Libro de Tecnologia de Materiales

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1 Ing. Jean Edison Palma Vañez

CAPITULO I

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES

1.1. GENERALIDADES

La palabra material proviene del término latino “materialis” y hace referencia a aquello perteneciente o relativa a la materia, que es opuesto a lo espiritual. De todas maneras el concepto tiene diferentes usos según el contexto. Para la ciencia un material es cualquier conglomerado de materia o masa. En ingeniería un material es una sustancia (compuesto químico) con alguna propiedad útil, ya sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética.

a. Materia Prima: Se define como materia prima a todos los elementos que se intuyen en la elaboración de un producto, es todo aquel elemento que se transforma e incorporan en un producto final. Un producto terminado tiene incluido una serie de elementos y subproductos que mediante un proceso de transformación permitieron la confección de un producto final. La materia prima que ya ha sido manufacturada pero todavía no constituye un bien de consume se denomina producto semielaborado, semiacabado o producto en proceso.

b. Material: Desde el punto de vista tecnológico, material es la materia transformada, en su forma o en su esencia con la finalidad de cumplir alguna función. Pueden ser de origen natural (se encuentra como tal en la naturaleza) o de origen artificial (resultado de algún proceso de fabricación). En general provienen del medio natural como materia prima, de donde se obtienen por diferentes métodos.

c. Tecnología De Los Materiales: Es el estudio y puesta en práctica de técnicas de análisis, estudios físicos y desarrollo de materiales. Está centrada en los aspectos esenciales de los materiales, para entender la manera en la que se emplean o deberían emplearse, para predecir el comportamiento que pueden presentar en distintas circunstancias y en distintos ambientes.

1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

Para estudiar los materiales pueden hacerse diferentes clasificaciones atendiendo a distintas características.

1.2.1. Según su origen:

a. Materiales naturales: Se encuentran en la naturaleza. Constituyen los materiales básicos para fabricar los demás productos. En ocasiones estos recursos son limitados y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden reciclarse o reutilizarse. El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes. Son naturales la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc.

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b. Materiales artificiales: Se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa. También reciben este nombre los productos fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural. Son artificiales el hormigón y los bloques de hormigón, que son productos artificiales, fabricados a partir de arena (en un 50%; material natural), grava (en un 30%; material natural), cemento (en un 20%; material artificial) y agua (material natural).

c. Materiales sintéticos: Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los materiales que los componen. El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol. Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación (p.e. la vulcanización).

1.2.2. Según estructura interna

Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas.

a. Metales: 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.

b. Cerámicos: 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.

c. Polímeros: 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.

d. Semiconductores: Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

e. Materiales compuestos: 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.

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1.3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Cada material tiene propiedades que lo diferencian de los demás y determinan lo que puede hacerse con él. Las principales propiedades las podemos clasificar de la siguiente manera:

1.3.1. PROPIEDADES FÍSICAS

Las propiedades físicas son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de la sustancia ya que sus moléculas no se modifican

a. Formas y Dimensiones: Es la apariencia externa que presenta un material. En el caso de los agregados las formas dependen del modo de transporte, pues las sub-redondeadas y las redondeadas dependen del choque que sufrieron al ser transportados por los ríos y las formas angulosas de las piedras y gravas no han sufrido transporte. Dimensiones: Varían de acuerdo al uso que se les va a dar. Ej. : Cuando las

piedras son grandes y se quiere para concreto armado se trituran las piedras.

b. Peso específico: Es el cociente entre el peso de un cuerpo y su volumen. Se calcula dividiendo el peso de un cuerpo o porción de materia entre el volumen que éste ocupa.

peso específico

P: peso de la sustancia

V: volumen que la sustancia ocupa : densidad de la sustancia aceleración de la gravedad PROPIEDADES DE LOS MATERIALES FÍSICAS Formas y

dimensiones Peso específico

Densidad Porosidad

Permeabilidad Capilaridad

Higroscopía

TÉRMICAS

Calor específico Dilatación

Transmisión de calor Reflexión de calor ACÚTICAS Transmisión y Reflexión del sonido OPTICAS Color Reflexión de la luz Transmisión de la luz QUÍMICAS Composición química Estabilidad química MECÁNICAS Resistencia Tenacidad Elasticidad Plasticidad Maleabilidad Ductibilidad Fluencia Rigidez Dureza Isotropía

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Dependiendo del volumen se puede considerar:

real: es el del material compacto

 aparente: del material con poros

 a granel: suelto o compacto

c. Porosidad: Es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases.

 La capacidad de absorción de agua o porosidad másica se puede medir con la siguiente fórmula matemática:

Donde:

: Masa de una porción cualquiera del material (en seco).

Masa de la porción después de haber sido sumergido un fluido

 Esta última ecuación puede ser usada para estimar la proporción de huecos o porosidad volumétrica:

Donde:

: Es la densidad del material (seco). : Es la densidad del agua.

: Es la proporción de huecos (expresada en tanto por uno)

Al Igual que la densidad, la porosidad admiten ciertos matices y se establecen distintos tipos, siendo los principales: la "porosidad total" y la "porosidad abierta". De acuerdo con las características de los espacios vacíos contemplados, pueden considerarse otros tipos de porosidad: "cerrada", "accesible" a un determinado fluido, “comunicada”, "efectiva" para un determinado comportamiento, etc.

La porosidad total (n): Se define como el volumen total de vacíos por unidad de volumen total de material. En este caso deben contabilizarse todos los espacios vacíos presentes: abiertos y cerrados, accesibles y no accesibles. Su valor no puede obtenerse de forma experimental, ya que incluye entre los espacios vacíos los no comunicados con el exterior (poros no accesibles). Su determinación se realiza de forma indirecta a partir del valor de ambas densidades. Conocida la densidad de las partículas sólidas ( ) y la densidad de la muestra seca ( ), la porosidad total (n) se calcula a partir de la expresión:

La porosidad abierta (nο): Se conoce también como porosidad accesible o comunicada, y

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sí y con el exterior (accesibles al agua normalmente) por unidad de volumen total de roca (VT):

Esta porosidad se determina normalmente mediante técnicas experimentales, basadas en introducir un fluido en los poros y cuantificar su volumen. El procedimiento más común

es el método de la pesada hidrostática, en dicho ensayo se saturan los poros con agua (normalmente al vacío) de acuerdo con las especificaciones de la norma seguida y se obtiene la porosidad abierta “accesible al agua”. Otro método utilizado es por inyección de mercurio, en este caso se introduce mercurio a presión en los poros y a partir del volumen inyectado se determina la porosidad abierta "accesible al mercurio". En la mayoría de las rocas los valores obtenidos en ambos ensayos son parecidos, siendo ligeramente mayor la porosidad accesible al agua, ya que el mercurio no llega a introducirse en los poros muy pequeños (< 0,003 μm), y dicho ensayo tampoco considera los poros con accesos muy grandes (> 100 μm). En la tabla Nº 1.1 se recogen los valores de densidad y porosidad de distintos tipos de rocas empleadas como materiales en edificación.

d. Permeabilidad: Es la capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:

- La porosidad del material

- La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura - La presión a que está sometido el fluido.

Tabla Nº 1.2

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Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material. Un ingeniero hidráulico francés de nombre Henry Darcy fue el primero que realizó estudios relacionados con el flujo de fluidos a través de medios porosos. En 1856 Darcy publicó su trabajo, en el cual se describían estudios experimentales de flujo de agua a través de filtros de arena no consolidada, los cuales tenían como objetivo procesar los requerimientos diarios de agua potable del pueblo de Dijon (Francia). El equipo utilizado por Darcy (figura 1.1) consistió en un gran cilindro que contenía un paquete de arena no consolidada de un metro de longitud, el cual estaba sostenido entre dos pantallas de gasa permeable. En cada extremo había un manómetro conectado, los cuales medían la presión en la entrada y la salida del filtro cuando se dejaba fluir agua a través del paquete de arena no consolidada.

Figura Nº 1.1

Equipo experimental de Darcy

( ) Donde:

v = Velocidad aparente de flujo (cm/s). L = Longitud del empaque de arena (cm).

Δh = Diferencia de los niveles manométricos (cm). K = Constante de proporcionalidad (permeabilidad).

La velocidad, v, de la ecuación de Darcy es una velocidad aparente de flujo. La velocidad real de flujo se determina dividiendo la velocidad aparente entre la porosidad

La permeabilidad en el SMD se mide en cm2 o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy, es el darcy, y habitualmente se utiliza el milidarcy: 1 Darcy = 9.86923x10-23 m2

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OJO: Permeabilidad en el concreto

La permeabilidad se refiere a la cantidad de migración de agua a través del concreto cuando el agua se encuentra a presión, o a la capacidad del concreto de resistir la penetración de agua u atrás sustancias (liquido, gas, iones, etc.). Generalmente las mismas propiedades que convierten al concreto menos permeable también lo vuelven más hermético. La permeabilidad total del concreto al agua es una función de la permeabilidad de la pasta, de la permeabilidad y granulometria del agregado, y de la proporción relativa de la pasta con respecto al agregado. La disminución de permeabilidad mejora la resistencia del concreto a la restauración, al ataque de sulfatos y otros productos químicos y a la penetración del ion cloruro. La permeabilidad también afecta la capacidad de destrucción por congelamiento en condiciones de saturación. Aquí la permeabilidad de la pasta es de particular importancia porque la pasta recubre a todos los constituyentes del concreto. La permeabilidad de la pasta depende de la relación Agua – Cemento y del agregado de hidratación del cemento o duración del curado húmedo. Un concreto de baja permeabilidad requiere de una relación Agua – Cemento baja y un periodo de curado húmedo adecuado. Inclusión de aire ayuda a la hermeticidad aunque tiene un efecto mínimo sobre la permeabilidad aumenta con el secado. La permeabilidad de una pasta endurecida madura mantuvo continuamente rangos de humedad de 0.1x10-12 cm/s para relaciones Agua – Cemento que variaban de 0.3 a 0.7

e. CAPILARIDAD: Es la capacidad que tiene un líquido de subir espontáneamente por un canal minúsculo. Debido a la tensión superficial, el agua sube por un capilar. Esto se debe a fuerzas cohesivas, es decir, fuerzas que unen el líquido; y a fuerzas adhesivas, que unen al líquido con la superficie del capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que

moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar (como el caso del mercurio), la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior, y su superficie es convexa

f. HIGROSCOPIA: Es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medioambiente. También es sinónimo de higrometría, siendo esta el estudio de la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosférica). Son higroscópicos todos los

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compuestos que atraen agua en forma de vapor o de líquido de su ambiente, por eso a menudo son utilizados como desecantes.

Algunos de los compuestos higroscópicos reaccionan químicamente con el agua como los hidruros o los metales alcalinos. Otros la atrapan como agua de hidratación en su estructura cristalina como es el caso del sulfato de sodio. El agua también puede adsorberse físicamente. En estos dos últimos casos, la retención es reversible y el agua puede ser desorbida. En el primer caso, al haber reaccionado, no se puede recuperar de forma simple. Algunos ejemplos de los compuestos higroscópicos más conocidos son:

 Cloruro cálcico (CaCl2)

 Cloruro de Sodio (Halita)(NaCl)  Hidróxido de Sodio (NaOH)  Ácido sulfúrico (H2SO4)

 Sulfato de cobre (CuSO4)  Pentóxido de fósforo (P4O10)  Silica gel

 Miel

Para cada sustancia existe una humedad que se llama humedad de equilibrio, es decir, un contenido de humedad tal de la atmósfera a la cual el material capta humedad del ambiente a la misma velocidad que la libera. Si la humedad ambiente es menor que este valor de equilibrio, el material se secará, si la humedad ambiente es mayor, se humedecerá. Así, ciertos minerales como el cloruro de calcio son capaces de captar agua de la atmósfera en casi cualquier condición, porque su humedad de equilibrio es muy alta. Sustancias como estas son usadas como desecadoras. Otros ejemplos son el ácido sulfúrico, el gel de sílice, etc.

1.3.2. PROPIEDADES TÉRMICAS Esta propiedad se describe como la reacción o el comportamiento de los materiales ante el calor.

a. CALOR ESPECÍFICO: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en J/kg.K en ocasiones también se expresa en cal/g.ºC. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante.

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Cuadro Nº 1.3.

Calor Específico de algunas sustancias (J/kg . K)

b. DILATACIÓN: Se llama dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura. Cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación

Tipos de Dilatación

Dilatación Lineal: Más allá que la dilatación de un sólido suceda en todas las dimensiones, puede predominar la dilatación de apenas una de sus dimensiones sobre las demás. O aún, podemos estar interesados en una única dimensión del sólido. En este caso, tenemos la dilatación lineal (DL)

Dilatación Superficial: La dilatación superficial corresponde a la variación del área de una placa, cuando sometida a una variación de temperatura. Las figuras a continuación, representan una placa rectangular a temperatura To a temperatura T >To.

Hidrógeno 14.212 hielo 2.090

Aire 1.000 aluminio 878

vapor de agua 1.920 hierro 460

dióxido de carbono 836 cobre 375

Agua 4.180 cinc 376 Benceno 1.881 estaño 210 Glicerina 2.420 plomo Donde: 𝐿 : Dilatación lineal 𝐿𝑜 : Longitud inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación 𝑇 : Variación de temperatura Donde: 𝑆 : Dilatación superficial 𝐿𝑜 : Superficie inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación 𝑇: Variación de temperatura

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Dilatación Volumétrica: En este tipo de dilatación, vamos a considerar la variación del volumen, esto es, la dilatación en las tres dimensiones del sólido (longitud, ancho y altura).

Cuadro Nº 1.4.

Valores de los coeficientes de dilatación lineal (

c. TRANSMISIÓN DE CALOR: Es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor,

ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:  Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto

 Por convección en fluidos (líquidos o gases)

 Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse Material α (°C-1) Material α (°C-1) Hormigón 2.0 x 10-5 Aluminio 2.4 x 10-5 Acero 1.0 x 10-5 Latón 1.8 x 10-5 Hierro 1.2 x 10-5 Cobre 1.7 x 10-5 Plata 2.0 x 10-5 Vidrio 0.7 a 0.9 x 10-5 Oro 1.5 x 10-5 Cuarzo 0.04 x 10-5 Invar 0,04 x 10-5 Hielo 5.1 x 10-5 Plomo 3.0 x 10-5 Diamante 0.12 x 10-5 Zinc 2.6 x 10-5 Grafito 0.79 x 10-5 Donde: 𝑉 : Dilatación volumétrica 𝑉𝑜 Volumen inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación 𝑇: Variación de temperatura

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1.3.3. PROPIEDADES ACÚSTICAS: Transmisión y Reflexión del Sonido: El sonido, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo. El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras consistentes en oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio. La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal. El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de ondas. Para que se genere un sonido es necesario que vibre alguna fuente. Las vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. La fonética acústica concentra su interés especialmente en los sonidos del habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir gráfica y/o cuantitativamente. Desde el punto de vista físico el sonido: frecuencia y amplitud

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1.3.4. PROPIEDADES ÓPTICAS: Se refiere al comportamiento de los MATERIALES en lo que respecta a la absorción de la luz (lo que define el color de los mismos) y a la transmisión de la luz (en materiales transparentes y traslúcidos), por ejemplo: Fibras Ópticas, Celdas Solares, recubrimientos ópticos, aplicaciones a microscopía, etc. Los Materiales ÓPTICOS pueden ser PASIVOS y ACTIVOS.

Los ACTIVOS muestran propiedades ópticas especiales en respuesta a estímulos eléctricos, mecánicos, magnéticos, ópticos, etc. P.ej.: Lasers, Diodos emisores, fotodiodos, materiales luminiscentes, visores de cristal líquido, etc.

Los PASIVOS, todo lo demás incluyendo aplicaciones inactivas de materiales activos. Por ejemplo: Metales, Cerámicos, Polímeros. Entre las características de las Propiedades ópticas, se encuentran:

 OPACO: Impide el paso a la luz

 TRANSLÚCIDO: Deja pasar la luz, pero que no deja ver nítidamente los objetos.

 TRANSPARENTE: Dicho de un cuerpo a través del cual pueden verse los objetos claramente.

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie de los cuerpos. La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale rebotado después de reflejarse, rayo reflejado. Si se traza una línea recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia. El rayo reflejado también forma con la normal un ángulo, que se llama ángulo de reflexión. Son muchas las teorías que el hombre ha planteado para explicar la naturaleza de la luz. Actualmente se acepta que existe una dualidad en el comportamiento de la luz, cuando actúa sobre la materia su naturaleza es considerada corpuscular, y cuando se propaga es ondulatoria - electromagnética. Cuando un cuerpo produce luz se dice que es un cuerpo luminoso, por ejemplo, el Sol, un foco, una vela encendida, etcétera. Si el cuerpo recibe la luz se dice que es un cuerpo iluminado, ya que éste refleja la luz que recibe. Un ejemplo podría ser cualquier cuerpo en la Tierra durante el día, o frente a un foco encendido. Existen los cuerpos no luminosos que se dividen en transparentes, translúcidos y opacos, los primeros permiten el paso de la luz y la imagen; es decir, dejan ver los cuerpos que están colocados detrás de ellos. Un ejemplo de éstos son el aire, el vidrio y el agua. Los segundos, permiten el paso de la luz, mas no de la imagen, tal es el caso del vidrio esmerilado, la marcolita y el papel albanene. Los terceros, llamados cuerpos opacos, impiden el paso de la luz y la imagen; por ejemplo, los cuerpos metálicos, los de madera, etcétera. Se considera que la luz se propaga en línea recta, lo cual explica que al ser interferida por algunos objetos se produzcan sombras y penumbras. Cuando este fenómeno se produce entre los cuerpos celestes da origen a los llamados eclipses. Por ejemplo, cuando la Luna se interpone entre la Tierra y el Sol da lugar a un eclipse total de Sol, y cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna se origina el eclipse total de Luna.

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13 Ing. Jean Edison Palma Vañez 1.3.5. PROPIEDADES QUÍMICAS

a. COMPOSICIÓN QUÍMICA: Una ley fundamental de la química afirma que en todo compuesto químico que esté formado por dos o más elementos diferentes, éstos se encuentran presentes en dicho compuesto en una cantidad o composición porcentual determinada. Lo que quiere decir, por ejemplo, que el hidróxido de aluminio Al(OH)3 que se obtenga en España tendrá el mismo porcentaje de aluminio, de oxígeno y de hidrógeno que el que se pueda obtener en cualquier otra parte del mundo. La composición porcentual a través de la fórmula química b. ESTABILIDAD QUÍMICA: El término estabilidad química al ser usado en el sentido técnico en

química se refiere a la estabilidad termodinámica de un sistema químico. La estabilidad termodinámica ocurre cuando un sistema está en su estado de menor energía o equilibrio químico con su entorno. Este puede ser un equilibrio dinámico, en donde moléculas o átomos individuales cambian de forma, pero su número total en una forma o estado particular se conserva. Este tipo de equilibrio químico termodinámico se mantendrá indefinidamente a menos que el sistema sea modificado. Los sistemas químicos pueden incluir cambios en el estado de la materia o un grupo de reacciones químicas. La estabilidad termodinámica se aplica a un sistema particular. La reactividad de una sustancia química es una descripción de cómo podría reaccionar a través de una variedad de sistemas químicos potenciales. Sustacias químicas o estados pueden persistir indefinidamente aunque no sean el estado más bajo de energía si experimentan metaestabilidad - un estado estable solo si no es muy perturbado. Una sustancia puede ser cinéticamente persistente si está cambiando a otra sustancia o estado relativamente lento, y por lo tanto no es un equilibrio termodinámico. El "estado A" es más estable termodinámicamente que el "estado B" si la Energía libre de Gibbs del cambio de "A" a "B" es positiva.

1.3.5. PROPIEDADES MECÁNICAS:

Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada.

a. RESISTENCIA: La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.

Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Típicamente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular. Para el diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la teoría de la

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elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales. Esos problemas planteados en términos de tensiones y deformaciones pueden entonces ser resueltos de forma muy aproximada con métodos numéricos como el análisis por elementos finitos.

b. TENACIDAD: La tenacidad es la cantidad de energía (expresada en Julios) que un material absorbe antes de la rotura y viene representada por el área bajo la curva tensión-deformación del material. El valor de la tenacidad de un material no es único ya que depende, al igual que otras características de los materiales de la velocidad de aplicación de la carga, de la temperatura, etc. Experimentalmente puede medirse también mediante ensayos de impacto ya que si bien éstos proporcionan una medida de la

resiliencia (es la energía elástica que es capaz de absober un material, energía que es devuelta cuando se retira la carga que deforma el material y éste recupera su forma) del material, en

ensayos a gran velocidad el valor numérico de ambas características es similar al no producirse deformaciones plásticas. En condiciones reales y dependiendo de la velocidad de aplicación de la carga el valor de la tenacidad puede variar entre el valor obtenido en el ensayo de tracción (baja velocidad) y el de resiliencia (alta velocidad) ya que ambos ensayos emulan las condiciones extremas de una carga estática y un impacto respectivamente. Por lo que respecta a la influencia de la temperatura, al disminuir esta generalmente se incrementa la resistencia (mayor tensión de rotura) pero se disminuye la ductilidad (menor deformación) decreciendo la tenacidad del material. Aunque la tenacidad es un concepto válido para describir el comportamiento de un material y efectuar comparaciones entre materiales distintos carece de valor práctico, al igual que la fragilidad o ductilidad del material características éstas con la que está íntimamente relacionada. Para subsanar esta deficiencia se utiliza la tenacidad a la fractura cuyo valor permite predecir el comportamiento del material y por tanto su colapso (rotura frágil).

c. ELASTICIDAD: Designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan. La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores. La diferencia entre la TE y la MS es que la primera sólo trata sólidos en que las deformaciones son termodinámicamente reversibles. La propiedad elástica de los materiales está relacionada, como se ha

mencionado, con la capacidad de un sólido de sufrir transformaciones termodinámicas reversibles. Cuando sobre un sólido deformable actúan fuerzas exteriores y éste se deforma se

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produce un trabajo de estas fuerzas que se almacena en el cuerpo en forma de energía potencial elástica y por tanto se producirá un aumento de la energía interna. El sólido se comportará elásticamente si este incremento de energía puede realizarse de forma reversible, en este caso decimos que el sólido es elástico.

d. 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 (son defectos de la red cristalina de dimensión uno, es decir que afectan a una fila de puntos de la red de Bravai).

e. MALEABILIDAD: La maleabilidad es la propiedad que presentan algunos materiales de poder ser descompuestos en: láminas sin que el material en cuestión se rompa, o en su defecto, extendidos. Por ejemplo, los metales conocidos como metales maleables son aquellos que justamente cumplen con esta propiedad que mencionamos, el estaño, el cobre, el aluminio, entre otros, se caracterizan básicamente por su ductilidad, con esto queremos referir que los mismos pueden ser doblados, cortados,

ejerciendo una fuerte presión de llegar a ser necesario y el material no se rompe, algo que por supuesto no sucede con todos los materiales, entonces, esta cualidad es lo que determina su maleabilidad o no. Principalmente este tipo de metales suelen ser muy empleados con fines tecnológicos, especialmente a la hora de las soldaduras. Por otra parte, los metales maleables tienen otra ventaja, que es que presentan una escasa reacción, entonces, son muy poco plausibles de ser afectados por cuestiones como la corrosión o el óxido.

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f. DUCTILIDAD: Es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. Los materiales no dúctiles se clasifican de frágiles. Aunque los materiales dúctiles también pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo adecuado, esta rotura sólo se produce tras producirse grandes deformaciones. En otros términos, un material es dúctil

cuando la relación entre el alargamiento longitudinal producido por una tracción y la disminución de la sección transversal es muy elevada. En el ámbito de la metalurgia se entiende por metal dúctil aquel que sufre grandes deformaciones antes de romperse, siendo el opuesto al metal frágil, que se rompe sin apenas deformación. No debe confundirse dúctil con blando, ya que la ductilidad es una propiedad que como tal se manifiesta una vez que el material está soportando una fuerza considerable; esto es, mientras la carga sea pequeña, la deformación también lo será, pero alcanzado cierto punto el material cede, deformándose en mucha mayor medida de lo que lo había hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse.

g. FLUENCIA: La fluencia es la pérdida de estabilidad dimensional que se produce en algunos materiales cuando las tensiones aplicadas crecen por encima de un determinado valor, denominado límite de fluencia. Cuando se alcanza la fluencia el material se deforma inicialmente de modo creciente y rápido sin apenas cambio en las tensiones aplicadas y parte de la deformación producida permanecerá ya siempre aunque cesen las fuerzas que ocasionaron su fluencia. Un ensayo de tracción sobre el material permite establecer su límite de fluencia.

h. RIGIDEZ: Es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos. Los coeficientes de rigidez son magnitudes físicas que cuantifican la rigidez de un elemento resistente bajo diversas configuraciones de carga. Normalmente las rigideces se calculan como la razón entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido por la aplicación de esa fuerza.

i. DUREZA: Es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie. 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.En mineralogía se utiliza la escala de Mohs, creada por el austríaco Friedrich Mohs, que mide la resistencia al rayado de los materiales.

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17 Ing. Jean Edison Palma Vañez

Cuadro Nº1.5.

Dureza de algunos materiales

Dureza Mineral Composición química

1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña) Mg3Si4O10(OH)2 2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad) CaSO4·2H2O 3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO3 4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF2 5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo) Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-) 6 Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero) KAlSi3O8

7 Cuarzo, (raya el acero) SiO2

8 Topacio, Al2SiO4(OH-,F-)2

9 Corindón, (sólo se raya mediante diamante) Al2O3

10 Diamante, (el mineral natural más duro) C

j. ISOTROPÍA: Un material es isótropo cuando presenta iguales condiciones de elasticidad en cualquier dirección que se quiera deformarlo. Son isótropos los metales fundidos. Lo opuesto es la anisotropía.

k. TRACCIÓN: Se denomina tracción al esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.

l. COMPRESIÓN: Es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen o un acortamiento en determinada dirección.

m. FLEXIÓN: Se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal.

n. TORSIÓN: En ingeniería, torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.

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18 Ing. Jean Edison Palma Vañez

o. CIZALLADURA: Es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar.

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS PESO ESPECÍFICO

1. Investigue sobre la forma experimental de determinar el peso específico de los materiales. 2. Determine la masa de un cubo de 5 cm de arista si el material con que está construido es:

aluminio, cobre, bronce y oro

3. Un tambor vacío pesa 1,31 kgf; lleno de agua de mar, de ρ= 1,03 gf/cm3, pesa 2,855 kgf; lleno de aceite de oliva pesa 2,69 kgf. ¿Cuál es el peso específico del aceite? R: 0,92 gf/cm3

4. Un barril pesa vacío 18,4 kg; lleno de aceite, 224 kg. Se desea saber su capacidad en litros R: 223,478 litros

5. Un recipiente vacío pesa 380 g; con aceite hasta la mitad pesa 1208 g. ¿Cuál es en litros la capacidad del recipiente? R: 1,8 litros

6. Un recipiente vacío pesa 3 kgf. Lleno de agua pesa 53 kgf y lleno de glicerina, 66kgf. Hallar la densidad de la glicerina. R: 1260 kg/m3

7. En un proceso industrial de electro-deposición de estaño se produce una capa de 75x10-6 cm de espesor. Hallar la superficie que se puede cubrir con una masa de 1 kg de estaño cuya densidad es de 7,3 g/cm3. R: 182,6 m2

POROSIDAD

8. De una muestra de arena húmeda se quieren determinar algunas de sus propiedades. La muestra ocupa un volumen de 540 cm3, y su peso es 1015 g. Después de secarla durante 12 horas en horno a 105º C, su peso es 910 g y su densidad de partículas sólidas es 2,68 g/cm3 (26,8 kN/m3). Determinar: Densidad natural (densidad húmeda) o peso específico natural. Índice de huecos (o índice de vacíos). Porosidad. Humedad natural. Grado de saturación. 9. Se ha tomado una muestra de suelo de volumen 16.88 cm3. En estado natural su masa era

35.45 g y una vez desecada en estufa completamente, disminuyó hasta 29.63 g. Además, se determinó que la densidad relativa de las partículas sólidas era 2.68. Se pide calcular: a) peso específico aparente de la muestra. b) peso específico de la muestra seca. c) Humedad natural. d) Porosidad e índice de huecos.

10. Una muestra de suelo seco se mezcla uniformemente con un 16.2 % de agua, se amasa y se compacta en un molde cilíndrico. El volumen de la muestra ya compactada es de 0.987 litros y su masa 1605 g. Sabiendo que la densidad relativa de sus partículas sólidas es 2.6, determinar: a) Peso específico aparente de la muestra. b) Peso específico de la muestra de suelo seco. c) Porosidad e índice de huecos.

11. Se mezcla cierta cantidad de un suelo seco cuyas partículas sólidas presentan una densidad relativa de 2.7 con un 10'5 % de agua en peso. Esta mezcla se introduce en un cilindro de 150 mm de diámetro y 125 mm de altura y se compacta hasta que el volumen de aire dentro del suelo es el 5 % del volumen total. Suponiendo que la mezcla ha llenado completamente el cilindro, se pide: a) Determinar la masa del suelo seco utilizada. b) Obtener el peso específico del suelo seco compactado. c) Calcular el índice de huecos.

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19 Ing. Jean Edison Palma Vañez DILATACIÓN

12. Una viga de hormigón, del tipo que le afecta menos el calor, tiene una longitud de 12 m a -5°C en un día de invierno. ¿Cuánto medirá en un día de verano a 3-5°C?

13. Se calibra una regla de acero con una regla patrón a 22°C, de modo que la distancia entre las divisiones numeradas es de 10 mm. a) ¿Cuál es la distancia entre estas divisiones cuando la regla está a -5°C?, b) si se mide una longitud conocida de 1 m con la regla a esta baja temperatura, ¿qué porcentaje de error se comete?, c) ¿qué error se comete al medir una longitud de 100 m con la misma regla?

14. Un instalador eléctrico, no conocer de los efectos del calor sobre los objetos, tiende en forma tirante un alambre de cobre de 100 m de largo, en un día en que la temperatura es de 30°C. Obviamente, al bajar la temperatura a 0°C, se cortará. ¿Cuántos milímetros debería haber sido más largo el alambre, para que no se cortara?

15. En un tendido eléctrico de 100 kilómetros, se tienden dos cables paralelos, uno de aluminio y otro de cobre, la temperatura con que se colocan es de -5°C. a) sin hacer cálculos, ¿cuál será más largo a 20°C?, b) ¿Cuántos centímetros más largo será?

16. Para tender una línea férrea, se usan rieles de longitud 60 metros a 0°C, se sabe que la oscilación térmica en el lugar es entre los 0°C y los 35°C. ¿Qué distancia deberá dejarse entre riel y riel para que no se rompan?.

17. Una plancha de acero tiene dimensiones 4x6 m a 10°C. Si se calienta a 68°C. ¿Cuál será su incremento de superficie?

18. Se tiene un círculo de cobre de radio 1m con un orificio, en su centro, de radio 20 cm. ¿Cuál será la superficie del anillo que se forma si: a) se calienta desde 0°C a 50°C?, b) si se enfría desde 50°C a 0°C?. Considere datos iniciales para temperaturas iniciales.

19. Un marco de ventana es de aluminio, de dimensiones 60x100 cm. En un día a 20°C se instala un vidrio de los que más le afecta el calor. ¿Cuántos milímetros menos que las medidas del marco, por lado, deberá tener el vidrio? Si la oscilación térmica diaria puede ir de –2°C a 40°C. 20. Una plancha de aluminio tiene forma circular de radio 100 cm a 50°C. A qué temperatura su

superficie disminuirá en un 1%?

21. Un bulbo de vidrio está lleno con 50 cm3 de mercurio a 18 °C. Calcular el volumen (medido a 38 °C) que sale del bulbo si se eleva su temperatura hasta 38 °C. El coeficiente de dilatación lineal del vidrio es 9x10-6 °C-1 y el correspondiente cúbico del mercurio es 18x10-6 °C-1. Nota: se dilatan simultáneamente el bulbo (especie de vaso o recipiente) y el mercurio. Rpta 0,15 cm3

22. La densidad del mercurio a 0 °C es 13.6 g/cm3. Hallar la densidad del mercurio a 50 °C. Rpta 13.48 g/cm3

23. Hallar el aumento de volumen que experimentan 100 cm3 de mercurio cuando su temperatura se eleva de 10 a 35 °C. Rpta 0.45 cm3

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20 Ing. Jean Edison Palma Vañez

CAPITULO II

NORMALIZACIÓN

La normalización, es una disciplina que trata del establecimiento y adecuación de reglas destinadas a conseguir y mantener un ordenamiento dentro de un campo determinado, con el fin de procurar un beneficio a la sociedad, acordes con su desarrollo económico social. 1. DEFINICIÓN: La normalización es la actividad que consiste en la elaboración, difusión y

aplicación de las normas técnicas, encaminadas a establecer las características de calidad que debe reunir un producto, proceso o servicio.

2. OBJETIVOS Y VENTAJAS:

 Simplificación de la creciente variedad de producción y el procedimiento en la vida humana.

 Comunicación.

 Economía total.

 Salud, seguridad y protección de la vida.

 Protección del consumidor y la comunidad.

 Eliminación de las barreras comerciales.

 Examina datos y grupos de datos de una manera que mejor pueda acomodar futuros cambios en el negocio y de minimizar el impacto de estos cambios en sistemas de aplicación.

3. TIPOS: Existen dos tipos de normalización:

A. Normas Técnicas: Son documentos que establecen las especificaciones de calidad de los productos, procesos y servicios; su aplicación es de carácter voluntario. La elaboración es desarrollada por los comités técnicos de normalización, lo cual garantiza la participación pluralista de las partes involucradas en el tema a normalizar.

B. Normas Metrológicas: Son documentos de carácter obligatorio que establecen las características técnicas y Metrológicas de los medios de medición (balanzas, medidores de agua, surtidores de gasolina, etc.) utilizados en transacciones comerciales, que afectan directamente a los consumidores finales.

4. APLICACIÓN DE NORMAS: Las ventajas derivadas de la normalización, se logran sobre todo, como resultado de la aplicación de las normas, de manera que en un momento dado, constituyen un reflejo de la realidad tecnológica y socioeconómica.

5. LA NORMALIZACIÓN EN EL PERÚ:

A. Historia: Con la dación de la Ley N° 3270 de Promoción Industrial (noviembre de 1959). Se creó el Instituto Nacional de Normas Técnicas Industriales y Certificación (INANTIC) como el organismo técnico encargado de promover, estudiar, revisar, verificar y certificar las normas técnicas.

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21 Ing. Jean Edison Palma Vañez

B. Sistema Peruano de Normalización: Es aquel constituido por el organismo peruano de normalización y un conjunto de comités técnicos de normalización, encargados de la aprobación y elaboración de las normas técnicas peruanas respectivamente. Este sistema ha sido formulado con base en:

 Las directivas del código de Buenas Prácticas para la normalización de la organización para la normalización - 150.

 El acuerdo sobre obstáculos técnicos al congreso de la Organización Mundial del Comercio - OMC.

 La decisión 419 de la Comunidad Andina, “Sistema Andino de Normalización, acreditación, ensayos, certificación, reglamentos técnicos y metrología”.

Este sistema se ha constituido por un conjunto de reglamentos y guías peruanas que constituye el marco técnico y regulatorio del mismo; y presenta las siguientes características:  Las Normas Técnicas Peruanas, son de carácter recomendable.

 Las Normas Técnicas Peruanas, son aprobadas por el INDECOPI, a través de la Comisión de Reglamentos Técnicos y Comerciales.

 Las Normas Técnicas Peruanas, son elaborados por los comités Técnicos de Normalización. 6. METODOLOGÍA PARA LA ELABORACIÓN DE LA NORMA:

6.1. Definición del espacio a normalizar:

A. Materia: Dentro del campo dominante se deberá escoger la materia exacta a normalizar por ejemplo: En el campo de muebles se tiene una gran diversidad como muebles de hogar, mueble de oficina, mueble escolar, etc; si escogemos muebles escolares dentro de estos tenemos: mesas, sillas, armarios, escritorios para profesores, muebles para laboratorio. Entonces definimos un producto que puede ser mesas y sillas, pero además tenemos diferentes niveles de educación inicial, primaria, secundaria, técnica y diferentes materiales para la construcción como: madera, metal, fibra de vidrio, plásticos, etc. Luego definimos nuestra materia como: "SILLAS Y MESA DE MADERA PARA EDUCACIÓN

INICIAL"

B. Aspectos: Para asegurar la calidad del producto, debemos especificar sus requisitos y para comprobarla necesitamos los métodos de ensayo y de muestreo. Entonces los aspectos a normalizar son:

-Requisitos. -Métodos de ensayo. -Muestreo.

C. Nivel: Si la norma es para un país será a nivel nacional, si es para una entidad será a nivel de empresa.

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22 Ing. Jean Edison Palma Vañez D. Metodología:

Búsqueda de Información: Se requerirá la información siguiente:  Normas extranjeras.

 Bibliografía, estudios realizados al respecto.

 Determinar las ciencias relacionadas con el tema, como son: La agronomía, la antropometría y la tecnología de la madera.

Elaboración del documento: Para elaborar la norma de requisitos debemos considerar los puntos siguientes:

E. CREACIÓN DE INDECOPI:

En la lógica de lograr una efectiva protección de los principios que una economía de mercado implica, en noviembre de 1992 mediante el Decreto Ley N° 25868 se creó el Instituto Nacional de Defensa de la competencia y de la protección de la propiedad intelectual (Indecopi), como la entidad encargada de súper vigilar y promover el correcto funcionamiento de la economía de mercado en el Perú. El objetivo primordial del Indecopi es el impulsar mejoras en los niveles de competitividad de las Empresas y productos peruanos.

Funciones del Indecopi:

• Impulsar y difundir la libre competencia.

• Promover la participación adecuada de los agentes económicos en el mercado.

• Fomentar una competencia justa, leal y honesta entre los proveedores de bienes y servicios.

• Velar por el respeto de la libre competencia en el Comercio Internacional. • Reducir los costos de acceso y salida del mercado.

• Aprobar las normas técnicas y Metrológicas.

• Proteger todas las formas de propiedad intelectual desde los signos distintivos y los derechos de autor hasta las patentes y la biotecnología.

a. Normas a consultar. b. Objeto. c. Campo de aplicación. d. Definiciones. e. Símbolos y abreviaturas. f. Clasificación. g. Condiciones generales. h. Requisitos. i. Inspección y recepción. j. Métodos de ensayo. k. Rotulado envase y embalaje. l. Apéndices. m. Antecedentes. n. Índice

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23 Ing. Jean Edison Palma Vañez

CAPITULO III

SELECCIÓN DE MATERIALES

Los materiales de construcción constituyen un área muy importante en la formación de los ingenieros civiles. La gran diversidad de obras civiles en las que el ingeniero puede participar requieren de conocimientos básicos firmemente consolidados, y que le permitan, con la práctica profesional ahondar en la tecnología de los materiales empleados en la industria de la construcción. Para el ingeniero civil es muy importante optimizar los recursos económicos disponibles para construir las obras, esto lo puede lograr entre otras cosas haciendo buen uso tanto de los materiales baratos como de los materiales caros. A un lado de la búsqueda de una economía bien entendida, el ingeniero tiene la obligación de construir obras que además de ser seguras reflejen la mejor calidad de vida de sus ocupantes o usuarios, apegándose siempre a las especificaciones y reglamentos de construcción vigentes.

La selección de los materiales de construcción depende de muchos factores, y resulta difícil ser muy específico al respecto, como ejemplo considérese que la selección del material puede depender desde la disponibilidad del mismo en una determinada localidad hasta el gusto del dueño de la obra, quien puede decidirse por alguno o algunos de los materiales que se emplearán en la misma

1. CRITERIOS DE SELECCIÓN: En general, los métodos para la selección de materiales se basan en una serie de parámetros físicos, mecánicos, térmicos, eléctricos y de fabricación que determinan la utilidad técnica de un material. En la siguiente tabla [Tabla 3.1] se incluyen estas propiedades principales, junto con otras que debe considerar el diseñador a la hora de elegir un material.

2. COSTO Y DISPONIBILIDAD: Los aspectos económicos de la selección de los materiales son tan importantes como las consideraciones tecnológicas. Si no hay materia prima disponibles o componentes fabricados en la forma, dimensiones y cantidad deseadas, será necesario recurrir a sustitutos y/o procesados adicionales, que pueden repercutir de forma significativa en el precio del producto. Sin embargo, a menudo un diseño de producto se puede modificar para aprovechar las

dimensiones del material de partida y evitar así los gastos de producción adicionales. Asimismo, la confianza del suministro, así como la demanda afecta al costo; la mayor parte de los países importan numerosas material primas esenciales para la producción. En cuanto al procesado de materiales, los diferentes métodos implican diferentes costos.

Tabla Nº 3.1

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24 Ing. Jean Edison Palma Vañez

3. ASPECTO, VIDA EN SERVICIO Y RECICLADO: La apariencia de los materiales una vez fabricados influye en el consumidor. El color o la textura superficial son características que todos consideramos al tomar una decisión sobre la adquisición de un producto. Existen fenómenos importantes que dependen del tiempo y del servicio, como el desgate, la fatiga o la estabilidad dimensional, los cuales pueden afectar de forma significativa el funcionamiento de una producto y, de no ser controlado, pueden llevar al fallo total del mismo. El reciclado de los materiales, o la eliminación adecuada de sus componentes, al final de la vida en servicio útil del producto, se ha convertido en un tema cada vez más importante, debido la actual necesidad de conservar los recursos y de mantener un entorno limpio y saludable. Es el caso de los envases biodegradables, las botellas de vidrio o las latas de aluminio reciclables. También es una cuestión primordial el tratamiento y la eliminación apropiada de los desperdicios y materiales tóxicos.

4. MÉTODOS DE SELECCIÓN DE MATERIALES: Debido al alto número de factores que afectan la selección de materiales, el diseñador determina cuales son las propiedades más relevantes para la aplicación que se tiene y con base a ellas, realiza la selección. En general, los métodos para seleccionar materiales hacen una refinación más o menos amplia de estos parámetros. A. MÉTODO TRADICIONAL: Con este método, se escoge el material que se cree más adecuado,

en base a la experiencia de elementos que tiene un funcionamiento similar y que han mostrado buenos resultados. Las ventajas de este método radican en que el ingeniero se siente seguro con un material usado y ensayado. Un caso típico sería el del acero; las características de proceso del acero son bien conocidas, su disponibilidad está asegurada y generalmente en un gran porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin tratamiento térmico, evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos. Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un estudio real del ambiente de trabajo del componente o equipo, el cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material.

B. MÉTODO GRÁFICO: Este método se apoya en gráficos conocidos como mapas de materiales, en los que se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. El método fue diseñado exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente. Como es de esperarse, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una propiedad. Asimismo, estos diagramas muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales pueden variar en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos), generando un campo o zona en los mapas. En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades como resistencia, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, y costos. Partiendo del objetivo

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25 Ing. Jean Edison Palma Vañez

deseado y aplicando los criterios de trabajo, se determinan cuáles son las combinaciones de propiedades más importantes para un componente dado.

Ubicado el diagrama que presenta esta combinación, se entra en un campo que corresponde a una familia determinada de materiales. De los materiales que pertenecen a esta familia, se puede hacer una preselección, y posteriormente una selección, teniendo en cuenta otros criterios como costos, disponibilidad, durabilidad, efecto ambiental, etc. La ventaja estratégica del uso de los mapas, es que permite fácilmente reemplazar un material por otro que cumple igual función

C. MÉTODO DE BASES DE DATOS: En Internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales que han sido construidas para comercialización libre o son distribuidas por vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones en ensayos de materiales. Las bases de datos se dividen básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas. Dentro de las más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la NASA, etc. La selección de materiales con ayuda de estas bases de datos, parte del conocimiento de las principales propiedades que se deben tener para un fin específico. El programa pide entonces el valor aproximado de las propiedades que debe tener el componente y lista uno o varios materiales que pueden servir.

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26 Ing. Jean Edison Palma Vañez

5. ENSAYO DE MATERIALES: Examen o comprobación de una o más propiedades o características de un material, producto, conjunto de observaciones, etc., que sirven para formar un juicio sobre dichas características o propiedades. Se intenta de esta manera simular las condiciones a las que va a estar expuesto un material cuando entre en funcionamiento o en servicio.

Existen muchas formas de clasificar los tipos de ensayos que se realizan a los materiales, aquí se presenta alguna de las más importantes:

A. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYO: A.1. Según la rigurosidad del ensayo.

Ensayos científicos: Se obtienen resultados que se refieren a los valores numéricos de ciertas magnitudes físicas.

Ensayos tecnológicos: Se utilizan para comprobar si las propiedades de un determinado material son adecuadas para una cierta utilidad. Ejemplo: Doblado, plegado, forjado, embutición, soldadura, laminación, etc.

A.2. Según la naturaleza del ensayo.

Ensayos químicos: Permiten conocer la composición, tanto cualitativa como cuantitativa del material.

Ensayos metalográficos: Consisten en analizar la estructura interna del material mediante un microscopio.

Ensayos físicos: Se cuantifican, por ejemplo, la densidad, el punto de fusión, la conductividad eléctrica.

Ensayos mecánicos: Mediante los que se determina la resistencia del material cuando se somete a diferentes esfuerzos.

A.3. Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo.

Ensayos destructivos: Se produce la rotura o un daño sustancial en la estructura del material.

Ensayos no destructivos: Se analizan las grietas o defectos internos de una determinada pieza sin dañar su estructura.

A.4. Según la velocidad de aplicación de las fuerzas.

Ensayos estáticos: La velocidad de aplicación de las fuerzas al material no influye en el resultado del ensayo.

Durezas Tracción Compresión Cizalladura Flexión Pandeo Fluencia

Ensayos dinámicos: La velocidad de aplicación de las fuerzas al material juega un papel decisivo en el resultado del ensayo.

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27 Ing. Jean Edison Palma Vañez

CAPITULO IV

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor (Q) es una forma de energía que aparece como un flujo que se transmite entre dos puntos que se encuentran a diferente temperatura. Así, la transmisión de calor estudia las temperaturas y los flujos de calor en los procesos de transferencia térmica.

Esta transmisión de energía se produce desde las regiones de alta temperatura a las de baja por medio de alguno de los mecanismos conocidos: conducción, convección o radiación. 1. LA CONDUCCIÓN: Se produce a través de la masa de los cuerpos, con lo que se caracteriza por

medio de una característica del material conocida como conductividad térmica. Los átomos están juntos en el estado sólido, y aunque no pueden moverse de un lado a otro, tienen movimiento vibracional que, dependiendo de su magnitud, puede producir choques entre ellos. Es por estos choques por los que hay transferencia de energía de los átomos superiores energéticamente hacia los que tienen menos. De ahí que, cuando se habla de conducción, se habla de transferencia de energía en cuerpos sólidos. En un líquido es un tanto despreciable, y más bien la transferencia se rige por otros mecanismos. En los gases, definitivamente no se la considera. Se entiende, entonces, la diferencia entre los tres mecanismos de transferencia de calor: el sistema sobre el que actúan.  Al inicio: 1 ≫ 2 (Transferencia de Calor)

 Luego de un cierto tiempo: 1 > 2 (Transferencia de Calor)  Y cuando al fin se ha llegado al equilibrio: 1 = 2 (Equilibrio)

Para poder calcular la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro se aplica, en el caso de la conducción, la Ley de Fourier, que será explicada a continuación mediante un ejemplo, en el que se tiene la transferencia unidimensional de conducción de calor en una pared plana.

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28 Ing. Jean Edison Palma Vañez

La dirección de la transferencia de calor es función de la variación de las temperaturas, aunque siempre será perpendicular al área de transferencia, es decir, el calor es perpendicular a las isotermas. Al decir unidimensional, significa que dicha transferencia sigue una única dirección. Si se toma un volumen infinitesimal de la pared plana que se está analizando, se podrá calcular la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro.

Por otro lado, mediante experimentaciones se ha logrado determinar que el flujo calórico es directamente proporcional a la variación de temperaturas e inversamente proporcional al espesor del cuerpo:

Donde 𝑘 es la constante de conductividad térmica. Ésta es función de los materiales que participan en la conducción y, en algunos casos, de la temperatura.

Por tanto, las condiciones que se aplicarán son:  Transferencia de calor unidireccional  Conductividad térmica constante  Área de transferencia constante  Estado Estacionario: Δ ≠ 𝑓 𝑡

 No hay generación ni consumo de energía: = 0  No hay acumulación de energía: = +𝛥

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29 Ing. Jean Edison Palma Vañez

2. LA CONVECCIÓN: Se produce en el contacto de un sólido y un fluido, debiéndose a la existencia de dos mecanismos de transmisión, la conducción y la advención. La conducción se debe al contacto entre partículas, mientras que la advención, es la transmisión de calor debida al movimiento de las partículas del fluido. Este movimiento puede ser provocado tanto por la diferencia de densidades que produce un gradiente de temperatura (convección natural), y que provoca que el aire caliente suba y el frío baje, como al debido a un accionamiento mecánico (convección forzada), como con un ventilador. La convención es la transferencia de energía en la que, además de movimientos atómicos y moleculares, se genera por la formación de corrientes convectivas dadas por la diferencia de densidades microscópica o macroscópicamente. Una diferencia de temperaturas implica una diferencia de densidades, diferencias que a su vez generan corrientes convectivas. Así, se notará que este mecanismo de transferencia de calor también se produce a causa de una variación en la

temperatura.

En el caso de los fluidos, se habla de una capa límite. Capa límite es la capa que se forma entre el sólido (contenedor o recipiente) y el líquido (fluido). Constituye una interferencia en la transferencia de calor, y va de la temperatura caliente (Tc) a la temperatura ambiente (T∞), ya sea que la temperatura caliente es mayor a la temperatura ambiente o viceversa. El flujo calórico, por su parte, siempre va de la temperatura caliente a la temperatura fría (Tf).

Así, R es igual a la expresión 𝐿/𝑘 para la conducción unidimensional en una pared plana.

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