CIENCIAS DE LOS MATERIALES I

TEMA 1: CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

ING. JONATHAN SÁNCHEZ PAREDES

a) Conceptualizar sobre los diferentes tipos de materiales.

b) Presentar la relación entre ciencia de los materiales e ingeniería de materiales.

c) Presentar la relación entre procesamiento, estructura, propiedades y desempeño de un material.

OBJETIVOS:

CONTENIDO: 1. Ciencia e ingeniería de los Materiales. 2. Tipos de Materiales. 3. Competencia entre los materiales. 4. Avances en ciencia de los materiales.

1. LOS MATERIALES Y LA INGENIERÍA El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo. El mundo actual es de cambios dinámicos y los materiales no son la excepción. A través de la historia, el progreso ha dependido de las mejoras de los materiales con los que se trabaja.

El trabajo del hombre prehistórico estaba limitado a los materiales disponibles en la naturaleza como la piedra, madera, huesos y pieles. Con el transcurso del tiempo, pasaron de la Edad de Piedra a las nuevas edades de cobre (bronce) y de hierro. Debe mencionarse que este adelanto no sucedió de manera uniforme ni simultánea en todas partes (se verá que esto ocurre en la naturaleza, incluso a escala microscópica).

Aun hoy día existe esa limitación respecto a los materiales que se obtienen de la corteza terrestre y la atmósfera (tabla sig.). De acuerdo con el diccionario Webster, los materiales son sustancias con las que algo está compuesto o hecho. Aunque esta definición es amplia, desde una perspectiva de aplicación de la ingeniería, cubre casi todas las situaciones que interesan en este texto.

La producción y elaboración de los materiales hasta convertirlos en productos terminados constituyen una parte importante de la economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los sistemas de elaboración necesarios para su producción.

Dado que los materiales son necesarios para fabricar productos, los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades de los materiales, de tal manera que puedan elegir los más adecuados para cada aplicación y crear los mejores métodos para procesarlos.

Los ingenieros expertos en investigación y desarrollo crean nuevos materiales o modifican las propiedades de los existentes. Los ingenieros de diseño usan materiales actuales, modificados o nuevos para diseñar y crear nuevos productos y sistemas. En ocasiones los ingenieros requieren de un nuevo material para su diseño, y la tarea de crearlo será encomendada a científicos e ingenieros especialistas en investigación.

Por ejemplo, los ingenieros que estén proyectando un transporte público de alta velocidad (HSCT, por sus siglas en inglés) deberán crear nuevos materiales que soporten temperaturas de hasta 1 800°C (3 250°F), de modo que puedan alcanzarse velocidades del aire en el intervalo de 12 a 25 Mach1.

El objetivo principal de la ciencia de los materiales es el conocimiento básico de la estructura interna, las propiedades y la elaboración de materiales. La ingeniería de los materiales se interesa principalmente por el empleo del conocimiento fundamental y aplicado acerca de los materiales, de modo que éstos puedan ser convertidos en los productos que la sociedad necesita o desea.

El término ciencia e ingeniería de los materiales combina la ciencia de los materiales y la ingeniería de los materiales. En el espectro del conocimiento acerca de los materiales, la ciencia de los materiales se encuentra en uno de los extremos representando el conocimiento básico, y la ingeniería de los materiales se halla en el otro extremo representando el conocimiento aplicado, y no hay una línea divisoria entre las dos.

En la figura siguiente se muestra un diagrama con tres anillos que indica la relación entre las ciencias básicas (y las matemáticas), la ciencia de los materiales y la ingeniería (y otras de sus disciplinas).

Las ciencias básicas se ubican en el anillo interior o centro del diagrama, y las distintas disciplinas de la ingeniería (mecánica, eléctrica, civil, química, etc.) se ubican en anillo exterior. Las ciencias aplicadas, la metalurgia, la cerámica y la ciencia de los polímeros se ubican en el anillo de en medio.

Este diagrama muestra que la ciencia e ingeniería de los materiales forman un puente entre el conocimiento de las ciencias básicas (y las matemáticas) y las disciplinas de la ingeniería acerca de los materiales.

2. TIPOS DE MATERIALES

La pregunta más obvia que formulará el estudiante al comenzar un curso de introducción a los materiales es: «¿Cuáles son los materiales de los que se dispone?». Para contestar a esta pregunta con generalidad es posible dar varias clasificaciones.

En esta presentación se distinguirán cinco categorías que abarcan los materiales disponibles por los ingenieros en su práctica profesional: metales, cerámicos y vidrios, polímeros, compuestos y semiconductores.

M E TA LE S Si existe un material «característico» que el público en general asocia con la ingeniería es el acero estructural. Este versátil material de construcción posee varias características, o propiedades, consideradas como metálicas: en primer lugar es resistente y puede ser conformado fácilmente. En segundo lugar, su gran capacidad de deformación permanente, o ductilidad, es un factor importante que le permite deformarse poco frente a cargas súbitas y elevadas.

CERÁMICOS Y VIDRIOS El aluminio (Al) es un metal común, pero el óxido de aluminio, un compuesto de aluminio y oxígeno (A120 3), es característico de una familia completamente distinta de materiales para ingeniería: los materiales cerámicos. El óxido de aluminio tiene dos ventajas sobre el aluminio metálico: No se oxida y resiste altas temperaturas.

POLÍMEROS El mayor impacto de la moderna tecnología sobre la vida cotidiana ha sido realizado por la categoría de materiales denominados polímeros . Un nombre alternativo para esta categoría es el de plástivos, que describe la gran conformabilidad de muchos polímeros durante su fabricación.

MATERIALES COMPUESTOS Existe además un importante conjunto de materiales obtenidos por una combinación de materiales individuales pertenecientes a las categorías previas. Este cuarto grupo es el de los materiales compuestos, y quizá el mejor ejemplo lo constituya el plástico reforzado con fibra de vidrio. Este material compuesto, formado por una serie de fibras de vidrio embebidas en una matriz polimérica, es bastante común.

SEMICONDUCTORES La tecnología ha revolucionado claramente la sociedad, pero a su vez la electrónica de estado sólido está revolucionando la propia tecnología Un grupo relativamente pequeño de elementos y compuestos tiene una importante propiedad eléctrica, la semiconductividad, de manera que no son ni buenos conductores eléctricos ni buenos aislantes eléctricos. En lugar de ello, su capacidad para conducir la electricidad es intermedia.

3. COMPETENCIA ENTRE LOS MATERIALES Los materiales compiten entre sí en los mercados actuales y en los nuevos. A lo largo de un periodo surgen muchos factores que hacen posible la sustitución de un material por otro en determinadas aplicaciones. El costo es, por supuesto, un factor. Si se hace un descubrimiento importante en el procesado de determinado tipo de material, de modo que su costo se reduzca considerablemente, este material puede reemplazar a otro en algunas aplicaciones.

Otro factor que da lugar a la sustitución de los materiales es el descubrimiento de un material nuevo con propiedades especiales para algunas aplicaciones. Como resultado, al cabo de un periodo determinado, cambia el uso de distintos materiales.

En la figura siguiente se muestra gráficamente cómo ha variado la producción de seis materiales en Estados Unidos con base en las toneladas producidas. La producción de aluminio y polímeros muestra un notable aumento desde 1930. Con base en el volumen, el aumento en la producción de aluminio y polímeros se acentúa aún más dado que son materiales ligeros.

La competencia entre materiales es patente si se observa la composición del automóvil estadounidense. En 1978, el automóvil estadounidense medio pesaba 4000 libras (1 800 kg) y constaba de 60% de hierro y acero fundidos, entre 10 y 20% de plásticos y entre 3 y 5% de aluminio.

En contraste, el automóvil estadounidense de 1985 pesaba en promedio 3 100 libras (1 400 kg) y constaba de 50 a 60% de hierro y acero fundidos, entre 10 y 20% de plásticos y entre 5 y 10% de aluminio. Así, en el periodo 1978-1985 el porcentaje de acero disminuyó, el de los polímeros se incrementó y el del aluminio permaneció casi constante. En 1997, el peso medio del automóvil estadounidense era de 3 248 libras (1 476 kg), y los plásticos representaba alrededor de 7.4% de ese peso.

La tendencia a emplear materiales en automóviles parece ir en aumento en aluminio y acero y ser menor en acero fundido. La cantidad de plásticos (en porcentaje) en automóviles parece ser casi la misma (figura sig).

HSLA – Acero de baja aleación de alta resistencia.

4. AVANCES RECIENTES EN LA CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES En las últimas décadas han surgido varias iniciativas interesantes en la ciencia de los materiales que podrían revolucionar el futuro de este campo. Los materiales y dispositivos inteligentes a escala de tamaño micrométrico, así como los nanomateriales, son dos clases que afectarán profundamente a todas las industrias principales.

Materiales inteligentes Algunos materiales han estado presentes durante años pero hoy día se están encontrando más aplicaciones para ellos. Tienen la capacidad de detectar estímulos ambientales externos (temperatura, esfuerzo, luz, humedad y campos eléctricos y magnéticos) y como respuesta a éstos modifican sus propiedades (mecánicas, eléctricas o su aspecto), su estructura o sus funciones. Estos materiales se denominan genéricamente materiales inteligentes.

Los materiales inteligentes o los sistemas que los emplean están formados por detectores y accionadores. El componente detector descubre un cambio en el ambiente y el accionador realiza una función o emite una respuesta específica. Por ejemplo, algunos materiales inteligentes cambian de color o lo producen al exponerse a cambios de temperatura, intensidad de la luz o una corriente eléctrica.

Algunos de los materiales inteligentes más importantes, desde una perspectiva tecnológica, que pueden hacer las veces de accionadores, son las aleaciones con memoria de forma y las cerámicas piezoeléctricas. Ya coladas, las aleaciones con memoria de forma regresan a su forma original después de un aumento de temperatura superior a una temperatura de transformación crítica.

El regreso a la forma original se debe a un cambio en la estructura cristalina por encima de la temperatura de transformación. Una aplicación biomédica de las aleaciones con memoria de forma se da en la endoprótesis vascular para sostener paredes arteriales debilitadas o para expandir arterias obstruidas.

La endoprótesis deformada se coloca con una sonda dentro de la arteria en la posición adecuada y luego se expande a su forma y tamaño originales después de que alcanza la temperatura corporal. A modo de comparación, el método convencional de expandir o dar soporte a una arteria es mediante el empleo de un tubo de acero inoxidable que se expande con un globo. Son ejemplos de aleaciones con memoria de forma las de níquel y titanio, y las de cobre-zinc-aluminio.

Los accionadores pueden ser también materiales piezoeléctricos. Los materiales producen un campo eléctrico cuando se les expone a una fuerza mecánica. A la inversa, un cambio en un campo eléctrico externo producirá en el mismo material una respuesta mecánica.

Estos materiales pueden emplearse para detectar y reducir vibraciones indeseables de un componente por medio de la respuesta de su accionador. Cuando se detecta una vibración, se aplica una corriente para producir una respuesta mecánica que compensa el efecto de aquélla.

Considérese ahora el diseño y creación de sistemas a escala micrométrica que emplean materiales y dispositivos inteligentes con la finalidad de detectar, comunicar y accionar: así es el mundo de los sistemas microelectromecánicos (MEM).

Los MEM se empleaban como detectores o accionadores. Sin embargo, hoy el término “MEM” se ha ampliado para incluir cualquier dispositivo miniaturizado. Las aplicaciones de los MEM son numerosas, e incluyen

Los MEM se empleaban como detectores o accionadores. Sin embargo, hoy el término “MEM” se ha ampliado para incluir cualquier dispositivo miniaturizado. Las aplicaciones de los MEM son numerosas, e incluyen microbombas, sistemas de bloqueo, motores, espejos y detectores.

Por ejemplo, los MEM se emplean en las bolsas de aire para automóviles, con la finalidad de detectar tanto la desaceleración como el tamaño de la persona que está en el automóvil y para abrir la bolsa cuando se alcanza la velocidad apropiada.

Aleaciones con memoria de forma empleadas como endoprótesis vasculares para expandir arterias obstruidas o dar soporte a arterias débiles: a) endoprótesis de prueba, b) endopróteis posicionada en una arteria dañada para soportarla. (Fuente: http :// www . designinsite . dk / htmsider / inspmat . htm.) Por cortesía de Nitinol Devices & Components © Sovereign/Phototake NYC

Nanomateriales Suelen definirse como aquellos que tienen una escala de longitudes característica (esto es, diámetro de las partículas, tamaño de los granos, el espesor de las capas, etc.) menor a 100 nm (1 nm = 10−9 m).

Las primeras aplicaciones de los nanomateriales fueron en forma de catalizadores químicos y pigmentos. Los técnicos metalúrgicos han estado conscientes siempre de que al refinar la estructura de los granos de un metal hasta alcanzar niveles ultrafinos (escala submicrónica), su resistencia y dureza aumentan considerablemente en comparación con el metal a granel de grano grueso (escala micrónica).

Fuentes: Internet – Wikipedia. Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales –

Shackelford. Fundamentos de ciencia en ingeniería de materiales –

W. Smith

GRACIAS POR SU ATENCIÓN