introduccion tecnologia industrial

7/24/2019 introduccion tecnologia industrial

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1.1. El mundo material1.2. Ciencia e ingeniera de materiales

1.3. Seis materiales que cambiaron el mundo1.4. Procesado y seleccin de materiales1.5. Comparando materiales por orden de magnitud


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1.1. El mundo material

Vivimos en un mundo de posesiones materiales que define en gran medida nuestras

relaciones sociales y nuestra calidad de vida. Las posesiones materiales de nuestros

primeros antepasados eran probablemente sus herramientas y sus armas. De hecho,el modo ms comn de denominacin de cada era en las primeras civilizaciones

humanas es en trminos de los materiales con los que se hacan esas herramientas y

armas. La Edad de Piedra se ha remontado hasta unos 2,5 millones de aos atrs,

cuando los primeros homnidos cortaban piedras con el fin de utilizarlas como ar-

mas de caza. La Edad de Bronce, que corresponde aproximadamente al periodo

comprendido entre los aos 2000 a. C. y 1000 a. C., representa el inicio de la meta-

lurgia, con el descubrimiento de aleacionesde cobre y estao para producir mejores

armas y herramientas (unaaleacines un metal compuesto de ms de un elemento).

Los arquelogos contemporneos apuntan que existi en Europa una etapa ante-

rior, aunque menos conocida, la Edad del Cobre, aproximadamente entre los aos

4000 a. C. y 3000 a. C., durante la cual se emple cobre relativamente puro antes deque se dispusiera de estao. La limitada utilidad de estos productos de cobre pro-

porcion una primera leccin acerca de la importancia de la adicin de aleantes

adecuados. LaEdad del Hierrodefine al perodo comprendido entre los aos 1000

a. C. y 1 a. C. Hacia el ao 500 a. C. las aleaciones de hierro haban reemplazado

ampliamente al bronce en las herramientas y armas realizadas en Europa.

Aunque los arquelogos no hacen referencia a una Edad del Barro o de la

alfarera, la realidad es que la presencia de vasijas para uso domstico hechas a par-

tir de arcilla cocida ha proporcionado algunas de las mejores descripciones de las

culturas humanas durante miles de aos. De forma similar, se han descubierto obje-

tos de vidrio que se remontan al ao 4000 a. C. en Mesopotamia.

Algunas veces se denomina la cultura moderna en la segunda mitad del si-glo XX como la del plstico, en una referencia, no totalmente de alabanza, a los

materiales polimricos, de poco peso y econmicos, con los que se hacen tantos

productos. Algunos observadores, en cambio, han sugerido que este mismo perodo

de tiempo debera designarse como la edad del silicio dado el gran impacto de

los equipos electrnicos modernos, basados fundamentalmente en la tecnologa del

silicio.

En la Figura 1.1 se ilustra un curioso resumen visual de la importancia relativa

de los materiales para ingeniera en el transcurso de la historia humana. Aunque la

escala temporal no es lineal debido a la cada vez ms rpida evolucin de la tecno-

loga en los ltimos tiempos, puede comprobarse que el papel cada vez ms domi-

nante de las aleaciones metlicas alcanz un mximo tras la Segunda Guerra Mun-dial. Desde la dcada de los sesenta, las presiones por el ahorro de costes y peso han

llevado a una creciente demanda de nuevos y sofisticados materiales no metlicos.

En la Figura 1.1 la importancia relativa en las edades de piedra y de bronce est

basada en las hiptesis de los arquelogos, la de la dcada de los sesenta en la do-

cencia en las universidades sealadas de Estados Unidos e Inglaterra, y la de 2020

en predicciones de los fabricantes de automviles.

2 Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros


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Figura 1.1. La evolucin de la ingeniera de materiales con el tiempo. Ntese que la escala no es lineal (M. F. Ashby,Materials Selection in Mechanical Design,2nd ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999.)

1.2. Ciencia e ingeniera de materiales

Desde la dcada de los sesenta, el trmino que ha venido a designar a la rama de la

ingeniera concerniente a los materiales es ciencia e ingeniera de materiales. Estadenominacin es precisa debido a que este campo es una verdadera combinacin de

estudios cientficos, bsicos, y de prctica ingenieril. Este mismo campo ha ido cre-

ciendo para incluir contribuciones de otros ms tradicionales, entre los que se in-

cluyen la metalurgia, la ingeniera de los cermicos, la qumica de los polmeros, la

fsica del estado slido y la fsica qumica.

El trmino ciencia e ingeniera de materiales realiza una funcin especial en

este libro introductorio, ya que proporciona la base para la organizacin del texto.

En primer lugar, la palabracienciahace referencia a los temas tratados en los Cap-

tulos 2 a 10, que tratan de los fundamentos de la estructura, clasificacin y propie-

dades. En segundo lugar, la palabra materiales hace referencia a los Captulos 11

a 13, donde se habla de los cinco tipos de materiales estructurales (Captulos 11y 12), y varios materiales electrnicos, especialmente semiconductores (Captu-

lo 13). Finalmente la palabra ingeniera hace referencia al Captulo 14, de apli-

cacin de los materiales, donde se discute el aspecto esencial de seleccin del ma-

terial adecuado para cada aplicacin, junto a aspectos de degradacin ambiental.

Informacin adicional relativa a los Captulos 11 a 14 est disponible en la direc-

cinwww/prenthall/shackelford.

Captulo 1. Materiales para ingeniera 3


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1.3. Seis materiales que cambiaron el mundo

La pregunta ms obvia que formular el estudiante al comenzar un curso de intro-

duccin a los materiales es: Cules son los materiales de los que se dispone?.

Para contestar a esta pregunta con generalidad es posible dar varias clasificaciones.

En este libro se distinguirn seis categoras que abarcan los materiales disponibles

por los ingenieros en su prctica profesional: metales, cermicos y vidrios, polme-

ros, compuestos y semiconductores. A continuacin se introduce cada categora con

un simple ejemplo.

Puentes de acero. Introduccin a los metales

Si existe un material caracterstico que el pblico en general asocia con la inge-

niera es el acero estructural. Este verstil material de construccin posee varias

caractersticas, o propiedades, consideradas comometlicas. En primer lugar es re-sistente y puede ser conformado fcilmente. En segundo lugar, su gran capacidad de

deformacin permanente, o ductilidad, es un factor importante que le permite de-

formarse poco frente a cargas sbitas y elevadas. Por ejemplo, muchos california-

nos han podido observar, durante sesmos moderados, que las ventanas de vidrio,

que es relativamente frgil (esto es, sin ductilidad) se rompen, mientras que sus

marcos de acero continan funcionando con normalidad. En tercer lugar, la superfi-

cie recin cortada del acero muestra un brillo metlico caracterstico; y en cuarto

lugar, una barra de acero comparte una caracterstica fundamental con otros meta-

les: es una buena conductora de la corriente elctrica.

Uno de los usos ms comunes del acero estructural es en la construccin de

puentes, y uno de los ejemplos ms conocidos es el Golden Gate, que conecta SanFrancisco (California) con el condado de Marn, hacia el norte (Figura 1.2). Su

inauguracin el 27 de mayo de 1937 permiti a 200.000 residentes locales pasear

por esta impresionante estructura. Al da siguiente fue abierto al trfico rodado, y

hoy todava continua siendo una parte importante para el desarrollo de la vida en la

baha de San Francisco. Durante muchos aos el Golden Gate tuvo el ttulo del

puente ms largo de suspensin en el mundo (2.737 m). Nuevas tcnicas de cons-

truccin de puentes han hecho que otros lleven este ttulo, pero el Golden Gate es

todava, en palabras de un historiador local, una sinfona en acero.

Los puentes de acero continan siendo una combinacin de funcionalidad y be-

lleza, siendo el puente Sundial (reloj solar), en Redding (California) un ejemplo ad-

mirable (Figura 1.3). Diseado por el famoso arquitecto espaol Santiago Calatra-va, es una pasarela peatonal de 66 m que une la red local de senderos al parque de la

baha de las tortugas. Nuevos puentes similares existen, no slo como arte escultri-

co. El envejecimiento de las infraestructuras, incluyendo a muchos puentes cons-

truidos en el siglo pasado, es un reto para los ingenieros, requiriendo el manteni-

miento o la sustitucin de estas importantes estructuras.

En el Captulo 2 se definir la naturaleza de los metales y se encuadrar en rela-

cin con la de las dems categoras. Es bastante til examinar el comportamiento

metlico de los elementos qumicos conocidos. La Figura 1.4 muestra los elementos

qumicos de la tabla peridica que son inherentemente metlicos. Como se ve, se



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Figura 1.2. El puente Golden Gate, situado al norte de la Bah a de San Francisco, California. Es uno de los ms famosos yms bellos puentes de acero. (Cortesa del Dr. Michael Meier.)

Figura 1.3. El puenteSundial en Redding,

California, una obra maestradel diseo moderno de

puentes. (Cortesa de Corbis.)



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1H

3Li

4Be

I A

II A III A IV A V A VI A VII A

VIII

III B IV B V B VI B VII B I B II B

11

Na

12

Mg

13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

2He

O

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

57La

87Fr

88Ra

89Ac

104Rf

105Db

106Sg

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lw

85At

86Rn

Figura 1.4. Tabla peridicade los elementos, en la que sehan sombreado aquelloselementos inherentementemetlicos.

trata de una familia bastante amplia. Los elementos que aparecen sombreados en la

Figura 1.4 constituyen la base de las diversas aleaciones para ingeniera, incluyendo

los hierros y los aceros (base hierro), las aleaciones de aluminio (Al), las de magne-

sio (Mg), las de titanio (Ti), las de nquel (Ni), las de cinc (Zn) y las de cobre (Cu),

[incluyendo los latones (Cu-Zn)].

Lmparas Lucalox. Introduccin a los cermicos

El aluminio (Al) es un metal comn, pero el xido de aluminio, un compuesto de

aluminio y oxgeno (Al2O3), es caracterstico de una familia completamente distinta

de materiales para ingeniera: losmateriales cermicos. El xido de aluminio tienedos ventajas principales sobre el aluminio metlico. La primera es que el Al2O3es

qumicamente estable en una gran variedad de ambientes severos, en los que el alu-

minio metlico se oxidara (trmino que se describir con detalle en el Captulo 14).

De hecho, un producto normal de reaccin en la degradacin qumica del aluminio

es el xido, con una mayor estabilidad qumica. La segunda ventaja es que el cer-

mico Al2O3 tiene una temperatura de fusin significativamente mayor (2020oC)

que el aluminio metlico (660 oC). Esto hace del Al2O3un refractario bastante co-

mn (esto es, un material resistente a las altas temperaturas, ampliamente utilizado

en la construccin de hornos industriales), con ejemplos como los ilustrados en la

Figura 1.5.

Puesto que tiene mejores propiedades qumicas y mayor resistencia a altas tem-peraturas, por qu no se utiliza el Al2O3en ciertas aplicaciones, como por ejemplo

en motores de automviles, en lugar del aluminio metlico? La respuesta a esta pre-

gunta se encuentra en la propiedad ms desfavorable de los cermicos: su fragili-

dad. El aluminio y otros metales tienen alta ductilidad, una propiedad deseable que

les permite soportar cargas de impacto relativamente severas sin romperse, mientras

el xido de aluminio y otros cermicos no pueden hacerlo. Esta fragilidad elimina a

los cermicos de la seleccin en muchas aplicaciones estructurales.

Un logro significativo en la tecnologa de los materiales ha sido el desarrollo de

las cermicas transparentes, que ha hecho posible nuevos productos, y la mejora



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Figura 1.5. Algunos cermicos comunes para aplicaciones tcnicas tradicionales. Estaspiezas, con una resistencia caracterstica a las altas temperaturas y a los ambientes

corrosivos, se utilizan en diferentes hornos y sistemas qumicos de procesado. (Cortesa deDuramic Products, Inc.)

substancial de otros (por ejemplo alumbrado comercial). Convertir cermicas tradi-cionalmente opacas, como la almina, en materiales transparentes, requiere un cam-

bio fundamental en las tcnicas de produccin. Las cermicas comerciales se fabri-

can calentando polvos cristalinos a alta temperatura, hasta que se forma un producto

denso y resistente. La cermica tradicional as fabricada tiene una porosidad resi-

dual, que se corresponde con los huecos entre las partculas de polvo, antes de la

consolidacin a alta temperatura (ver el Cuadro La estructura define las propieda-

des). Una reduccin significativa de la porosidad se consigue con un invento sim-

ple, la adicin de una pequea cantidad de impurezas (0,1% de MgO), que produce

la densificacin total de la almina. Tubos de almina translcida son la base del

diseo de las lmparas de vapor de sodio (1.000 oC), que proporcionan un mejor

rendimiento para iluminacin que las bombillas convencionales (100 lumens/W,

frente a 15 lumens/W). Una lmpara de sodio comercial se muestra en la Figura 1.6.

El xido de aluminio es un cermico tradicional caracterstico, siendo otros

buenos ejemplos el xido de magnesio (MgO) y la slice (SiO2). Adems, el SiO2constituye la base de la amplia y compleja familia de los silicatos, que incluye las

arcillas y los materiales arcillosos. El nitruro de silicio (Si3N4), mencionado ante-

riormente, es un importante cermico no oxdico empleado en toda una serie de

aplicaciones estructurales. La mayor parte de los cermicos con importancia comer-

cial son compuestos qumicos constituidos por al menos un elemento metlico (va-

se la Figura 1.4) y uno de los cinco elementos no metlicosque se indican (C, N, O,

P o S). En la Figura 1.7 se muestra la enorme variedad de materiales cermicos que

es posible producir combinando metales (en color claro) con los cinco elementos no

metlicos (en color oscuro). Hay que tener en cuenta que muchos cermicos comer-ciales incluyen compuestos con ms de dos elementos, al igual que una aleacin

metlica comercial est constituida por muchos elementos.

Figura 1.6. Bombilla de vapor de sodio, de altatemperatura, hecha con un tubo de almina traslcida, que

contiene el vapor de sodio (este tubo de almina est dentrode una cubierta exterior de vidrio). (Cortesa de General

Electric Company.)



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La estructura define las propiedades

EL MUNDO DE LOS MATERIALES

Para comprender las propiedades, o caractersticasobservables de los materiales en ingeniera, es nece-

sario comprender su estructura. Como se ver, todas

las propiedades de cada una de las seis categoras de

materiales se relacionan con mecanismos que ocu-

rren a pequea escala (atmica o microscpica).

El efecto de la microestructura en las propieda-

des macrscopicas se ilustra con el desarrollo de

cermicas transparentes, citada en la introduccin a

los cermicos. La porosidad residual a escala mi-

croscpica del xido de aluminio tradicional (como

se muestra en a y b) ocasiona una prdida de latransmisin de luz visible (prdida de transparen-

cia) debido a mecanismos de dispersin de luz. Ca-

da interfase almina-aire en la superficie del poro

es una fuente de refraccin de luz (cambio de direc-

cin). Un 0,3 % de porosidad hace que la alminasea traslcida (capaz de transmitir una imagen difu-

sa), un 3% de porosidad hace el material completa-

mente opaco. La eliminacin de porosidad que se

consigue con la patente Lucalox (adicin de 0,1 %

en peso de MgO) produce una estructura sin poros

y un material casi transparente (se muestra en c y

d) con una importante propiedad adicional: una ex-

celente resistencia al ataque qumico por vapor de

sodio a alta temperatura.

El ejemplo citado es una demostracin de cmo

las propiedades de los materiales de ingeniera serelacionan con su estructura. En este libro, debe es-

tarse atento a las constantes demostraciones de esta

relacin para todos los materiales de inters para

los ingenieros.

(a)

(b)

50 m 50 m

(c)

(d)

Una estructura microporosa del Al2O3 policristalino (a)da un material opaco (b). Una estructura casi libre de

poros de Al2O3 policristalino (c) da un material traslcido (d). (Cortesa de G. E. Scott, General Electric Com-

pany.)



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1H

3Li

4Be

I A

II A III A IV A V A VI A VII A

VIII

III B IV B V B VI B VII B I B II B

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

2He

O

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

57La

87Fr

88Ra

89Ac

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lw

85At

86Rn

104Rf

105Db

106Sg

Figura 1.7. Tabla peridica delos elementos en la que se

indican los compuestoscermicos formados por

combinacin de uno o ms

elementos metlicos(sombreado claro), con uno oms elementos no metlicos(sombreado oscuro). Ntese

que los elementos silicio (Si) ygermanio (Ge) se han incluidoen los metales en esta figura,

pero no en la Figura 1.4, debidoa que en forma elemental esos

dos elementos se comportancomo semiconductores (Figura1.16). El estao elemental (Sn)

puede comportarse como unmetal o como un

semiconductor, en funcin desu estructura cristalina.

Fibras pticas. Introduccin a los vidrios

Los metales y cermicos que se han descrito tienen una caracterstica estructural

similar a escala atmica: son cristalinos, lo que significa que los tomos que los

constituyen estn dispuestos segn una distribucin regular y repetitiva. Una dife-

rencia entre los materiales metlicos y los cermicos es que, mediante tcnicas de

procesado bastante simples, muchos cermicos pueden fabricarse en forma no cris-

talina, es decir, con sus tomos dispuestos de forma irregular y aleatoria, lo cual seilustra en la Figura 1.8. El trmino general para denominar a los slidos no cristali-

nos con composiciones comparables a las de los cermicos cristalinos es vidrio(Fi-

gura 1.9). La mayora de los vidrios comunes son silicatos; el vidrio ordinario de

ventana est compuesto por aproximadamente un 72% en peso de slice (SiO2),

siendo el resto principalmente xido de sodio (Na2O) y xido de calcio (CaO). Los

vidrios y los cermicos cristalinos tienen en comn la fragilidad. La importancia de

los vidrios en la ingeniera reside en otras propiedades, como su capacidad para

transmitir la luz visible (as como la radiacin ultravioleta e infrarroja) y su inercia

qumica.

(a) (b)

Figura 1.8. Esquema comparativo de la estructura a escala atmicade (a) un cermico (cristalino) y (b) un vidrio (no cristalino). Loscrculos blancos representan un tomo no metlico y los crculos

negros representan un tomo metlico.



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Figura 1.9. Algunos vidrios comunes de silicato para aplicaciones deingeniera. Estos materiales combinan importantes cualidades comotransmitir claramente imgenes visuales y resistir qu micamente anteambientes agresivos. (Cortesa de Corning Glass Works.)

Una revolucin en las telecomunicaciones se produjo con el cambio de los ca-

bles metlicos tradicionales por los de fibra ptica (Figura 1.10). Aunque Alexander

Graham Bell haba transmitido voz a cientos de metros sobre un rayo de luz, poco

despus del invento del telfono, el estado de la tcnica no permiti una aplicacin

a gran escala de esta idea durante casi un siglo. La clave para el renacimiento de

esta tecnologa fue el descubrimiento del lser en 1960. En 1970 los investigadores

de Corning desarrollaron la fibra ptica, con prdidas tan bajas como 20 dB/km a

longitudes de onda de 630 nm (dentro del espectro visible). A mediados de los 80,se desarrollaron las fibras de slice, con prdidas de slo 0,2 dB/km para 1,6 micras

Figura 1.10. El cable a la derecha de lafigura contiene 144 fibras pticas de vidrio,y puede llevar tres veces msconversaciones telefnica que el cabletradicional de cobre, a la izquierda.(Cortesa del San Francisco Examiner.)



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de longitud de onda (infrarrojo). Las conversaciones telefnicas, y cualquier otro

tipo de seal digital podan transmitirse como pulsos de luz, en lugar de seales

elctricas que empleaban cables de cobre. Las fibras de vidrio son ejemplo de ma-

terial fotnico, en los que la seal se transmite por fotones, en lugar de mediante

electrones, como en los materiales electrnicos.

Haces de fibra de vidrio como los que se muestran en la Figura 1.10 se pusieron

en servicio comercial por Bell Systems a mediados de los setenta. La reduccin de

coste y tamao, unido a la enorme capacidad de transmisin de datos, llev a un

rpido desarrollo de los sistemas de comunicaciones pticas. Actualmente, prctica-

mente todas las telecomunicaciones se transmiten de esta manera. Una fibra ptica

puede transmitir 10.000 millones de bits/segundo, que equivale a miles de llamadas

telefnicas.

Los paracadas de Nylon. Introduccin a los polmeros

El mayor impacto de la moderna tecnologa sobre la vida cotidiana ha sido realiza-

do por la categora de materiales denominados polmeros. Un nombre alternativopara esta categora es el de plsticos, que describe la gran conformabilidad de mu-

chos polmeros durante su fabricacin. Estos materiales artificiales o sintticos

constituyen una rama especial de la qumica orgnica. Es fcil encontrar ejemplos

de productos baratos y funcionales fabricados con polmeros (Figura 1.11). El

monmero en un polmero es una molcula individual de hidrocarburo, como por

ejemplo el etileno (C2H4). Los polmeros son molculas de cadena larga formadas

por muchos monmeros unidos entre s. El polmero comercial ms comn es el

polietileno ( C2H4)n, donden puede variar entre 100 y 1.000. En la Figura 1.12 se

ve la zona relativamente limitada de la tabla peridica que se halla asociada a los

polmeros comerciales. Muchos polmeros importantes, incluido el polietileno, son

simplemente compuestos de carbono e hidrgeno. Otros contienen oxgeno (comolos acrlicos), nitrgeno (como los nylons), flor (como los plsticos fluorados), o

silicio (como las siliconas).

El Nylon, o poli-hexametilen-adipamida, pertenece a la familia de polme-

ros sintticos conocidos como poliamidas, descubiertos en 1935 por la empresa

Dupont. El Nylon fue uno de los primeros polmeros comerciales, empleado como

Figura 1.11. Diversas piezas internas de un parqumetro, fabricadas con un polmero deacetal. Los polmeros para ingeniera se caracterizan por ser tpicamente baratos, fciles de

procesar y poseer unas propiedades estructurales adecuadas. (Cortes a de Du PontCompany, Engineering Polymers Division.)



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Figura 1.12. Tabla peridicaen la que se han sombreadolos elementos asociados a losprincipales polmeroscomerciales.

cerdas en los cepillos de dientes (1938) o como alternativa a las medias de seda

(1940). Desarrollado como una alternativa sinttica a la seda, su produccin fue en

aumento desde el principio de la 2a Guerra Mundial, para reemplazar en paracadas

a los decrecientes suministros de seda natural procedente de Asia. Al principio de la

guerra, el mercado de la fibra estaba dominado por las fibras naturales de algodn y

lana. Al final de la guerra, las fibras sintticas ocupaban el 25% del mercado.

La Figura 1.13 es un ejemplo de un paracadas actual en Nylon. Actualmente el

Nylon se sigue empleando como fibra, y tambin en piezas macizas, como engrana-

jes y cojinetes.

Figura 1.13. Desde su desarrollo en la Segunda GuerraMundial, los tejidos de Nylon son el material ms frecuentepara el diseo de paracadas. (Cortesa de Stringer, AgenciaFrance Press.)



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Como su nombre indica, los plsticoscomparten, normalmente, con los metales

la propiedad mecnica de la ductilidad. A diferencia de los cermicos frgiles, los

polmeros son a menudo una alternativa de bajo coste o de baja densidad frente a

los metales en aplicaciones estructurales. En el Captulo 2 se abordar la naturaleza

del enlace qumico en los materiales polimricos. Entre las propiedades importantesrelacionadas con el enlace qumico estn su menor resistencia en comparacin con

los metales, y la menor temperatura de fusin y mayor reactividad qumica que los

cermicos y vidrios. A pesar de sus limitaciones, los polmeros son materiales muy

tiles y verstiles. En la pasada dcada se ha experimentado un progreso en el desa-

rrollo de polmeros para ingeniera, con resistencia y rigidez suficientemente altas

como para permitir que sustituyan a ciertos metales tradicionalmente estructurales.

Kevlar. Neumticos reforzados. Introduccina los materiales compuestos

Las tres categoras anteriores de materiales estructurales para ingeniera (metales,

cermicos y polmeros), contienen varios elementos y compuestos que pueden ser

clasificados por su enlace qumico. Los metales se asocian al enlace metlico, los

vidrios y cermicas al enlace inico, los polmeros al enlace covalente. Esta clasifi-

cacin aparece en el Captulo 2. Existe adems un importante conjunto de materia-

les obtenidos por una combinacin de materiales individuales pertenecientes a las

categoras previas. Este cuarto grupo es el de losmateriales compuestos, y quiz el

mejor ejemplo lo constituya el plstico reforzado con fibra de vidrio. Este mate-

rial compuesto, formado por una serie de fibras de vidrio embebidas en una matriz

polimrica es bastante comn (Figura 1.14). El plstico reforzado con fibra de vi-

drio es un material compuesto caracterstico y bastante bueno, que rene lo mejorde sus componentes dando lugar a un producto superior a cualquiera de dichos com-

Figura 1.14. Ejemplo de material compuesto formado por fibras derefuerzo a escala microscpica en una matriz polimrica. (Cortesa de

Owens-Corning Fiberglas Corporation.)



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Figura 1.15. Los refuerzos deKevlar se emplean en losneumticos actuales. En la

figura, se ensaya la durabilidaddel refuerzo lateral. (Cortesa deGoodyear.)

ponentes por separado. La alta resistencia de las fibras de vidrio de pequeo dime-

tro se combina con la ductilidad de la matriz polimrica para producir un material

resistente, capaz de soportar la carga normal requerida en un material estructural.

No hay necesidad de mostrar la zona de la tabla peridica caracterstica de los ma-

teriales compuestos, puesto que virtualmente comprende la tabla completa, a excep-

cin de los gases nobles (columna O), lo que equivale a un solape de las regiones

ocupadas en la tabla por los metales, cermicos y polmeros.Los refuerzos con fibra de Kevlarson un avance importante sobre los materia-

les compuestos tradicionales de fibra de vidrio. Kevlar es un nombre comercial de

la empresa Dupont para el polmero Polipara-fenilen-tereftalamida (PPD-T), una

poliamida aromtica. Se avanza en el desarrollo de nuevas matrices polimricas,

como la PEEK, o el PPS (polisulfuro de fenileno). Estos materiales tienen la ventaja

de una mayor tenacidad, y de su reciclabilidad. Polmeros reforzados con Kevlar se

emplean en vasijas de presin, y el Kevlar se emplea como refuerzo de neumticos

(Figura 1.15). El Kevlar se desarroll en 1965, y se emplea comercialmente desde

1970. Su relacin resistencia/peso es cinco veces superior a los aceros estructurales,

emplendose en aplicaciones muy exigidas. Un neumtico de automvil es un buen

ejemplo al respecto.

Componentes de silicio. Introduccina los semiconductores

Mientras los polmeros son materiales tcnicos, visibles por el pblico, y con un

gran impacto en la sociedad contempornea, los semiconductores son relativamente

invisibles, aunque su impacto social es comparable. La tecnologa ha revolucionado



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Figura 1.16. Tabla peridica enla que se han sombreado en untono ms oscuro los elementossemiconductores, y en un tono

ms claro los elementos queforman compuestos

semiconductores. Loscompuestos semiconductores

estn formados por pares deelementos de las columnas III

y V (como por ejemplo, GaAs),o de las columnas II y VI (como

el CdS).

claramente la sociedad, pero a su vez la electrnica de estado slido est revolucio-

nando la propia tecnologa. Un grupo relativamente pequeo de elementos y com-

puestos tiene una importante propiedad elctrica, la semiconductividad, de manera

que no son ni buenos conductores elctricos ni buenos aislantes elctricos. En lugar

de ello, su capacidad para conducir la electricidad es intermedia. Estos materiales se

denominansemiconductoresy, en general, no entran dentro de ninguna de las cate-

goras de materiales estructurales basadas en el enlace atmico. Como se discuti

anteriormente, los metales son inherentemente buenos conductores elctricos. Los

cermicos y los polmeros (no metlicos), son generalmente malos conductores pe-ro buenos aislantes. En la Figura 1.16 se muestra en color oscuro una zona impor-

tante de la tabla peridica. Los tres elementos semiconductores (Si, Ge y Sn) de la

columna IV A constituyen una especie de frontera entre los elementos metlicos y

los no metlicos. El silicio (Si) y el germanio (Ge), usados con profusin como ele-

mentos semiconductores, son excelentes ejemplos de este tipo de materiales. El

control preciso de su pureza qumica permite controlar exactamente sus propie-

dades electrnicas. A medida que se han ido desarrollando tcnicas para producir

variaciones en la pureza qumica en zonas muy pequeas, se han podido obtener

complicados circuitos electrnicos en superficies excepcionalmente diminutas (Fi-

gura 1.17). Estos microcircuitos son la base de la actual revolucin de la tecno-

loga.

Los elementos sombreados ligeramente en la Figura 1.16 forman compuestos

semiconductores. Entre los ejemplos se incluyen el arseniuro de galio (GaAs), que

se emplea como un rectificador para alta temperatura y en la fabricacin de cristales

de lser, y el sulfuro de cadmio (CdS), que se utiliza como una clula solar de bajo

coste para transformar la energa solar en energa elctrica utilizable. Los distintos

compuestos obtenidos a partir de estos elementos muestran similitudes con muchos

de los compuestos cermicos.



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(a) (b)

Figura 1.17. (a) Microcircuito tpico.con una gran cantidad de zonassemiconductoras. (Fotografa cortesade Intel Corporation.) (b) Imagenmicroscpica de la seccin de un

elemento de (a). La zona rectangularoscura es un componente metlico demenos de 50 nm.

1.4. Procesado y seleccin de materiales

El empleo de los materiales en la tecnologa moderna depende en ltima instancia

de la habilidad para fabricar dichos materiales. En los Captulos 11 a 13 de este

texto, se discutir cmo se produce cada uno de los seis tipos de materiales. El estu-

dio delprocesadode materiales realiza dos funciones. En primer lugar proporciona

un conocimiento completo de la naturaleza de cada tipo de material. En segundolugar, y an ms importante, permite apreciar los efectos de la historia de procesado

sobre las propiedades.

Se ver que la tecnologa de procesado vara desde mtodos tradicionales como

el moldeo por colada, a las tcnicas ms actuales de fabricacin de microcircuitos

electrnicos (Figura 1.18).

En la Seccin 1.3 se respondi a la pregunta: Cules son los materiales dispo-

nibles?. Ahora se plantea una nueva y evidente cuestin: Qu material debe se-

leccionarse para una determinada aplicacin? La seleccin de materiales es la

decisin prctica final que debe adoptarse en el proceso de diseo en ingeniera y

puede determinar el xito o fracaso final del diseo. La Figura 1.19 ilustra la rela-

Figura 1.18. El moderno laboratorio de fabricacin de circuitos integrados muestra el estadodel arte en el procesado de materiales. (Cortesa del College of Engineering, University ofCalifornia, Davis.)



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Figura 1.19. Relacin esquemtica de la relacin entre materiales, suproceso y el diseo en ingenier a (de G. E. Dieter, ASM Handbook, vol. 20).

cin existente entre un material ( y sus propiedades), con su procesado y con su

utilizacin efectiva en un diseo de ingeniera.

1.5. Comparando materiales por orden de magnitud

Se ha visto en este captulo que el principio bsico de la ciencia e ingeniera de mate-riales es que la estructura lleva a las propiedades, esto es, se explica el comporta-miento de los materiales empleados en los diseos de ingeniera (escala humana) mi-rando a los mecanismos que condicionan la estructura de los materiales a una escalamas fina. Este concepto se encuentra en un documental Potencias de diez, produci-do por Charles y Ray Eames en 1977, y relatado por el fsico Philips Morrison. Lapelcula populariz el concepto de que la experiencia humana ocurre varios rdenesde magnitud por debajo de la escala del universo, y por encima de la escala del tomo.

En varios de los siguientes captulos, se vern ejemplos de la relacin entre laspropiedades a escala humana con los mecanismos estructurales en escala ms fina.Algunos mecanismos estn a escala atmica (como los defectos puntuales, que ex-plican la difusin, Captulo 5) escala microscpica (como las dislocaciones paraexplicar la deformacin plstica, Captulo 6), o la escala milimtrica (como las grie-tas estructurales, origen de fallos catastrficos, que se ver en el Captulo 8). Duran-te la ltima dcada se ha puesto el nfasis en la escala nanoscpica. Por ejemplo,algunas propiedades mecnicas de aleaciones metlicas se mejoran cuando el tama-o de grano policristalino se reduce de la escala micro a escala nano. El rango depotencias de diez que se emplea en este libro es:

Escala humana: 1 metro

Escala milimtrica: 1# 10.3 m

Escala micromtrica: 1# 10.6 m

Escala nanomtrica: 1# 10.9 m

Escala atmica: 1# 10.10 m

Estas escalas siguen el Sistema Internacional de unidades. La escala humana y laescala atmica marcan los extremos de las tres escalas de medida. Merece la penasealar que la longitud del enlace atmico (valor tpico 2# 10.10 m), es diez rde-nes de magnitud inferior a la altura media de una persona (2 metros).



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El amplio conjunto de materiales disponibles para

los ingenieros puede dividirse en seis categoras:metales, cermicos, vidrios, polmeros, materiales

compuestos y semiconductores. Las tres primeras ca-

tegoras pueden relacionarse con los distintos tipos

de enlace atmico. Los materiales compuestos abar-

can combinaciones de dos o ms materiales pertene-

cientes a las cuatro categoras anteriores. Estas pri-

meras cinco categoras constituyen los materiales

estructurales. Los semiconductores constituyen una

categora aparte de materiales electrnicos que se ca-

racterizan por su conductividad elctrica intermedia.

Conocer las propiedades de los distintos materialesrequiere el examen de la estructura, a escala micros-

cpica o submicroscpica. La ductilidad relativa de

ciertas aleaciones metlicas est relacionada con su

arquitectura a escala atmica. De forma similar, el

desarrollo de materiales cermicos transparentes ha

exigido un control cuidadoso de la arquitectura a es-

cala microscpica. Una vez que se comprenden las

propiedades de los materiales puede realizarse la se-leccin prctica del material idneo para una aplica-

cin dada. La seleccin del material se realiza a dos

niveles. En primer lugar, existe una competencia en-

tre las distintas categoras. En segundo lugar, dentro

de la categora ms apropiada, compiten los materia-

les pertenecientes a la misma, hasta obtener un mate-

rial especfico, que resultar ser el ptimo. Por otra

parte, los nuevos desarrollos pueden permitir selec-

cionar un material alternativo para un diseo deter-

minado. A partir de ahora se avanzar en el texto

siendo el trmino ciencia e ingeniera de materiales,el que defina esta rama de la ingeniera. Tambin

proporciona las palabras clave que dan ttulo a las

distintas partes del libro: cienciar los fundamen-

tos Captulos 2 a 10, materiales estructurales y elec-

trnicosrCaptulos 11 a 13, ingenierar los

materiales en el diseo en ingeniera, Captulo 14.

Muchas revistas tcnicas incluyen actualmente listas con una serie de trminos clave con cada artculo. Estas palabras

tienen el objetivo prctico de servir de ayuda para la bsqueda de informacin, pero tambin proporcionan un sumario de

conceptos importantes en esa publicacin. Con este espritu se proporcionar una lista de trminos clave al final de cada

captulo. Los estudiantes podrn utilizar esta lista como una gua de los conceptos importantes que debern haber extra-

do de cada captulo. En el Apndice 6 se proporciona un glosario en el que se dan las definiciones de muchos de los

trminos clave de todos los captulos.

aleacin

arquitectura a escala atmica

arquitectura a escala microscpica

cristalino

desvitrificado

ductilidad

Edad de Bronce

Edad de Hierro

Edad de Piedra

frgil

material compuesto

materiales cermicos

metlico

microcircuito

no cristalino

no metlico

plstico

plstico reforzado con fibra de vidrio

polietileno

polmero

procesado

refractario

seleccin de materiales

semiconductor

silicato

slice

vidrio

vitrocermica



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Al final de cada captulo, se citar una breve lista de refe-

rencias seleccionadas para indicar algunas fuentes princi-

pales de informacin para el estudiante que desee realizar

lecturas complementarias. En el caso del Captulo 1 las re-

ferencias estn constituidas por algunos de los textos gene-

rales en el campo de la ciencia e ingeniera de materiales.

Askeland, D. R. and P. P. Phule, The Science and Engi-

neering of Materials, 5th ed., Thomson Brooks/Cole, Paci-

fic Grove, CA, 2006.

Callister, W. D., Materials Science and Engineering-An

Introduction, 7th ed., John Wiley & Sons, Inc., NY, 2007.

Schaffer, J. P., A. Saxena, S. D. Antolovich, T. H. San-

ders, Jr. and S. B. Warner, The Science and Design of

Engineering Materials, 2nd ed., McGraw- Hill Book Com-

pany, NY, 1999.

Smith, W. F., Foundations of Materials Science and Engi-

neering, 4th ed., McGraw-Hill Higher Education, Boston,

MA, 2006.


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