RESISTENCIA DE LOS MATERIALES

Annotations:

• La normalización tiene una influencia importante en los métodos de ensayos ordinarios y en la redacción de especificaciones, resultando deseable el conocimiento de las agencias que promulgan algunas de las especificaciones de los materiales más usados. Las normas promulgadas por la American Society for Testing and Materials (Sociedad Norteamericana para el ensayo y los materiales) son de particular interés e importancia por su doble función de: (i) normalización de las especificaciones y de los métodos de ensayos de los materiales, y (ii) el mejoramiento de los materiales de ingeniería. La labor de normalización incluye en general: 1.  Desarrollo de los métodos de ensayo para los materiales. 2.  Establecimiento de definiciones normales. 3.  Formulación de especificaciones de materiales. 4.  Formulación de prácticas recomendables que influyen en varios procesos de utilización de materiales.

1. American Institute of Steel Construction (AISC) (Instituto Estadounidense de la Construcción con Acero): edificios, puentes y estructuras similares que utilizan acero
   1. • Aluminion Association (AA) (Asociación del Aluminio): edificios, puentes y estructuras similares que usan aluminio.
      1. • American Society of Mechanical Engineers (ASME) (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos): calentadores, recipientes a presión y flechas.
         1. • Departamento de Defensa de Estados Unidos: normas militares para la construcción de estructuras de vehículos aerospaciales y otros productos de uso militar.
            1. • American National Standards Institute (ANSI) (Instituto Nacional Estadounidense de Normas): para fabricación de productos.
               1. • American Gear Manufacturers Association (AGMA) (Asociación Estadounidense de Fabricantes de Engranes): engranes y sistemas de engranes.
                  1. • American Concrete Institute (ACI) (Instituto Estadounidense del Concreto): puentes, edificaciones, cimentaciones, muros de contención y estructuras similares en concreto simple, concreto reforzado y concreto preesforzados.

1. .PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

   Annotations:

   • Las propiedades mecánicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la plasticidad y la capacidad energética. La resistencia de un material se mide por el esfuerzo según el cual desarrolla alguna condición limitativa específica. Las principales condiciones limitativas o criterios de falla son la terminación de la acción elástica y la ruptura. La dureza, usualmente indicada por la resistencia a la penetración o la abrasión en la superficie de un material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia. La rigidez tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide por el módulo de elasticidad.
   1. TIPOS DE ENSAYOS MECANICOS

      Annotations:

      • Para aproximar las condiciones en que un material debe comportarse en servicio, es necesario cierto número de procedimientos de ensayo. La relación, entre varios procedimientos de ensayo puede evidenciarse por medio de una clasificación ordenada de las condiciones de ensayo, los tipos principales de las cuales son:
      1. 1. Aquellas relacionadas con la manera en que la carga es inducida.
         1. 2. Aquellas que tienen que ver con la condición del material o probeta misma en el momento del ensayo
            1. 3. Aquellas relacionadas con la condición de los alrededores (condición ambiente) durante el progreso del ensayo, como en los estudios de exposición atmosférica.

Annotations:

• El esfuerzo se define aquí como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en términos de fuerza por unidad de área. Existen tres clases básicas de esfuerzos: tensivo, compresivo y corte. El esfuerzo se computa sobre la base de las dimensiones del corte transversal de una pieza antes de la aplicación de la carga, que usualmente se llaman dimensiones originales. La deformación se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo, al cambio térmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjunción con el esfuerzo directo, la deformación se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud. En los ensayos de torsión se acostumbra medir la deformación cómo un ángulo de torsión (en ocasiones llamados detrusión) entre dos secciones especificadas. Cuando la deformación se define como el cambio por unidad de longitud en una dimensión lineal de un cuerpo, el cual va acompañado por un cambio de esfuerzo, se denomina deformación unitaria debida a un esfuerzo.

1. Si un cuerpo es sometido a esfuerzo tensivo o compresivo en una dirección dada, no solo ocurre deformación en esa dirección (dirección axial) sino también deformaciones unitarias en direcciones perpendiculares a ella (deformación lateral). Dentro del rango de acción elástica la compresión entre las deformaciones lateral y axial en condiciones de carga uniaxial (es decir en un solo eje) es denominada relación de Poisson. La extensión axial causa contracción lateral, y viceversa

Annotations:

• La elasticidad es aquella propiedad de un material por virtud de la cual las deformaciones causadas por el esfuerzo desaparecen al removérsele. Algunas sustancias, tales como los gases poseen únicamente elasticidad volumétrica, pero los sólidos pueden poseer, además, elasticidad de forma. Un cuerpo perfectamente elástico se concibe como uno que recobra completamente su forma y sus dimensiones originales al retirarse el esfuerzo. Si una carga de tensión dentro del rango elástico es aplicada, las deformaciones axiales elásticas resultan de la separación de los átomos o moléculas en la dirección de la carga; al mismo tiempo se acercan más unos a otros en la dirección transversal. Para un material relativamente isotrópico tal como el acero, las características de esfuerzo y deformación son muy similares irrespectivamente de la dirección de la carga (debido al arreglo errático de los muchos cristales de que está compuesto el material), pero para materiales anisotrópicos, tales como la madera, estas propiedades varían según la dirección de la carga

1. Si una carga de tensión dentro del rango elástico es aplicada, las deformaciones axiales elásticas resultan de la separación de los átomos o moléculas en la dirección de la carga; al mismo tiempo se acercan más unos a otros en la dirección transversal. Para un material relativamente isotrópico tal como el acero, las características de esfuerzo y deformación son muy similares irrespectivamente de la dirección de la carga (debido al arreglo errático de los muchos cristales de que está compuesto el material), pero para materiales anisotrópicos, tales como la madera, estas propiedades varían según la dirección de la carga.

1. La resistencia a la compresión es el máximo esfuerzo de compresión que un material es capaz de desarrollar. Con un material quebradizo que falla en compresión por ruptura, la resistencia a la compresión posee un valor definido. En el caso de los materiales que no fallan en compresión por una fractura desmoronante (materiales dúctiles, maleable o semiviscoso), el valor obtenido para la resistencia a la compresión es un valor arbitrario que depende del grado de distorsión considerado como falla efectiva del material.

Annotations:

• La plasticidad es aquella propiedad que permite al material sobrellevar deformación permanente sin que sobrevenga la ruptura. Las evidencias de la acción plástica en los materiales estructurales se llaman deformación, flujo plástico y creep. La plasticidad es importante en las operaciones de formación, conformación y extrusión. Algunos metales se conforman en frío, por ejemplo, la laminación profunda de láminas delgadas.Muchos metales son conformados en caliente, por ejemplo, la laminación de perfiles de acero estructural y el forjado de ciertas partes para máquinas; los metales como el hierro fundido se moldean en estado de fusión; la madera se flexiona mejor mientras está seca y caliente. Los materiales maleables son aquellos que pueden martillarse para formar láminas delgadas sin fractura; la maleabilidad depende tanto de la suavidad como de la plasticidad del material.

1. Otra manifestación de la plasticidad en los materiales es la ductilidad. La ductilidad es la propiedad de los materiales que le permiten ser estirados a un grado considerable antes de romperse y simultáneamente sostener una carga apreciable. Se dice que un material no dúctil es quebradizo, esto es, se quiebra o rompe con poco o ningún alargamiento.

1. La rigidez tiene que ver con la deformabilidad relativa de un material bajo carga. Se le mide por la velocidad del esfuerzo con respecto a la deformación. Mientras mayor sea el esfuerzo requerido para producir una deformación dada, más rígido se considera que es el material.

Annotations:

• El módulo de resiliencia es una medida de lo que puede llamarse la resistencia a la energía elástica del material y es de importancia en la selección de materiales para servicio, cuando las partes están sometidas a cargas de energía, pero cuando los esfuerzos deben mantenerse dentro del límite elástico (SEELEY y SMITH, 1956). Cuando un material es sometido a una carga repetida, durante cualquier ciclo de carga o descarga, o viceversa, alguna energía es absorbida o perdida. Este fenómeno de la energía perdida es llamado generalmente histéresis, y dentro del rango elástico, histéresis elástica.

1. La capacidad de un material para absorber o almacenar energía se denomina capacidad energética del material. La cantidad de energía absorbida al esforzar un material hasta el límite elástico, o la cantidad de energía que puede recobrarse cuando el esfuerzo es liberado del límite elástico, es llamada la resiliencia elástica. La energía almacenada por unidad de volumen en el límite elástico es el módulo de resiliencia.
   1. ASPECTOS GENERALES DE LA FALLA EN LOS MATERIALES

      Annotations:

      • La falla puede ocurrir de tres maneras fundamentales: por deslizamiento o flujo, por separación, y por pandeo. El deslizamiento o flujo ocurre bajo la acción de esfuerzos cortantes. Esencialmente, los planos paralelos dentro de un elemento de un material se mueven (se deslizan o desplazan) en direcciones paralelas; la acción continua de esta manera, a un volumen constante y sin desintegración del material, se denomina creep, o flujo plástico. El deslizamiento puede terminar por ruptura cuando las fuerzas moleculares (o esfuerzos de escala similar) son rebasadas. Estos esfuerzos cortantes que causan el deslizamiento son originados por cargas tensivas o compresivas, cargas torsionales, o cargas flexionantes. La separación es una acción inducida por los esfuerzos tensivos. Se verifica cuando el esfuerzo normal a un plano excede las fuerzas internas que aglutinan el material; la falla por separación es frecuentemente denominada fractura por fisura. Los estados de esfuerzos que involucran esfuerzos tensivos suficientes para causar la fractura por fisura pueden ser inducidos por cargas diferentes de las primarias tensivas.
      1. La falla puede considerarse como la alteración del comportamiento característico de acuerdo con alguna propiedad física básica. Por ejemplo, el es forzamiento o deformación de un material más allá del límite elástico, es decir sin recuperación de su forma o longitud original. A nivel macroescalar la falla puede concebirse como el grado de deformación qué sea excesivo en relación con el desempeño aceptable de un miembro de alguna estructura o máquina.
         1. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
            1. Metales

               Annotations:

               • Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.
               1. METALES

                  Annotations:

                  • De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más extremos en un átomo son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y de su maleabilidad. El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran una considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los elementos metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación. Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común, a su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que indican un tipo definido del material considerado. Así, la identificación de un producto determinado depende de la indicación: Clase – Serie – Grupo – Individuo.
            2. Cerámicos

               Annotations:

               • Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.
               1. MAMPOSTERIA

                  Annotations:

                  • La mampostería es un sistema constructivo tradicional compuesto por piedras naturales sin labrar o ligeramente labradas, llamadas mampuestos. Las fábricas (construcciones realizadas) de mampostería tan sólo proporcionan una cierta resistencia a la compresión, por lo que suelen conformar elementos verticales continuos, como muros y paredes. Durante la larga historia de la construcción de edificios ha habido una sustitución constante de materiales industriales. Ladrillo, hormigón y acero han reemplazado en gran parte a la piedra natural, por ejemplo: granito y arenisca, al requerir ésta un trabajo especializado y muy caro para su preparación y montaje. 
            3. Polímeros

               Annotations:

               • Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.
               1. PLÁSTICOS

                  Annotations:

                  • Los materiales poliméricos provienen de una reacción de un monómero con algunos agentes químicos llamados agentes activadores o catalizadores y desencadenan una reacción produciendo unas cadenas que tienen similitud con el monómero de quien se originan, por ejemplo: el monómero del etileno de donde se produce el polietileno, del monómero del estireno se produce el poliestireno. Esas cadenas moleculares que se forman son infinitamente largas pueden tener cientos o miles de átomos enlazados. Estas macroestructuras de cadenas moleculares conforman finalmente lo que es la cristalinidad o el grado de cristalinidad. El cristal dentro del plástico no es una estructura molecular sola sino un grupo de las estructuras moleculares que se asocia con otras para formar estructuras de orden superior.
            4. Semiconductores

               Annotations:

               • Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
               1. MEZCLAS BITUMINOSAS

                  Annotations:

                  • Los materiales bituminosos, son derivados del petróleo, y por lo general se utilizan en forma de mezclas; las mezclas se clasifican en: *Mezcla bituminosa discontinua en caliente, para capas de rodadura de pequeño espesor *Mezcla bituminosa en caliente *Mezcla bituminosa en frío
            5. Materiales compuestos

               Annotations:

               • Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.
               1. CONCRETO

                  Annotations:

                  • El concreto es una piedra artificial, la cual el hombre fabrica a partir de varias materias primas, como son el cemento, la arena, la grava y el agua; el concreto obtenido a partir de los materiales mencionados se denomina concreto simple. Tal como la piedra, el concreto es un material con buena resistencia a esfuerzos de compresión, pero su resistencia a la tensión es de alrededor un 15% a la de compresión (en el mejor de los casos), y debe incorporar a su matriz otro u otros materiales que le aporten dicha resistencia, como el acero o fibras naturales o sintéticas