para realizar el mismo objeto para varias
aplicaciones (al menos 3)
METAL: NÍQUEL:
El Níquel metal de transición con símbolo químico Ni, con una abundancia en la
corteza terrestre del 0,008%, tiene un número atómico de 28 y peso 58,71 g/mol. Se
conocen 5 isótopos estables del níquel 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni y 64Ni. Posee una
densidad media de 8,908 g/ml, con puntos de fusión y ebullición respectivos de 1726 K
(1453ºC) y 3003 K (2730ºC), se usa en gran cantidad como aleante de los aceros
para darles propiedades de anticorrosivas y resistentes, formar superaleaciones o
baterías recargables.
El coeficiente de dilatación térmica es bajo (13.10-6 ªC-1) ayuda a construir materiales
con índices de dilatación térmica bastante bajos. El Níquel tiene como estados de
oxidación +3, +2, y 0 (levemente básico), tiene propiedades de resistencia a la
corrosión en ambientes acuosos y marinos muy elevada y por eso se usa en la
fabricación de recubrimientos de materiales para medios hostiles, como cascos de
barcos. Debido a su elevado punto de fusión el níquel se comporta bien a altas
temperaturas, siendo estable sin aparecer el fenómeno de fluencia, y su
comportamiento ante la oxidación también es muy bueno, por eso es un material clave
en los recubrimientos. Debido a todas estas propiedades el níquel también se usa
como material aleante en las denominadas superaleaciones; materiales metálicos que
mantienen sus propiedades químicas y mecánicas a temperaturas de 1100ºC.
Otras aplicaciones del níquel como elemento aleante es en aceros bonificables, para
conferirles buena templabilidad, acuñación de monedas, como metal monel con buena
resistencia a condiciones hostiles como baños de ácido sulfúrico, alpacas como
material para la fabricación de cubiertos de mesa y ornamentación y también se usa
como conductores, y el constantán otra aleación con bajo coeficiente de dilatación y
baja conductividad lo cual es útil para fabricar termopares.
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- Propiedades Mecánicas
El Níquel tiene unas grandes propiedades mecánicas lo que hace que se alee con
muchos materiales para mejorar sus propiedades de dureza, resistencia al desgaste,
tenacidad…
El níquel es un material dúctil, por lo que tiene una prolongada zona plástica. En la
zona elástica alargamientos y tensiones son proporcionales según una constante E
(Módulo de Young = 21.000 kg/mm2), la cual varía sustancialmente según a
temperatura.
La resiliencia es la energía que es capaz de absorber el material, mientras está en la
zona elástica (15 kg/mm2), en el caso del níquel como material dúctil tiene la
capacidad de absorber una buena cantidad de energía antes de que deformaciones y
esfuerzos no tengan una dependencia lineal.
El níquel es un material dúctil, por lo que tiene una prolongada zona plástica. Esta
propiedad es importante ya que el estiramiento en forma de láminas e hilos se basa en
las propiedades plásticas de deformación del material. En el caso del níquel tiene
buenas propiedades de tenacidad (Límite de Rotura: 47 kg/mm2), que es la capacidad
de absorber energía en la zona plástica (tras superar el límite de fluencia) y seguir
deformándose y no romper inmediatamente como un material frágil (como una
cerámica), así podemos estirarlo en planchas o en hilos con mayor o menor dificultad
según condicionantes de temperatura, tratamientos térmicos, y elementos aleados en
él. Un elemento muy perjudicial para el níquel es el azufre como ya se ha comentado,
hace que sus propiedades mecánicas de dureza se ven reducidas, por ello se somete
a un proceso de desulfuración.
La dureza, que es la resistencia que ejerce el material a ser rayado, no es elevada en
el níquel ya que es rayado sin excesiva dificultad, en la escala Mohs tiene un 4 sobre
10 (110 HB en estado puro), la cual varía bastante según la aleación y los elementos
aleantes. Otros factores a tener en cuenta son la capacidad de estricción entre 50% y
75%, y el alargamiento entre 40% y 65%.
Se debe mencionar la importancia de la temperatura en todas las propiedades,
excepto el módulo de Young, que según elevamos la temperatura los límites de
resistencia se reducen. Existen aleaciones de níquel termoelásticas las cuales tienen
altos coeficientes de elasticidad, a altas temperaturas.
- Otros materiales que se utilizan para la fabricación de monedas
El níquel puro se utiliza con menor frecuencia que las
aleaciones de níquel, las cuales ofrecen beneficios como
una mayor fuerza o mayor resistencia al calor que el níquel
solo. El platinado ofrece una capa protectora que también es
estética, con un terminado brillante que llama la atención de
fabricantes de elementos decorativos como llaves de baño,
fuentes de jardín, bandejas de servicio de acero inoxidable,
accesorios y decoraciones navideñas.
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En Europa, concretamente en los países pertenecientes a la UE, el círculo interior de
las monedas de 1 € y la corona exterior de las de 2 €, de color plateado, están hechos
del mismo material: se trata de una aleación de cobre y níquel. Por otra parte, el
exterior de las monedas de 1 € y el interior de las de 2 € están hechos de una aleación
de níquel-latón. Las monedas de 1, 2 y 5 céntimos están hechas de acero recubierto
de cobre. Las monedas de 10, 20 y 50 céntimos, hechas de una aleación de cobre,
aluminio, zinc y estaño.
También, existen otro tipo de monedas que no sirven para comprar o intercambiar por
productos de determinados valores. Por ejemplo, las monedas que se introducen en
los carros de compra de los supermercados están hechas de plástico, son del mismo
tamaño y forma que las de 50 céntimos o 1 euro para no tener que utilizar una moneda
válida para coger un carro en un supermercado.
Las monedas, también llamadas fichas, que sirven para jugar en ciertas máquinas
tragaperras de los casinos, o en el póker o algún que otro juego de mesa más,
tampoco están hechas de níquel ni de sus aleaciones. A diferencia de la creencia
popular, ninguna ficha de juego desde los años 1950 ha sido de un 100% de arcilla.
Las fichas modernas de arcilla son una composición de materiales más duraderos que
la arcilla por sí misma. Al menos un porcentaje de las fichas es de un material de barro
como arena, carbonato de calcio, tiza y/o arcilla semejante a la encontrada en la arena
higiénica para gatos.
También podemos encontrarnos “monedas” comestibles en cualquier tienda, kiosco o
supermercado, dichas monedas suelen estar hechas de chocolate.
CERÁMICO: GRAFITO:
El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono
junto al diamante, los fulerenos, los nanotubos y el grafeno. A presión atmosférica y
temperatura ambiente es más estable el grafito que el diamante, sin embargo la
descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es apreciable a
escala geológica. Puede extraerse de yacimientos naturales, pero también se produce
artificialmente. El principal productor mundial de grafito es China, seguido de India y
Brasil.
5
- Propiedades Mecánicas
El grafito es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En
la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad
baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor.
A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la
temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. Aunque tanto el grafito
como el diamante están formados exclusivamente por átomos de carbono, el grafito es
muy blando y opaco, mientras que el diamante es el mineral más duro según la escala
de Mohs y además deja pasar la luz a través de si, estas marcadas diferencias físicas
se deben exclusivamente a las diferentes redes cristalinas o retículos sobre las que se
disponen los átomos de carbono en el grafito (átomos de carbono en los vértices de
prismas hexagonales) y en el diamante (la red cristalina está hecha de tetraedros
regulares cuyos vértices son átomos de carbono).
El grafito y los materiales compuestos de matriz de carbono tienen gran importancia
industrial debido a su excelente resistencia a la corrosión, la estabilidad estructural y
mecánica a alta temperatura, la elevada conductividad térmica y eléctrica, unidas a la
facilidad de mecanizado y a un precio razonable. En consecuencia, estos materiales
se emplean habitualmente para aplicaciones a alta temperatura dentro de la industria
electrometalúrgica y química.
La resistencia de este material aumenta a medida que se eleva la temperatura.
Además, cuenta con una extraordinaria resistencia a la corrosión y es prácticamente
inmune al choque térmico. La estabilidad térmica y dimensional permanece constante
a temperaturas de hasta 2600°C (4712°F). Su resistencia a la erosión lo convierte en
un producto excelente y resistente a la fatiga; no se producen cambios en las
propiedades con el paso del tiempo ni con el funcionamiento cíclico.
- Otros materiales que se utilizan para la fabricación de tubos
Se construyen también tubos de chapa galvanizada para que por ellos circule el aire
(instalaciones de climatización). Tubos de gres, material formado por arcillas naturales
que se utiliza para el transporte de productos químicos peligrosos. Los tubos de
cemento, hormigón u hormigón armado se utilizan en redes hidráulicas que trabajan
en régimen libre o en baja presión. Para el transporte de gas se usan tubos de acero y
cobre. Para el transporte de vapor de alta energía se utilizan materiales como el
cromo o el molibdeno. Todos los pistones son una parte fundamental en los motores,
determinan su comportamiento y, dependiendo el motor que queramos fabricar
tenemos que utilizar un material u otro.
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POLÍMERO: POLIETILENO:
El polietileno (PE) es químicamente el polímero más simple. Se representa con su
unidad repetitiva (CH2-CH2)n. Es uno de los plásticos más comunes debido a su bajo
precio y simplicidad en su fabricación, lo que genera una producción de
aproximadamente 60 millones de toneladas anuales alrededor del mundo.2 Es
químicamente inerte. Se obtiene de la polimerización del etileno (de fórmula química
CH2=CH2 y llamado eteno por la IUPAC), del que deriva su nombre. Este polímero
puede ser producido por diferentes reacciones de polimerización, como por ejemplo:
Polimerización por radicales libres, polimerización aniónica, polimerización por
coordinación de iones o polimerización catiónica. Cada uno de estos mecanismos de
reacción produce un tipo diferente de polietileno.
Es un polímero de cadena lineal no ramificada. Aunque las ramificaciones son
comunes en los productos comerciales. Las cadenas de polietileno se disponen bajo la
temperatura de reblandecimiento Tg en regiones amorfas y semicristalinas.
- Propiedades Mecánicas
Polietileno de alta densidad (PEAD o HDPE(en inglés)): es un polímero de cadena
lineal no ramificada, por lo cual su densidad es alta y las fuerzas intermolesculares
también. Es un material termoplástico parcialmente amorfo y parcialmente cristalino.
Presenta mejores propiedades mecánicas (rígidez, dureza y resistencia a la tensión) y
mejor resistencia química y térmica que el polietileno de baja densidad, debido a su
mayor densidad. Además es resistente a las bajas temperaturas, impermeable, inerte
(al contenido), con poca estabilidad dimensional y no tóxico. También presenta fácil
procesamiento y buena resistencia al impacto y a la abrasión. No resiste a fuertes
agentes oxidantes como ácido nítrico, ácido sulfúrico fumante, peróxidos de hidrógeno
y halógenos.
Estas son sus propiedades mecánicas:
PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo elástico E (N/mm2) 1000
Coeficiente de fricción 0,29
Módulo de tracción (GPa) 0,5-1,2
Relación de Poisson 0,46
Resistencia a tracción (MPa) 15-40
Esfuerzo de rotura (N/mm2) 20-30
Elongación a ruptura (%) 12
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Polietileno de baja densidad (PEBD o LDPE (en inglés)): es un polímero de cadena ramificada, por lo que su densidad es más baja. Es un termoplástico comercial, semicristalino (un 50% típicamente), transparente y más bien blanquecino, flexible, liviano, impermeable, inerte (al contenido), no tóxico, tenaz (incluso a temperaturas bajas), con poca estabilidad, pero fácil procesamiento y de bajo coste.
Estas son sus propiedades mecánicas:
PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo elástico E
(N/mm2) 200
Coeficiente de fricción -
Módulo de tracción (GPa) 0,1-0,3
Relación de Poisson -
Resistencia a tracción
(MPa) 5-25
Esfuerzo de rotura
(N/mm2) 8-10
Elongación a ruptura (%) 20
- Otros materiales que se utilizan para la fabricación de botellas
También existen botellas de vidrio para, por ejemplo, almacenar el vino de una
empresa vinícola. Después, las botellas o botes que se utilizan en el ámbito de
química para almacenar dichos productos químicos están hechas de un cristal opaco
que impide que la radiación de la luz entre y cambie la composición del producto.
También para almacenar otros productos como los lácteos se utiliza el tetra-brik, que
es un envase de cartón producido por la empresa sueca Tetra Pak. Tiene forma de
paralelepípedo y está compuesto por diferentes capas. El envase Tetra Brik es el más
conocido y el más vendido del portafolio de los envases de Tetra Pak, hasta tal punto
que algunas personas lo consideran un nombre genérico aunque es una marca
registrada. El envase Tetra Brik puede encontrarse tanto para productos refrigerados
como para productos UHT bajo la denominación de Tetra Brik Aseptic.
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2- Ordene comparativamente de mayor a menor las propiedades de los tres
objetos y justifique su elección en la medida de lo posible. Utilice las tablas que
se adjuntan e Internet para investigar y defender su elección.
Ejemplo: 1 Más, 3 Menos
Objeto y Material →
Propiedad mecánica
↓
Moneda de
Níquel
Metal
Tubo de grafito
Cerámico
Botella de
polietilieno
Polímero
DUREZA 2 1 3
RIGIDEZ 1 2 3
FRAGILIDAD 2 1 3
DUCTILIDAD 2 3 1
TENACIDAD kic 1 2 3
Dureza: es el grado de resistencia a la deformación permanente que sufre un metal
bajo acción directa de una carga determinada (KxTS hasta 400 Brinell). En nuestro
caso nos fijamos en las escalas de dureza Mohs y Brinell.
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Queda claro que el polietileno (plásticos) es el menos duro y después entre el grafito y
el Níquel elegiremos el grafito como el más duro. Esto se debe a que en el grafito los
átomos de carbono forman anillos de seis lados, que se unen entre sí como si fuesen
baldosas hexagonales, dando lugar a láminas planas. Cada una de estas láminas se
denomina grafeno. Y, dicho grafeno es más duro incluso que los aceros, es
sorprendente pero numerosos estudios así los han confirmado. “Haría falta poner
encima a un elefante balanceándose sobre un lápiz para romper una sola hoja de este
material puesta sobre una taza de café.”
Otra forma de comprobar la dureza de un material es rayando este, ya que la dureza
es la oposición de un material a ser rayado o cortado. Una vez hemos intentado rayar
los tres objetos nos damos cuenta de que: el tubo de grafito se puede rayar poco,
mientras que la moneda es más fácil de rayar y la botella aún más.
Rigidez: consiste en la resistencia a la deformación elástica. Comparativamente
diremos que el polietileno (plástico) es el material menos rígido ya que tiene una
elevada zona elástica. Después, los metales son más rígidos que los cerámicos, por lo
que el níquel es más rígido que el grafito.
La siguiente gráfica ayuda a comprender la rigidez de los objetos.
Podemos comprobar esto intentando deformar los objetos. Haciendo esto
comprobamos que la moneda no se puede deformar, que el portalápices lo podemos
deformar un poco y que la botella nos permite deformarla bastante.
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Fragilidad: expresa falta de plasticidad. Para comparar los materiales tenemos que
contestar antes a cuál es más dúctil, ya que cuanto más dúctil menos frágil será.
Entonces diremos que el material más frágil será el grafito, seguido del Níquel, y el
polietileno es el que menos de los tres.
La siguiente gráfica muestra la fragilidad con la tensión.
Ductilidad: alargamiento máximo por tracción antes de rotura. Según la tabla que se
nos ha dado, el polietileno (termoplástico), con un 100%, es más dúctil que el Níquel,
45%, y que el grafito, 0%.
La botella de polietileno la podemos alargar una gran distancia sin que llegue a
romperse, en el caso de la moneda se rompería a un menor alargamiento y el grafito
no se podría ni alargar porque su ductilidad es del 0%.
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Tenacidad: cuantifica la cantidad de energía almacenad (tenacidad en deformaciones
planas kic). Según la tabla los metales son los más tenaces, tras ellos vendrían los
cerámicos y por último, los polímeros. Por lo que el Níquel es el más tenaz, el grafito el
segundo y el polietileno, el tercero.
La siguiente tabla indica la tenacidad de algunos materiales.
3- Proponga un cambio de material para cambiar algunas de las propiedades de
cada objeto y hacerlo más útil o más barato para una aplicación concreta.
Metales: se podría cambiar el níquel en la fabricación de algunas monedas para
realizarlas con acero, una aleación de hierro y entre un 0,04 y un 2,25% de carbono.
Pero más concreto, de acero inoxidable, que, contiene una mezcla de hierro, cromo y
el propio níquel. Es una mezcla muy dura y por tanto tienen poco desgaste.
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Cerámicos: Los tubos de grafito se pueden cambiar por ejemplo por tubos de gres, ya
que este último material soporta mucho mejor la abrasión y es más apto para
almacenar en su interior materiales más peligrosos como gases tóxicos o ácidos.
Polímeros: las botellas normales están fabricadas con tereflalato de polietileno (PET),
pero podríamos cambiar sus características e introducir el polietileno de alta densidad
ya que no desprenden toxinas, al contrario que las botellas de plástico transparente
del agua envasada, fabricadas en PET (PolyEthylene Terephthalate, tereflalato de
polietileno).