Materiales de Construcción: Introducción

Introducción a los Materiales de Construcción

• La disciplina eventualmente supera a la inteligencia

Tipos de Materiales

• Los primeros materiales usados por el ser humano se clasifican según las edades de piedra, bronce y hierro

Los Primeros Materiales

• Edad de Piedra: Se caracteriza por el uso de piedras afiladas como herramientas y el nacimiento de la alfarería
• Edad de Bronce: Marcada por el descubrimiento del cobre metálico y, después de 1000 años, la aleación de cobre y estaño para crear bronce, que funde a menor temperatura y es más tenaz
• Edad de Hierro: El hierro, más duro que el bronce, se trabaja en caliente, dando origen al hierro forjado, que puede soldarse y moldearse

Clasificación y Elección de Materiales

• La elección de los materiales depende de sus propiedades, formas de trabajo, disponibilidad, precio e impacto ambiental

Nuevos Materiales

• Se caracterizan por propiedades como la piezoelectricidad y la superconductividad, y se utilizan en ingeniería, construcción y aplicaciones espaciales
• Piezoelectricidad: Propiedad de ciertos materiales de generar electricidad en respuesta a la presión mecánica
• Superconductividad: Propiedad de algunos materiales de no perder energía y repeler campos magnéticos
• Superplasticidad: Capacidad de deformación manteniendo la homogeneidad

Metales

• Se clasifican en férricos (contienen hierro) y no férricos, y estos últimos se dividen en ligeros y ultraligeros
• La extracción de metales se realiza mediante minas subterráneas o explotaciones a cielo abierto
• Los metales no férricos como el cobre, bronce, latón, estaño, cinc y aluminio, y los férricos como el acero y las fundiciones tienen diversos usos
• El titanio se utiliza en aeronáutica, medicina, etc.

Polímeros

• Conocidos por su historia con el celuloide en el siglo XIX, seguidos por la baquelita y el PVC en el siglo XX
• En la década de 1930 surgieron el Nylon-PVA-PS-PU, y en 1945 el PE-PETE-ABS-PET-PC
• Pueden ser duros, resistentes, flexibles, elásticos e inertes
• Se clasifican en naturales, artificiales y sintéticos

El Mundo Material y la Calidad de Vida

• Las posesiones materiales influyen en las relaciones sociales y la calidad de vida
• La puntualidad, responsabilidad, disciplina, estudio, trabajo y ahorro son pasos para salir de la pobreza
• El INDEC define como pobre a la familia que no cubre necesidades básicas y como indigente a la persona sin alimentos para cubrir necesidades proteicas y energéticas

Los Primeros Materiales y Herramientas

• Las herramientas y armas de los ancestros son posesiones materiales importantes
• La denominación de cada era se basa en los materiales usados para las herramientas y armas
• 2 Samuel 12:31 menciona el uso de sierras, trillos y hachas de hierro
• Deuteronomio 19:5 se refiere al uso del hacha para cortar leña

Eras de los Materiales

• La Edad de Bronce (2000 a.C. - 1000 a.C.) marca el inicio de la metalurgia con aleaciones de cobre y estaño
• La Edad de Hierro (1000 a.C. - 1 a.C.) ve el reemplazo del bronce por aleaciones de hierro hacia el 500 a.C.

Otros Materiales Antiguos

• Las vasijas de arcilla cocida y objetos de vidrio (4000 a.C. en Mesopotamia) son descripciones de culturas humanas
• El siglo XX se conoce como la "era del plástico"
• Alternativamente, la "edad del silicio" debido al impacto de la tecnología del silicio en equipos electrónicos

Tipos de Materiales Disponibles

• Los ingenieros disponen de metales, cerámicos, vidrios, polímeros, compuestos y semiconductores

Metales

• El acero estructural es un material clave asociado a la ingeniería
• Resistencia, fácil conformación y ductilidad permiten poca deformación ante cargas súbitas
• Ventanas de vidrio se rompen pero marcos de acero operan en sismos
• Superficie recién cortada muestra brillo metálico y conduce la electricidad

Elementos Metálicos

• Los elementos químicos de la tabla periódica (sombreados) forman las aleaciones para ingeniería
• Incluyen aleaciones de hierro, aluminio, magnesio, titanio, níquel, cinc y cobre

Cerámicos y Vidrios

• El óxido de aluminio (Al2O3) es característico de los materiales cerámicos
• Es químicamente estable y tiene alta temperatura de fusión (2020 °C)
• El aluminio metálico se oxida y funde a 660 °C
• El Al2O3 es un refractario para hornos industriales
• Tiene fragilidad que se limita su uso en aplicaciones estructurales

Avances en Cerámicos

• El nitruro de silicio (Si3N4) es un candidato para motores de alta temperatura
• La superconductividad y la resistencia aumentan su uso

Estructura de Cerámicos y Vidrios

• Metales y cerámicos tienen estructura cristalina
• Los cerámicos pueden fabricarse en forma no cristalina (vidrio)

Propiedades de Vidrios y Vitrocerámicas

• Comparten fragilidad, transmiten luz visible y son inertes
• Las vitrocerámicas (aluminosilicatos de litio) se desvitrifican con tratamiento térmico adecuado y resisten la fractura por cambios rápidos de temperatura

Polímeros: Plásticos

• Son artificiales o sintéticos y forman una rama de la química orgánica
• El monómero (ej. etileno C2H4) crea cadenas largas
• El polietileno (-C2H4-)n varía de 100 a 1000 repeticiones

Propiedades de Polímeros

• El polietileno tiene carbono e hidrógeno
• Los acrílicos contienen oxígeno, nylons nitrógeno, los fluorados flúor y las siliconas silicio
• Los plásticos comparten la propiedad mecánica
• Alternativa de bajo coste o baja densidad frente a metales
• Tienen menor resistencia y temperatura de fusión, y mayor reactividad química

Tipos de Polímeros:

• Polímeros se pueden clasificar como naturales, sintéticos, plásticos, fibras, elastómeros
• Elastómeros se pueden clasificar como, sintéticos, naturales, poliuretano, neopreno

Materiales Compuestos

• Plástico reforzado con fibra de vidrio: Fibras de vidrio en una matriz polimérica
• La combinación aumenta la resistencia y ductilidad
• Madera es un excelente ejemplo de material compuesto natural
• Hormigón es un material granular con arena y grava en cemento de silicato.
• Fotos se muestran un ejemplos de materiales compuestos

Semiconductores

• Pequeño grupo de elementos tiene la semiconductividad
• No son buenos ni malos conductores
• Su capacidad de conducir es Intermedia

Elementos Semiconductores

• Los elementos semiconductores se muestran en gris oscuro
• Los elementos semiconductores utilizados en sus compuestos se muestran en gris claro

Cerámicos y Polímeros

• Los cerámicos, polímeros y semiconductores son principalmente malos conductores y buenos aislantes
• El silicio (Si) y germanio (Ge) son ejemplos de semiconductores comunes
• El control de pureza química permite controlar propiedades electrónicas

Estructura y Propiedades

• Para comprender las propiedades, es necesario comprender la estructura a escala atómica o microscópica
• Algunas son dúctiles y otras son frágiles
• Aleaciones de aluminio son dúctiles mientras que de magnesio son frágiles
• La estructura cristalina: Empaquetamiento cúbico (aluminio) y hexagonal (magnesio)

Ductilidad y Fragilidad

• Ductilidad depende de la facilidad para la deformación mecánica a escala atómica
• En Aluminio es cuatro veces más fácil que deformar el magnesio el estar en su estado cristalino
• Los cerámicos comerciales se fabrican calentando polvos cristalinos
• La porosidad residual reduce la transparencia

Refractación

• A1203 -aire (Oxido de Aluminio) en la superficie del un poro refracta a la luz
• La estructura puede ser opaco o transparente

Procesado y Fabricación

• El empleo de materiales depende de la capacidad de fabricación
• Requiere conocimiento del material y efectos de la fabricación
• Varía desde moldeo hasta microcircuitos electrónicos

Selección de Materiales

• La selección es una decisión final en el diseño
• En primer lugar, elegir tipo de material adecuado
• Debe encontrarse el mejor material específico dentro de cada categoría
• Tener en cuenta la función es la que dará forma y dirección al material

Consideraciones al seleccionar Materiales

• Los cerámicos carecen de la ductilidad para soportar el manejo
• Los metales son excelentes porque proporcionan buena defensa y excelente ductilidad
• El costo es un gran factor a tener en cuenta al escoger un material por encima de otro

Lista de Materiales

• La lista de materiales comerciales puede ser muy grande
• Es necesario comparar las comparaciones en cada paso
• Los materiales con mejores propiedades pueden dominar en la selección
• La resistencia a la fatiga es la capacidad del material para someterse a un número de cargas ciclicas mientras que la resistencia a la fluencia es la aptitud de un material para resistir el estiramiento durante periodos prolongados a temperaturas elevadas