tema 1 estructura de la materia

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Estructura y comportamiento de los materiales de construcción en el área de ingeniería civil

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  • UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CCERES VELASQUEZ - FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS C.A.P. INGENIERA CIVIL CURSO: COMPORTAMIENTO MECNICO DE LOS MATERIALES DE LA CONSTRUCCIN DOCENTE: ING. GERHARD PAUL RODRGUEZ GUILLN

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    Objetivos de la Asignatura:

    Conocer los materiales de construccin y sus propiedades para poder seleccionar, usando criterios objetivos, su aplicacin en construccin, cumpliendo con los requisitos formales, tecnolgicos, normativos y de calidad.

    Conocer la estructura y caractersticas de los materiales y utilizar las herramientas fsicas y matemticas que relacionan las propiedades tecnolgicas de los materiales de construccin.

    Conocer y diferenciar los tipos, propiedades, procesos de fabricacin, mtodos de ensayo, normativa, designacin y aplicaciones de los materiales de construccin.

    Buscar, clasificar y utilizar documentacin tcnica-comercial sobre materiales de construccin, identificando sus caractersticas tecnolgicas y distintivos de calidad, as como su adecuacin para una aplicacin concreta.

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    TEMA 1: MATERIALES DE CONSTRUCCION

    ESTRUCTURA DE LA MATERIA

    1. Materia y Material. Ciencia de Materiales.

    2. Materiales y Productos de Construccin.

    3. Microestructura de los materiales.

    4. Escalas de observacin: tecnolgica, microestructural y atmica.

    5. Enlaces interatmicos primarios y secundarios.

    6. Microestructuras cristalina y no cristalinas.

    7. Solidos monofsicos y polifsicos: diagramas de fase.

    8. Materiales compuestos. Objetivos Docentes:

    Conocer la microestructura de los materiales que se utilizan en construccin.

    Conocer las diferentes escalas de observacin y las tipologas de los materiales derivadas de su estructura.

    Conocer los principios bsicos de la Ciencia de Materiales.

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    1. Materia y Material. Ciencia de Materiales

    1.1. Definiciones - Material: Sustancia de la que cualquier cosa esta hecha o compuesta. - Construccin: Es el proceso de materializacin de una idea o proyecto.

    1.2. Materia y Material.

    - La Materia es la sustancia fsica de las cosas, estudiada desde una escala microscpica.

    - La diferencia entre Materia y Material radica en el Nivel de observacin:

    Materia Microscpica

    Material Macroscpica 2. Materiales de Construccin

    Son los Materiales utilizados como materia prima constitutiva de los Productos de Construccin. Ejemplos: Piedra, hormign, madera, acero, plstico, asfalto, etc. Tipos:

    Naturales Transformados Artificiales

    2.1. Materiales por su Tcnica de aplicacin 2.2.

    2.3. Productos de Construccin. Son objetos producidos industrialmente para su aplicacin constructiva, antes de su puesta en obra. Tipos: Por su Funcin:

    Monovalentes Polivalentes

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    Por su composicin: Homogneos Compuestos

    Por su grado de procesado: Semielaborados Elaborados

    2.4. Tipologa de Productos de Construccin Minerales:

    Naturales (piedras y suelos) Artificiales (cermica, vidrio, conglomerados)

    Metlicos:

    Siderrgicos (Aceros y aleaciones frricas) No frricos (aluminio, cobre, aleaciones)

    Polimricos:

    Orgnicos: Naturales (madera, etc.) Sintticos (plsticos, etc.)

    Inorgnicos (siliconas)

    Compuestos: Hbridos (laminados) Rellenos (paneles prefabricados) Reforzados (concreto armado)

    2.5. Niveles Constructivos

    2.6. Propiedades de los Materiales. - Son sus cualidades esenciales intrnsecas. - Dependen fundamentalmente de su estructura. - Distinguimos dos tipos de propiedades:

    Propiedades organolpticas: Se perciben mediante los sentidos.

    Propiedades tecnolgicas: Condicionan su comportamiento frente a acciones exteriores (fsicas, mecnicas, etc.).

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    2.7. El conocimiento del Ingeniero sobre Materiales y Productos de Construccin. - Las propiedades organolpticas y tecnolgicas de los Materiales y Productos

    de Construccin. - Posibilidades constructivas de los Materiales. - El comportamiento energtico y consumo de recursos en la fabricacin de

    materiales. - Uso de la documentacin tcnica y comercial. - Los Materiales utilizados en Estructuras construidas. - Criterios objetivos de seleccin de Materiales.

    2.8. Ciencia de Materiales

    - Definicin: Es la Ciencia que estudia la estructura, propiedades y caractersticas de los Materiales.

    - Relaciona la estructura del Material Natural o Artificial (Procesado) con sus Propiedades.

    - Muestra a la Ingeniera y la Arquitectura los Materiales adecuados a las necesidades.

    3. Microestructura de los materiales

    Las propiedades y caractersticas de los Materiales de Construccin dependen de la configuracin y sustancias que la componen y de las fuerzas que existen entre ellas. Los materiales se pueden estudiar a distintos niveles. Cada nivel de estudio proporciona diferentes grados de conocimiento. Las herramientas de estudio se corresponden con las diferentes Escalas de observacin.

    4. Escalas de observacin: tecnolgica, microestructural y atmica. - Escala Tecnolgica: se observa el material en su conjunto (macroscpica). Se

    aprecian las propiedades organolpticas y tecnolgicas.

    - Escala microestructural: Es el nivel de se diferencia la estructura del material. Se manifiestan las fuerzas de adhesin.

    - Escala atmica: Se estudia la materia a niveles de tomo y organizacin molecular. Se distinguen las fuerzas electromagnticas (atmicas).

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    4.1. El tomo como unidad bsica Los tomos son los bloques fundamentales que constituyen los materiales. Esta constituido por un ncleo y una corteza electrnica. Las sustancias puras estn constituidas por tomos iguales (elementos). Los elementos qumicos se diferencian por el nmero de cargas positivas o negativas que tienen.

    Tabla Peridica de los Elementos Qumicos

    - Los elementos se designan por su smbolo qumico. - La electronegatividad cuantifica la capacidad de los tomos de atraer

    electrones.

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    Los elementos qumicos se pueden clasificar en funcin de su electronegatividad en: - Metales: Tienen electronegatividad baja. Forman cationes (iones positivos)

    por perdida de electrones. - No Metales: Tienen electronegatividad alta. Forman aniones (iones

    negativos) por ganancia de electrones. 5. Enlaces interatmicos primarios y secundarios.

    Los tomos se unen entre si mediante fuerzas electromagnticas, llamadas Enlaces qumicos. Las agrupaciones de tomos se llaman molculas. Tipos de enlaces qumicos:

    Primarios (fuertes): Inico Covalente Metlico

    Secundarios (dbiles): Puentes de hidrogeno

    Fuerzas de Van der Waals Mixtos

    5.1. Caractersticas derivadas del enlace inico

    - Anistropos (propiedades diferentes en cada direccin) - Densos (depende del grado de empaquetamiento). - Solubles en disolventes polares (agua). - Fsicas: Aislantes elctricos (dielctricos)

    Incombustibles Alta inercia trmica Bajo coeficiente de dilatacin

    - Mecnicas: Duros

    Frgiles Alta resistencia a compresin

    5.2. Caractersticas derivadas del enlace covalente (con enlaces secundarios como

    los polmeros) - Baja Densidad (depende del empaquetamiento). - Buena resistencia el agua. - Se degradan con el tiempo (envejecimiento). - Fsicas: Aislantes elctricos (dielctricos)

    Combustibles Aislantes trmicos Alto coeficiente de dilatacin

    - Mecnicas: Flexibles

    Dctiles Dependen de la temperatura

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    5.3. Caractersticas derivadas del enlace metlico - Istropos (propiedades iguales en todas direcciones) - Densos - Insolubles en disolventes polares (agua) - Fsicas: Conductores elctricos

    Conductores trmicos Incombustibles (en condiciones normales) Alto coeficiente de dilatacin

    - Mecnicas: Dctiles y maleables

    Comportamiento elasto-plstico Alta resistencia a compresin y traccin

    5.4. Estados de la Materia. La materia se manifiesta en diferentes estados a una temperatura y presin determinados: Solido: forma y volumen definidos. Estructura ordenada. Vtreo: forma y volumen definidos. Estructura amorfa. Liquido: forma variable y volumen definido. Estructura desordenada. Gas: forma y volumen variables. Estructura catica.

    6. Microestructura de los materiales

    La microestructura de los materiales solidos se puede ser de los siguientes tipos: Segn su orden:

    Cristalino: ordenado Amorfo: desordenado

    Segn su composicin: Monofsicas: un nico componente

    Polifsicas: dos o mas componentes

    El orden cristalino es la forma de organizacin bsica. Existe un orden elemental (celda unitaria) que se repite, segn 14 tipos de redes cristalinas (Redes de Bravais).

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    Microestructura cristalina (cobre)

    6.1. Defectos en solidos cristalinos.

    - Son discontinuidades en la organizacin espacial del cristal. - Influyen en las propiedades mecnicas, fsicas y qumicas de los materiales

    cristalinos. - Tipos: Puntuales

    Lineales (dislocaciones) Superficiales (fronteras de grano)

    Microscopio TEM (transmisin electrnica)

    6.2. Defectos puntuales - Alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas

    por uno o varios tomos. - Origen: movimiento de tomos durante el calentamiento o el procesado del

    material, introduccin de impurezas o por aleacin. - Tipos: Vacantes: falta un tomo en la red cristalina

    Defectos intersticiales: hay un tomo en un hueco de la red cristalina Defecto substitucional: Substitucin de un tomo por otro distinto

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    6.3. Defectos lineales (Dislocaciones) - Imperfecciones o irregularidades lineales en una red ideal o perfecta. - Origen: proceso de solidificacin o proceso de moldeado. - Tipos: De borde: hay un plano de tomos adicional

    De tornillo: por cizalladura del cristal Mixta

    6.4. Deslizamiento de las Dislocaciones 1. Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocacin puede romper los enlaces de

    los planos atmicos contiguos 2. Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y en sentido contrario

    para restablecer sus enlaces atmicos. 3. Esta recombinacin hace que la dislocacin se desplace. 4. Finalmente el material queda deformado.

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    6.5. Importancia del deslizamiento de las Dislocaciones 1. El deslizamiento de las dislocaciones explica por qu la resistencia mecnica

    de un metal es menor de lo esperable (enlace metlico). 2. El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de

    deformacin). De no existir deslizamiento, el material seria frgil (enlace inico y covalente puro).

    3. Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir impurezas, defectos, solidificacin, etc.) permite controlar las propiedades mecnicas del material.

    6.6. Defectos superficiales

    - Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones (material policristalino).

    - Tipos: Bordes de grano: limites entre cristales Superficies libres: en contacto con el ambiente Planos de Macla: cambio de orientacin en el grano

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    Microestructura cristalina (metales)

    6.7. Caractersticas derivadas de los defectos

    - Los defectos puntuales: Aumentan la resistencia (traban las dislocaciones). Disminuyen la conductividad elctrica y trmica.

    - Los defectos lineales: Disminuyen la resistencia. Aumentan la ductilidad y la plasticidad.

    - Los defectos superficiales: Influyen en la adherencia, corrosin, dureza, brillo, etc. Fronteras de grano: cortan el desplazamiento de dislocaciones.

    7. Solidos monofsicos y polifsicos.

    - Disolucin: mezcla de dos sustancias en la que una pierde su identidad fsica. - Dispersin: mezcla de dos o ms sustancias en que cada una mantiene su estado

    y naturaleza. - Se llama FASE a cada una de las sustancias que se distinguen en una dispersin. - El Material formado por una fase se llama monofsico u homogneo. - El Material formado por varias fases se llama polifsico o heterogneo.

    7.1. Solidos polifsicos.

    - En los solidos polifsicos, las fases pueden: Formar sistema: existe relacin entre las fases. Al variar una varia la otra. Ambas dependen de las condiciones de presin y temperatura. Se trata de un Material Polifsico (por ejemplo, el acero). No formar sistema: Las fases son independientes. Se trata de un Material Compuesto.

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    Solidos polifsicos (granito gris perla)

    7.2. Diagramas de fase

    - Representa las fases y composicin existentes en un sistema polifsico, a una temperatura determinada.

    - Se utilizan para obtener aleaciones metlicas en procesos industriales (metalurgia y siderurgia).

    8. Materiales Compuestos - Constituidos por diferentes materiales, elementos o componentes, que no forman

    sistema, pero que muestran efectos conjuntos a escala macroscpica. - Se disean para mejorar el comportamiento fsico o mecnico de los materiales

    homogneos. - La combinacin de materiales produce un aumento de las propiedades del

    conjunto, aunque se distinguen claramente cada uno de ellos. - Ejemplos: concreto armado, paneles laminados, vidrios de seguridad, etc.

    Concreto armado

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    Vidrio Laminado

    - Compuesto por dos o ms laminas de vidrio unidas por materiales adhesivos. - La rotura de un vidrio no provoca el colapso del material. - Buen comportamiento frente a impacto (Vidrio de seguridad).

    Laminados de Madera

    Panel sndwich

    Bibliografa de consulta recomendada

    - Callister, W.; Ciencia e ingeniera de materiales, Ed. Reverte, 1995.

    - Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniera de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.