Propiedades Fisicas De Los Materiales

Propiedades Físicas de los Materiales

Las propiedades físicas, tal como usamos el término, definen el comportamiento de los materiales en respuesta a otras fuerzas físicas, además de las mecánicas. Estas incluyen propiedades volumétricas, térmicas, eléctricas y electroquímicas. Los componentes de un producto necesitan hacer algo más que simplemente soportar esfuerzos mecánicos. Deben conducir la electricidad (o prevenir su conducción), permitir que escape el calor, transmitir la luz y satisfacer una multitud de funciones.

Las propiedades físicas son importantes en la manufactura frecuentemente tienen influencia sobre la realización de los procesos. Por ejemplo, las propiedades térmicas de los materiales de trabajo en maquinado determinan la temperatura de corte, la cual afecta la vida útil de la herramienta antes de fallar. En microelectrónica, las propiedades eléctricas del silicio y la forma en que estas pueden alterarse por medio de varios procesos químicos y físicos son la base de la manufactura de semiconductores.

Analizaremos las propiedades físicas más importantes en la manufactura. Las dividimos en grandes categorías como Volumétricas, Térmicas y Eléctricas. También relacionamos estas propiedades con la manufactura.

Propiedades Volumétricas de Fusión.

Estas propiedades se refieren al volumen de los sólidos y como son afectadas por la temperatura. Las propiedades incluyen la densidad, la expansión térmica y el punto de fusión. La siguiente tabla presenta los valores típicos de estas propiedades para algunos materiales seleccionados de ingeniería.

Estas son las propiedades volumétricas en unidades de uso común en Estados Unidos para algunos materiales de ingeniería.

Densidad.

La densidad de un material en ingeniería es su peso por unidad de volumen. Su símbolo es “p” y sus unidades típicas son lb⁄〖pulg〗^3 (g⁄〖cm〗^3 ). La densidad de un elemento la determinan su número atómico, y otros factores como su radio atómico y la forma en que se compactan sus átomos. El termino “Gravedad Especifica” expresa la densidad relativa de un elemento con respecto a la densidad del agua; es una razón y por tanto o tiene unidades.

Algunas veces es más conveniente trabajar con el recíproco de la densidad, llamado volumen específico, que tiene las unidades 〖pulg〗^3⁄lb (〖cm〗^3⁄g).

La densidad es una consideración importante en la selección de un material para una aplicación dada, pero generalmente no es la única propiedad de interés. La resistencia es también importante, y las dos propiedades se relacionan frecuentemente en la “razón de resistencia al peso”, la cual es la resistencia a la tensión dividida por su densidad. La razón es útil en la comparación de materiales para aplicaciones estructurales en las industrias de la aviación, los automóviles y otros productos para los cuales importa el peso y la energía.

Expansión Térmica.

La densidad de un material es una función de la temperatura. Generalmente, la densidad disminuye conforme aumenta la temperatura. Es decir, el volumen por unidad de peso aumenta con la temperatura. La expansión térmica es el nombre que se da al efecto de la temperatura sobre la densidad. Se expresa usualmente como el “Coeficiente de expansión térmica”, el cual mide el cambio n longitud por grado de temperatura, como pulg/pulg/°F (mm/mm/°C). Es una relación entre longitudes más que entre volúmenes porque así es más fácil d medir y aplicar. Es consistente con las situaciones usuales de diseño en las que los cambios dimensionales son de mayor interés que los cambios volumétricos.

Los valores del coeficiente de expansión térmica dados en la tabla anterior sugieren la existencia de una relación lineal con la temperatura. Esto es solamente una aproximación. La temperatura afecta no solo a la longitud, sino también al coeficiente mismo. Para unos materiales el coeficiente aumenta con la temperatura, para otros decrece. Los cambios no son usualmente significativos como para ser considerados importantes, y los valores que se dan en la tabla resultan útiles para los cálculos de diseño en la gama de temperaturas que se contemplan en el servicio. Los cambios en el coeficiente son más sustanciales cuando el metal sufre una transformación de fase, por ejemplo; solido a líquido, o de una estructura cristalina a otra.

Características de Fusión.

El punto e fusión, para un elemento puro, es la temperatura a la cual se transforma el material del estado sólido al líquido. La transformación contraria, de líquido a sólido ocurre a la misma temperatura y es llamada “El punto de congelación. Para elementos cristalinos como los metales, el punto de fusión y congelación es el mismo. A esta temperatura se requiere una cierta cantidad de energía calorífica llamada “calor de fusión” para realizar la transformación.

La fusión de un metal a una temperatura específica, tal como la hemos descrito, supone condiciones de equilibrio. Las excepciones son comunes en la naturaleza, por ejemplo, cuando un metal fundido se enfría puede permanecer en estado líquido por debajo de su punto de congelación si no se inicia de inmediato la nucleación de los cristales. Cuando esto sucede se dice que el líquido está “sobre enfriado”.

Existen otras variaciones n el proceso de fusión, diferencias en la forma que ocurre la fusión en diferentes materiales. Una de estas diferencias es la fusión de aleaciones metálicas. En contraste con los metales puros, la mayoría de las aleaciones no tienen un punto de fusión único; en su lugar el punto de fusión comienza con cierta temperatura llamada “Solidus” y continua conforme la temperatura aumenta hasta que se convierte en forma total al estado líquido a una temperatura llamada “liquidus” Entre los dos puntos la aleación es una mezcla de metales sólidos y fundidos; la cantidad de cada uno es inversamente proporcional a sus distancias relativas a cada uno de los puntos. Aunque la mayoría de las aleaciones se comportan de esta manera hay algunas excepciones; las aleaciones “eutécticas” se funden (y congelan) a una sola temperatura.

Con los materiales o cristalinos (vidrios) ocurre otra diferencia en la fusión. En estos materiales hay una transición gradual del estado sólido al líquido. El material sólido se ablanda gradualmente, a medida que aumenta la temperatura, hasta llegar al estado líquido en su punto de fusión. Durante el ablandamiento, el material adquiere una creciente consistencia plástica

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