UNIDAD 1:

INTRODUCCION A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES(PREPARADO PARA EL PROGRAMA POR: Carlos Menassa G. Profesor de la asignatura)

1.1 GENERALIDADES - Los materiales son LAS SUSTANCIAS DE LAS QUE CUALQUIER COSA ESTÁ HECHA. - Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre PARA SATISFACER SUS NECESIDADES, MEJORAR SU NIVEL Y SU CALIDAD DE VIDA. - ¿Cómo se clasifica la materia? (Repasar esta pregunta) - En cualquier lugar donde estemos, podemos siempre encontrar materiales al observar nuestro entorno ya que cualquier objeto ó cosa que usted vea, sea natural ó artificial, está hecha a partir de ellos. - En esta asignatura, trataremos y estudiaremos con los materiales únicamente en ESTADO SÓLIDO. - Se pretende que este estudio ponga al estudiante en contacto con las propiedades, estructura y procesamiento de los materiales, y conocer sus limitaciones esenciales en sus diferentes aplicaciones ( Ver objetivo general de la asignatura en la sigte. página).

- En nuestro planeta tierra, todos los diferentes tipos de materiales que nos da la naturaleza se encuentran: a) En la litosfera ó corteza terrestre (Estado sólido); b) En la atmósfera ( Estado gaseoso) y c) En la hidrosfera (Estado líquido). - NOTA: Ver composición porcentual de los elementos más abundantes en la litosfera al final de esta unidad (notas 2 y 3). - Algunos de los materiales que mas comúnmente nos encontramos son: madera, cemento, hormigón, ladrillo, acero, plástico, metales, vidrio, aluminio, cobre, hierro, telas, papel, cartón, etc.

- Pero al observar mas detenidamente nuestro entorno nos daremos cuenta que hay muchas mas clases de materiales (Cauchos, fórmica, teflón, madeflex, triplex, icopor, fibras de vidrio y de carbono, cueros, telas, pegantes, etc.) - Los constantes trabajos de investigación y desarrollo en este campo dan origen, con frecuencia, a nuevos materiales - Es importante destacar que para la humanidad, la importancia de los materiales ha sido mayor de lo que normalmente puede suponerse. En nuestro cotidiano vivir observamos que los materiales tienen y han tenido su influencia en mayor ó menor escala. - Tal influencia la podemos ver aplicada en campos tan notorios como: La vivienda, la fabricación de equipos, de accesorios, el transporte, las comunicaciones, la vestimenta, la recreación, y la alimentación. - A través de la historia se puede ver que el progreso, desarrollo y la evolución de los pueblos ha estado estrechamente relacionado con la capacidad de sus miembros para producir y conformar nuevos ó mejores materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Las posesiones materiales de nuestros primeros ancestros eran sus herramientas y sus armas. - Para corroborar lo anterior, observe como las primeras civilizaciones han sido identificadas con el nombre del material con el que alcanzaron el mayor grado de desarrollo, por ej: Edad de piedra, de barro, de Bronce, de Hierro; actualmente, la del Plástico, del Silicio. - El hombre primitivo tenía acceso a una cantidad limitada de materiales, y eran los que encontraba en la naturaleza tales como: piedras, rocas, madera, huesos, hojas de plantas(palmeras, plátano, etc.) cortezas de árboles, y posteriormente, cuero, arcilla. - A medida que transcurría el tiempo, éste fue desarrollando técnicas para elaborar nuevos materiales con propiedades superiores a las de los naturales tales como la cerámica y algunos metales. - Además de lo anterior, descubrió que las propiedades de un material se podían modificar mediante tratamiento con calor (tratamiento térmico) ó mediante la adición de otras sustancias. - En la actualidad se puede observar que: LA PRODUCCIÓN Y ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES HASTA CONVERTIRLOS EN PRODUCTOS TERMINADOS ÚTILES, CONSTITUYEN UNA PARTE IMPORTANTE DE LA ECONOMÍA ACTUAL - Todos estos pasos sirvieron para que se desarrollara el llamado proceso de selección de materiales ó sea que de un conjunto limitado de materiales que se tenían, se procedía a decidir cual era, de acuerdo con sus características el más adecuado ó idóneo para una aplicación en particular. - Hace relativamente poco tiempo (unos 60 años aprox.) que los científicos llegaron a comprender la relación entre la estructura de los materiales y sus propiedades y este conocimiento adquirido durante este tiempo los ha capacitado, en alto grado, para modificar ó adaptar las características de los materiales. - Lo anterior trajo como consecuencia el que se hayan podido desarrollar decenas de miles de materiales distintos (metales, vidrios, plásticos y fibras) con características muy especiales, para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad. - Cabe observar que el avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología y que el progreso de muchas tecnologías que aumentan la comodidad de nuestra existencia, va asociado con la disponibilidad de materiales que se adecuen a dicha comodidad. - Por ejemplo, en el desarrollo de materiales que sean más fuertes y resistentes y a su vez, livianos, decorativos, económicos, no contaminantes para la construcción de: - Viviendas, automóviles, equipos y sus accesorios, telas, aviones que cubren rutas en un menor tiempo, empaques para equipos y para la conservación de alimentos ó de productos químicos, etc. - También cabe anotar que los adelantos más sofisticados en el campo de la electrónica se deben al desarrollo de componentes fabricados con base en los llamados materiales semiconductores. - Con lo anterior se deduce que: DEBIDO A QUE LOS MATERIALES SON NECESARIOS PARA LA FABRICACIÓN DE PRODUCTOS, Ó DE NUEVOS Y MEJORES MATERIALES, LOS INGENIEROS DEBEN CONOCER LA ESTRUCTURA INTERNA Y LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PARA QUE PUEDAN ELEGIR LOS MÁS ADECUADOS PARA CADA APLICACIÓN

Y DESARROLLAR LOS MEJORES MÉTODOS PARA PROCESARLOS. Por ejemplo:

a) Los científicos e ingenieros expertos en investigación y desarrollo, crean nuevos materiales ó modifican las propiedades de los existentes para mejorar su aplicación. b) Los ingenieros de diseño usan los diferentes materiales disponibles (existentes, modificados ó nuevos) para diseñar y crear nuevos productos y sistemas. c) El ingeniero debe ser capaz de elegir los materiales más apropiados ó adecuados para utilizarlos en la elaboración y/ó construcción de: - Maquinarias - Estructuras - Herramientas - Accesorios - Equipos domésticos - Accesorios domésticos - Cajas - Empaques - Bolsas - Embalajes - Construcciones civiles - Muebles - Juguetes - Capas(recubrimientos) - Vehículos de transporte - Transporte aeroespacial - Ropas y vestidos - Calzado - Papeles - Etc. - Se pretende que este curso sea impartido a los estudiantes del programa de Ingeniería, razón por la cual, se orientará el mismo, hacia la presentación de un PANORAMA GENERAL SOBRE LOS MATERIALES, SUS PROPIEDADES Y USOS. - Se requiere que el estudiante de esta asignatura tenga los conocimientos básicos adquiridos en Química, Física, y cálculo.

1.2 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Objetivo general DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES y LA INGENIERÍA DE MATERIALES - ¿De qué tratan LA CIENCIA DE LOS MATERIALES y INGENIERÍA DE MATERIALES LA CIENCIA DE LOS MATERIALES está ligada fundamentalmente a la búsqueda de los “Conocimientos básicos sobre la estructura Interna, las propiedades y la investigación sobre el tipo adecuado de proceso para la elaboración de nuevos ó mejores materiales”. LA INGENIERÍA DE MATERIALES está principalmente relacionada con “El uso de los conocimientos básicos y aplicados de los materiales para la conversión(Procesamiento industrial) de éstos en productos requeridos ó necesarios para la industria y la sociedad”

LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES que es el título de esta asignatura, combina las dos anteriores y se deduce que tiene como objetivo general “El conocimiento básico de los materiales existentes(Estructura y propiedades) y de su aplicación con el fin de obtener nuevos y mejores materiales(procesamiento) que sean demandados por la industria y la sociedad de consumo”

Objetivos específicos 1. Generar interés en la Ciencia de los Materiales y comprender la importancia que éstos tienen en el campo de las ingenierías.2. Conocer las distintas propiedades que distinguen a los materiales, así como la clasificación de éstos con base en sus propiedades.3. Explicar el comportamiento interno de los materiales y cómo su microestructura determina su comportamiento externo.4. Aplicar los conocimientos adquiridos en el diseño y selección de materiales.5. Conocer las nuevas tendencias y líneas de investigación en la Ciencia de Materiales.

1.3 LOS MATERIALES Y LA INGENIERÍA. - Es para nosotros fácil observar que la producción y procesado de nuevos materiales constituye una parte importante en nuestra economía actual. - Muchos científicos, técnicos e ingenieros (mecánicos, químicos, electricistas, electrónicos, civiles), en alguna ocasión se encontrarán con una situación problémica de diseño en la cual intervengan materiales. Por ejemplo: - En la superestructura de un edificio - En el engranaje de una transmisión - En el componente de una refinería de petróleo - En el diseño de un circuito integrado ó un chip de ese circuito - En equipos y accesorios que manejan sustancias corrosivas ó que se instalan en ambientes y medios corrosivos - En la fabricación de equipos y accesorios para la industria química y para laboratorio - En el reciclaje de materiales contaminantes - Vemos entonces que, todos estos profesionales tienen que ver, de manera cotidiana, con el uso de materiales en cualquier industria ya sea química ó no. - Observe que la búsqueda de nuevos y mejores materiales es permanente, por ejemplo: - Los Ing. Mecánicos buscan materiales de alta resistencia mecánica y altamente resistentes a la temperatura (para mayor eficiencia). - Los Ing. Electricistas y Electrónicos buscan materiales para que los circuitos eléctricos ó electrónicos puedan operar con mayor velocidad de transporte y a mayores temperaturas. - Los Ing. Aeroespaciales buscan materiales con una relación resistencia/peso más elevada para naves más resistentes y menos pesadas. - Los Ing. Químicos buscan materiales altamente resistentes a la corrosión, que puedan reciclarse y que no contaminen el proceso ni el entorno. - Los Ing. Industriales deben tener los conocimientos básicos acerca de las propiedades de los materiales que se usan para el mantenimiento de equipos y maquinarias. - En resumen: Vemos que todos los ingenieros están siempre a la búsqueda de nuevos y mejores materiales para distintas aplicaciones. Estos aspectos acabados de ver nos permiten confirmar lo ya estudiado en la página anterior y que no sobra repetirlo: - Los ingenieros diseñan la mayoría de los materiales y los procesos necesarios para su fabricación para lo cual deben usar los diferentes materiales existentes como materia prima. - Los diferentes ingenieros deben conocer la estructura y propiedades de los materiales (conocimientos básicos) con el propósito de poder seleccionar el material mas idóneo ó desarrollar los mejores métodos para su procesamiento (esto está dentro del marco de conocimientos aplicados).

- Todo lo anterior permite confirmar que: “Los ingenieros diseñan los equipos, máquinas y estructuras, así como también los procesos necesarios para la fabricación de los materiales utilizados en su construcción, además de los métodos necesarios para mantenerlos en las mejores condiciones de trabajo”. - Para los ingenieros, el problema que se presenta con más frecuencia radica en la elección del material más adecuado de entre los muchos materiales disponibles - Existen varios criterios en los cuales se basa la decisión final para la escogencia ó selección de un material: a) Como primera medida, se deben caracterizar las condiciones en que el material prestará servicio. b) Se deben anotar las propiedades que requiere el material para cumplir con dicho servicio. (Ver nota 1 al final de la unidad) c) El otro aspecto es el que tiene que ver con la degradación que experimenta el material cuando está en servicio. Por ej: las altas temperaturas y los ambientes corrosivos disminuyen de manera considerable la resistencia mecánica de un material. d) Se debe considerar el criterio económico que es probablemente el más convincente. ¿Cual es el costo del producto acabado? Observe que un material puede reunir un conjunto idóneo de propiedades pero resultar muy costoso. e) Considerar el aspecto ecológico. El Material debe ser reaprovechable, reciclable y en definitiva no contaminar el ambiente. NOTA: Un área que exige un trabajo máximo de científicos e ingenieros expertos en materiales es el de la exploración espacial. CONCLUSIÓN: De todo lo anterior podemos llegar a la importante conclusión que: Cuanto más familiarizados estén los ingenieros y científicos con las diferentes características y relaciones propiedad- estructura de los materiales, así como con las técnicas de su procesado, mayor será su habilidad y confianza para hacer selecciones y escogencias convenientes, basadas en estos criterios.

1.4 TIPOS DE MATERIALES1. 4.1 Clasificación: Los materiales Sólidos se clasifican de acuerdo con semejanzas y características particulares relacionadas con su “Estructura Interna, Propiedades Físicas, Propiedades Mecánicas y Propiedades Eléctricas” en 5 grupos así: 1) Materiales Metálicos: a) Cobre, hierro, aluminio, zinc y los demás metales puros. B) Hierro fundido c) Aleaciones(un metal y otros) 2) Materiales Cerámicos: a) Vidrios b) Refractarios. 3) Materiales Poliméricos: a) Polietileno b) Epóxicos c) Fenólicos, etc. 4) Materiales Compuestos: a) Fibras de vidrio y/o material particulado como refuerzo en matriz de poliéster ó epóxica b) Fibras de ( ó Compositos ) carbono en matriz epóxica. 5) Materiales Semiconductores: Se, Si, Ge, S, As, Te. A) Transistores y circuitos integrados b) Sistemas de fibras ópticas.

1.4.2 Características y propiedades de cada tipo de material. 1) Materiales Metálicos : Estos materiales son sustancias inorgánicas que están conformadas por uno ó más elementos metálicos y en ocasiones algunos no metálicos (C, N y O). PROPIEDADES: 1) Los metales tienen una estructura cristalina definida en la que los átomos están dispuestos de una manera ordenada.

2) Son, en general, buenos conductores eléctricos y térmicos. 3) Tienen una resistencia mecánica relativamente alta, y una alta rigidez. 4) Son maquinables, moldeables a altas temperaturas y tienen una gran capacidad para absorber vibraciones

5) Algunos tienen elevada resistencia mecánica a altas temperaturas, otros son dúctiles, unos pocos son dúctiles y a la vez maleables, otros maleables; algunos son maleables (*1) a temperatura ambiente.

6) Poseen alta resistencia al impacto. 7) Sus aleaciones adquieren alta dureza cuando se someten a tratamientos térmicos. 8) Tienen gran número de electrones deslocalizados que no pertenecen a ningún átomo en concreto.

9) Son opacos a la luz visible y su superficie pulida tiene apariencia lustrosa. 10) Poseen una gran capacidad de deformación permanente. DUCTIL: Dícese del metal que puede deformarse mecánicamente y extenderse en alambres ó hilos. (Ductilidad = Ductibilidad= Conformabilidad) MALEABLE: Dícese del metal que puede deformarse y extenderse en planchas ó láminas muy delgadas. OPACO: Dícese del material que no deja pasar la luz, que no es transparente.

VENTAJAS: Puede Usted observar que algunas de estas propiedades anteriores se pueden traducir en ventajas que dependen de las condiciones del lugar donde vayan a utilizarse. La mayoría de éstos poseen propiedades, que de acuerdo con lo dicho, se pueden constituir en ventajas. Como tales podemos mencionar las siguientes: 1) Alta dureza (En su mayoría) 2) Resistentes a las vibraciones (la mayoría) 3) Alta conductividad eléctrica (todos) 4) Alta conductividad térmica (todos)

5) No son frágiles (todos) 6) Resistentes a las altas temperaturas (la mayoría) 7) Poseen alta rigidez (La mayoría)

DESVENTAJAS: - Por lo general son poco livianos (Bastante pesados) - Los de mayor consumo por su relativo bajo costo, son poco resistentes a los medios corrosivos.

- Su relativa alta dureza no permite que se puedan cortar perfora, doblar ó maquinar con facilidad.. - Deben aislarse térmica ó eléctricamente cuando conducen el calor ó la electricidad para evitar accidentes USOS: - Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales y de carga. - Por ser buenos conductores eléctricos, se utilizan mucho en el campo de la electricidad y la electrónica.

- Por ser buenos conductores del calor, se utilizan en la construcción de equipos donde se requiera transferir calor. - En la fabricación de tuberías de conducción de líquidos, gases y otros fluidos de baja, mediana y en especial las de

alta presión. - Para la fabricación de herramientas de alta dureza para perforación (Taladros), corte (Sierras, seguetas, etc) y

maquinado (fresas). - También se utilizan en aplicaciones estructurales y de carga.

CLASIFICACIÓN Y EJEMPLOS:e) METALES propiamente dichos. Ejemplos: Cu, Fe, Al, Zn, Mg, Ti, Ni y los demás metales puros.

Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones de metales ó de metal(es) con no metal(es), conocidas como ALEACIONES, proporcionan mejoría en alguna propiedad particularmente deseable ó una mejor combinación de propiedades. b) ALEACIONES FERROSAS. Son las que contienen un gran porcentaje de hierro, ej: Aceros y hierros fundidos. c) ALEACIONES NO FERROSAS. Son las que contienen cantidades relativamente pequeñas de hierro. Ej: Aleaciones de Cu, Fe, Al, Zn, Ti, Ni.

ALEACIÓN: Una aleación metálica es una combinación de dos ó más metales ó de uno ó mas metales con uno ó mas no metales(C, N, O) 2) Materiales Cerámicos : Los materiales cerámicos están formados por elementos metálicos y no metálicos unidos químicamente (óxidos, nitruros, carburos). Dentro de éstos materiales tenemos al grupo de las cerámicas donde están incluidos los minerales de arcilla, el cemento y el vidrio. - Son mas resistentes que los metales y los polímeros en los ambientes agresivos. - Estos materiales pueden ser cristalinos, amorfos ó una mezcla de éllos. PROPIEDADES: 1) La mayor parte de los cerámicos poseen alta dureza y resisten altas temperaturas. 2) Tienden a ser muy frágiles (quebradizos).

3) Poseen elevada resistencia térmica y eléctrica. 4) En general, son buenos aislantes térmicos y eléctricos 5) Algunos son ópticamente útiles. 6) Son bastante inertes químicamente.

NOTA: Las nuevas técnicas de procesamiento han conseguido que los materiales cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga como los impulsores y álabes en motores de bombas y turbinas. VENTAJAS: Para aplicaciones en ingeniería son: a) Bajo peso b) Bajo costo c) Alta dureza d) Antiadherentes e) Su reducida fricción f) Muy buena resistencia térmica g) Muy buena resistencia eléctrica. g) Elevada resistencia al calor, a la humedad, a la corrosión y a los disolventes orgánicos DESVENTAJAS: - Por su fragilidad generalmente son poco resistentes al impacto.

- No se pueden cortar perforar ó maquinar con facilidad. - Su proceso de producción es normalmente lento y laborioso. USOS: Debido a su alta resistencia térmica, eléctrica y a la corrosión son muy útiles: a) En el recubrimiento de hornos de fundición de metales y de hornos en general(rotatorios ó no), en hogares de calderas b) En los enlosados cerámicos para proteger las estructuras metálicas de los vehículos espaciales. c) Como aislantes eléctricos y térmicos (ladrillos y lozas refractarias). d) En la construcción de edificios y viviendas (Vidrios en puertas, ventanales, paredes, etc) e) Como contenedores y frascos para alimentos y productos muy corrosivos ó disolventes orgánicos.

f) En materiales especializados para laboratorio y en la industria de la purificación. g) En la fabricación de envases, objetos para servir alimentos y ornamentales (Vajillas, lozas, platos, adornos, etc EJEMPLOS: Vidrios, Frascos, vidrios(normales y Pirex ó Jena), Cementos, Porcelanas, Refractarios, Abrasivos, Piezoeléctricos (Titanato de Bario, el tartrato de sodio y potasio ó sal de la Rochelle), etc.

3) Materiales Poliméricos : Estos materiales están formados por largas cadenas ó redes formadas a partir de moléculas orgánicas unitarias ó monómeros, mediante un proceso llamado Polimerización. - Los polímeros comprenden los materiales que van desde los familiares plásticos hasta el caucho natural y el sintético. - La composición molecular de estos materiales basada en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos y se caracterizan por la gran longitud de sus estructuras moleculares. - Los polímeros se clasifican en: Termoplásticos: Sus cadenas moleculares no están conectadas de forma rígida razón por la cual tienen buena ductilidad y maleabilidad. Termoestables: Sus cadenas moleculares están fuertemente enlazadas por lo cual son mas resistentes….. pero mas frágiles. Elastómeros: Se le da este nombre a cualquier polímero sintético ó natural que presenta una gran elasticidad y flexibilidad. ( Estos recuperan su forma rápidamente si son sometidos a deformación) PROPIEDADES: Estructuralmente, la mayoría de los materiales poliméricos son no cristalinos pero algunos contienen mezclas de regiones cristalinas y amorfas. - Poseen baja densidad.

- La resistencia y ductilidad de estos materiales varía mucho. - Funden a temperaturas relativamente bajas.

- Debido a la naturaleza de su estructura interna, la mayoría de los materiales poliméricos son malos conductores de la electricidad y del calor. (Baja conductividad eléctrica y térmica). VENTAJAS: - Son buenos aislantes eléctricos - Muy resistentes a los ácidos, bases y en general a los medios corrosivos. - Bastante livianos - Muy resistentes a la humedad(impermeables). - Se pueden cortar, perforar, doblar, moldear y maquinar con facilidad

DESVENTAJAS: - En general poseen baja dureza. - Generalmente tienen poca resistencia mecánica. - En general, se disuelven en presencia de disolv. Orgánicos - No se pueden usar a temperaturas elevadas.

USOS: - En el campo de la electricidad como aislantes eléctricos - En los dispositivos electrónicos por ser aislantes - - Para empacar alimentos ó bebidas(bolsas, botellas, etc) eléctricos y muy resistentes a la humedad.

- Muebles, cajas, gabinetes, etc. - En las tuberías de conducción de cables eléctricos, de agua y otros fluidos de baja ó mediana presión.

EJEMPLOS: a) Polietileno: Empacado de alimentos, se puede conformar en películas delgadas y muy flexibles. Es impermeable. b) Epóxicos: Electricidad y Electrónica: En interruptores, aislamientos, encapsular circuitos integrados, etc c) Fenólicos: En la preparación de adhesivos que son fuertes y resistentes a la humedad. d) Polietilentereftalato (PET): Envases para alimentos, bebidas, etc d) Cauchos(Naturales y artificiales). e) Icopor (Siglas de “Industria Colombiana de Porosos): Es el “Poliestireno Expandido”

4) Materiales Semiconductores ó materiales electrónicos

- La tecnología ha revolucionado ampliamente la sociedad, pero a su vez los semiconductores han revolucionado la tecnología propia. Cabe observar que los microcircuitos (que son hechos con semiconductores) son la base de la revolución tecnológica. -El impacto de los ordenadores y otros equipos eléctricos y electrónicos a escala doméstica y en instalaciones industriales que utilizan circuitos hechos con materiales semiconductores ha sido espectacular y de vertiginoso crecimiento. - Estos materiales están llamados a ocupar un papel vital y muy importante en las “fábricas del futuro” donde casi toda la manufactura se pueda hacer con Robots asistidos por máquinas controladas por ordenador - A través de los años se han fabricado circuitos integrados de menor tamaño y que contienen cada vez una mayor densidad de transistores en un solo chip. -El número de transistores en un chip de circuito integrado se ha duplicado cada 18 meses en los últimos 40 años, aumentando, de esta manera, su capacidad de procesamiento.

PROPIEDADES: - Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos.

- En general todos estos materiales son sólidos (existen algunos en estado líquido)- Como su nombre lo dice, son medianamente conductores de la electricidad.- Son bastante livianos (baja densidad) lo cual los hace favorables para su uso en equipos portátiles cada vez más pequeños. - Sus características eléctricas son extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos

introducidas como impurezas, razón por la cual: - Cuando su estructura se contamina con otro u otros elementos, se obtiene un material de propiedades eléctricas asombrosas para el uso en equipos eléctricos y electrónicos.

VENTAJAS - Su aplicación y uso es tal que se requieren pocas cantidades de estos materiales, lo que hace que su poca abundancia no sea una desventaja para éstos. - Son bastante livianos. - Su comportamiento eléctrico, diferente al de los demás materiales, los hacen muy útiles y esenciales para aplicaciones en el campo de la electricidad y la electrónica

DESVENTAJAS - Son bastante frágiles - Su obtención es costosa - Son poco abundantes. Pero, como se dijo, no es una gran desventaja ya que su uso se presenta en pequeñas cantidades. USOS: Sus principales aplicaciones se dan en el campo de la electricidad y la electrónica tales como: a) Fabricación de transistores y circuitos integrados. B) fabricación de sistemas de fibra óptica.

EJEMPLOS: Se, Si, Ge, S, As, Te. Entre los compuestos tenemos: GaAs (Arseniuro de galio), el ZnSe (Seleniuro de zinc), CdS (Sulfuro de cadmio)

- Entre los elementos que forman compuestos semiconductores podemos mencionar: O, S, Te, Se, P, As, Al, Sb, Ga, In, Zn, Hg, Cd.

5) Materiales Compuestos ó Compositos :

Son aquellos que están formados a partir de la mezcla de 2 ó más materiales diferentes que son esencialmente insolubles entre sí. - Están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente, por ej: La fibra de vidrio es mecánicamente resistente debido al vidrio y flexible debido al polímero. Están constituidos por: a) Una fase continua ó matriz responsable de la resistencia térmica y ambiental que engloba y compacta a la fase discontinua y hace del material una estructura monolítica. - Esta fase consiste de una resina compatible de unión que sirve para obtener unas características finales deseadas. b) Un relleno ó fase discontinua llamada refuerzo del cual dependen principalmente las propiedades mecánicas del material. NOTA: Generalmente estoss componentes no se disuelven el uno en el otro y se pueden identificar físicamente.

Se clasifican en cuatro categorías así: 1) Particulados o granulares (El concreto, hormigón, etc). 2) Fibrosos (Huesos y también, aserrín, cascarilla de algodón, arroz ó fibra de vidrio compactado con material epóxico, almidón, etc) Pueden ser: a) De fibra larga ó continua (Fibra de vidrio, madeflex, cartón, láminas de eternit, etc). b) De fibra corta (Tablex, láminas de cascarillas, fibra de carbono, etc.) 3) Laminares (Triplex, tetrapack, etc.) PROPIEDADES: - La unión de estos materiales produce en el material final propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales Individuales (Sinergia). SINERGIA: Es la acción de dos o más causas cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales. - Estos materiales suelen tener mejores propiedades que los que lo constituyen. Tales propiedades dependen del tipo de materiales escogidos para su preparación y generalmente son: 1) Livianos y a su vez resistentes. 2) Algunos poseen alta dureza. 3) Algunos son resistentes a altas temperaturas. 4) La mayoría son Resistentes al impacto. VENTAJAS: - Generalmente son económicos.

- Las otras ventajas se pueden deducir fácilmente de las propiedades que se acaban de mencionar, teniendo en cuenta el área ó el tipo de utilización que se le vaya a dar.

DESVENTAJAS: - Su utilización no se puede generalizar para todos los casos. Cada tipo de material compuesto tiene su área específica de utilzación - La investigación, aplicación y posterior comercialización de estos materiales requieren de un estudio previo muy laborioso y generalmente costoso. USOS: 1) En herramientas de corte. 2) En vehículos aéreos y aeroespaciales. 3) Como materiales de construcción 4) Construcción de muebles 3) Recubrimientos anticorrosivos. 4) Empaques y embalajes. 5) Elaborar tuberías utilizadas en los campos petrolíferos. 6) Rejillas para baterías

EJEMPLOS: 1) La fibra de vidrio en matriz de poliéster ó epóxica 6) La madera contrachapada(Triplex). 2) Polímeros reforzados en fibra de carbono. 7) El madeflex y el tablex 3) Sulfuro de polifenilo (PPS) reforzado con fibra de vidrio. 8) Hormigón (cemento+grava+arena+agua) 4) Huesos y dientes de los animales 9) Cartón

5) Tetralpack 10) Aluminio anodizado

} NOTA 1: a) Las rocas de la litosfera tienen una densidad media de 2,7 veces la del agua y se componen casi por completo de 11 elementos, que, en su orden de abundancia son: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, H, P. Juntos forman el 99,5% de su masa. b) El elemento más abundante es el oxígeno (46,60% del total), seguido por el silicio (27,72%), aluminio (8,13%), hierro (5,0%), calcio(3,63%), sodio (2,83%), potasio (2,59%), magnesio (2,09%). c) El Titanio, el hidrógeno y el fósforo (en su orden de abundancia), totalizan menos del 1%. d) Además de los anteriores, siguen otros 11 elementos en cantidades del 0,1 al 0,02%. Estos elementos, por orden de abundancia, son: C, Mn, S, Ba, Cl, Cr, F, Zr, Ni, Sr, y V (carbono, manganeso, azufre, bario, cloro, cromo, flúor, circonio, níquel, estroncio y vanadio). e) Observe que los muchos otros elementos que no se han mencionado, tales como el Cu, Zn, Au, Sn, Pb, Sb, Pt, Rh, Sr, Hg, Pd, W ,Cs, As, I y los demás, se encuentran en cantidades muy pequeñas en la corteza terrestre(litosfera). NOTA 2: Los elementos están presentes en la litosfera casi por completo en forma de compuestos más que en su estado libre.

UNIDAD 2:

FUNDAMENTOS DE LA ESTRUCTURA, PROCESAMIENTO y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

2.1 RELACION ENTRE ESTRUCTURA PROCESAMIENTO Y PROPIEDADES: Objetivo General: Estudiar la relación existente entre la estructura, el PROCESAMIENTO y las PROPIEDADES de los materiales. - Un componente debe tener las características adecuadas con el fin de poder realizar su función durante su ciclo de “vida útil” esperado. - Por tal razón el ingeniero de materiales, al seleccionar ó diseñar un material requerido, conoce ó debe conocer la relación compleja entre la estructura interna del material, su proceso de obtención y las propiedades finales que debe tener éste mismo. - Si por cualquier motivo se modifica alguno de estos 3 aspectos de la relación, cualquiera de las dos restantes ó ambos también cambian.

2.1.1 Estructura interna. - La configuración electrónica influye en la forma en que los átomos se unen entre sí, por lo cual: - La disposición de los electrones que rodean el núcleo de los átomos individuales afecta en el material su comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico, químico y mecánico. Clasificación La estructura interna de un material se puede clasificar en 4 niveles así: a) Estructura Cristalina. Para este caso, se tiene en cuenta la disposición ó arreglo global de los átomos cuya estructura por ser de forma geométrica regular se le denomina Estructura Cristalina. Dentro de este grupo tenemos como

ejemplo: algunos metales, algunos semiconductores, muchos cerámicos y algunos polímeros. b) Estructura Amorfa ó Vítrea. Estos materiales no tienen una organización atómica ordenada y se comportan de manera muy

distinta a los materiales cristalinos, por ej: El polietileno vítreo es transparente mientras que el polietileno cristalino es traslúcido.

- En estos materiales se pueden controlar las imperfecciones en la organización atómica con el propósito de producir cambios profundos en las propiedades.

- En este grupo tenemos a algunos materiales cerámicos y muchos polímeros. c) Estructura Granular. En estos materiales, el tamaño y forma de los granos influye en el comportamiento del material. En algunos casos como en los chips de silicio para circuitos integrados ó de metales usados en los motores a propulsión, se desea un material que tenga homogeneidad granular ó sea, de una sola forma de grano y composición.

Dentro de este grupo tenemos a la mayor parte de los metales, algunos semiconductores y algunos materiales cerámicos. d) Estructura Multifásica. En la mayor parte de los materiales se encuentra una estructura de más de una fase, teniendo cada fase su arreglo atómico y propiedades únicas.

- Las propiedades de estos materiales se pueden controlar mediante la selección del tipo, tamaño, distribución y cantidad de estas fases dentro del material. - Como ejemplos tenemos al hierro fundido blanco y las aleaciones.

2.1.2 Formas existentes para el Procesamiento de los diferentes materiales. El procesamiento de los materiales se clasifica de dos maneras cada una de las cuales se utiliza para: - Producir un material con una estructura y propiedades deseadas a partir de otros materiales con estructura y propiedades conocidas. - Producir la forma deseada de un material a partir de uno ó más materiales inicialmente sin forma. Por ejemplo: a) Los Metales se pueden procesar: 1) Vertiendo metal líquido en un molde, por ej: el proceso de fundición. 2) Uniendo piezas individuales de metal, por ej: soldadura autógena, soldadura eléctrica, soldadura de aporte, unión adhesiva. 3) Conformando el metal sólido en formas útiles mediante alta presión. Dentro de este tipo de proceso tenemos: Forjado, Trefilado, Extrusión, Laminado, Doblado, etc 4) Compactando a una temperatura adecuada pequeñas partículas de polvo metálico en una masa sólida. A este proceso de metalurgia de polvo le denomina Sinterización (Ver nota al final de esta unidad) 5) Eliminando material excedente para obtener formas ó medidas exigidas para un determinado uso (maquinado). b) De una forma similar, los materiales cerámicos, mientras están húmedos se pueden conformar mediante diferentes procesos tales como: 1) Colado: Se vacía el material líquido en el molde escogido. 2) Formado: Proceso mediante el cual al material húmedo se le da, mediante un molde adecuado, una forma útil. 3) Extrusión: Se empuja el material en estado plástico a través de un molde para obtener el producto deseado. 4) Compactación: En este caso se compactan, al igual que en los metales, pequeñas partículas pero de polvo cerámico. 5) TRATAMIENTO TÉRMICO: Para la elaboración final, cada uno de estos procesos es seguido por otro proceso denominado “Tratamiento térmico” pero a altas temperaturas. c) Finalmente, los polímeros se someten a procesos tales como: 1) Inyección blanda en moldes. 2) Extrusión. Un mecanismo de tornillo empuja al material caliente a través de un dispositivo (dado abierto) que produce formas sólidas, películas, mangueras, tubos, e incluso bolsas de plástico. 3) Conformado: Se funde el material dentro del mismo molde 4) Hilado: Se producen filamentos, fibras e hilos. 5) Espumado: El producto contiene espacios huecos tales como esponjas y espumas de poliestireno, uretano, etc.

NOTA: TRATAMIENTO TÉRMICO A BAJAS TEMPERATURAS. Con frecuencia un material se trata térmicamente por debajo de su temperatura de fusión para modificar su estructura con el consecuente cambio en sus propiedades.

2.1.3 Propiedades - Las propiedades finales de los materiales dependen tanto del tipo de proceso utilizado para la obtención del material como de su estructura. - Tales propiedades se pueden clasificar en tres categorías así: Físicas, Mecánicas, y Químicas. NOTA: En este esta asignatura se estudiaran principalmente las dos primeras.

a) Propiedades Mecánicas: Son aquellas que se manifiestan cuando un material se expone ó se somete a estímulos externos que provocan en éste algún tipo de respuesta, ó sea que: - Estas propiedades describen la forma en que un material responde a una fuerza externa aplicada. Por ejemplo: resistencia al Impacto, rigidez, dureza, ductilidad, fatiga, desgaste, termofluencia, etc. - Cabe anotar que es muy común observar que, cambios estructurales pequeños en los materiales, originen en éste un efecto profundo sobre sus propiedades mecánicas.

Otras Propiedades Mecánicas de importancia son: a) IMPACTO: Se refiere al comportamiento del material cuando es expuesto a un golpe repentino e intenso. b) FATIGA: Cuando el material se somete a la aplicación de cargas cíclicas en un determinado tiempo.

c) TERMOFLUENCIA: Este caso se refiere a la exposición del material a altas temperaturas. d) DESGASTE: Aquí se necesita conocer como se comporta el material bajo condiciones abrasivas. NOTAS: a) Las propiedades mecánicas también permiten determinar la facilidad con la que se puede deformar un material para llegar a una forma útil. b) A menudo, cambios estructurales pequeños tienen un efecto profundo sobre las propiedades mecánicas.

b) Propiedades Físicas: Vienen a ser aquellas que no se manifiestan bajo la acción de una fuerza externa. - Algunas son propias del material (densidad, viscosidad, masa molecular, etc) y otras están incluidas dentro del comportamiento eléctrico, magnético, óptico y térmico (punto de fusión, punto de ebullición, resistencia y conductividad eléctrica, índice de refracción y reflectibilidad, permeabilidad magnética, etc.) NOTA: Se conoce muy bien que pequeñas modificaciones en la estructura de muchos semiconductores causan grandes cambios en su conductividad eléctrica y que altas temperaturas de fusión pueden reducir grandemente las características de aislantes térmicos de los ladrillos cerámicos. c) Propiedades Químicas: Estas se refieren a la forma como uno ó mas materiales reaccionan químicamente con otro ú otros para transformarse en otra ú otras sustancias diferentes. Esta propiedad no será objeto de estudio en esta asignatura.

2.2 EFECTOS AMBIENTALES Y ECOLÓGICOS SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES. La relación estructura-propiedades-procesamiento se modifica de acuerdo con el medio ambiente al cual está sujeto el material, incluyendo la alta temperatura y la corrosión. Desde el punto de vista temperatura y corrosión podemos resaltar lo siguiente:

2.2.1 TEMPERATURA:

- Los cambios de temperatura alteran de manera notable las propiedades de los materiales. – 50000psi Ver (Fig 1.1) de la derecha donde se observa como cambia la resistencia mecánica ® 6 de algunos materiales con la temperatura (T). 1. Polímeros. 2. Aluminio. 3. Aluminio reforzado con fibra. 5 4. Superaleación de níquel. 5. Cerámicos. R 4 6. Compuestos epóxicos reforzados con fibra de Carbono. (psi) 3

- Los materiales que han sido endurecidos por ciertos tratamientos térmicos ó 2 ciertas técnicas de conformado pueden perder súbitamente su resistencia al ser calentados. 1 | | | 1000 2000 3000 T/ ºC Las altas temperaturas y su influencia en los materiales: - En los Cerámicos las temperaturas elevadas modifican su estructura y pueden llegar hasta desintegrarse. - Los Metales se funden (Cambio de fase a estado líquido) y pueden llegar hasta evaporarse. - Los Polímeros se vuelven frágiles cuando se exponen por largo tiempo; si aumenta la temperatura se funden con facilidad, luego llegan hasta carbonizarse y la mayoría hasta arder con llama (combustión). - En los semimetales, - En los compositos, El diseño de materiales resistentes a temperaturas extremas es esencial para muchas tecnologías, por ejemplo:

- A medida que se alcanzan mayores velocidades en los vehículos aéreos y aeroespaciales, se presenta mayor calentamiento de la superficie del vehículo por causa de la fricción con el aire (En los actuales aviones militares se alcanzan temperaturas hasta de 600ºC y en el futuro avión intercontinental en el que se pretende cruzar el océano pacífico en menos de 3 horas, hasta de 1700ºC. Por otra parte, - A temperaturas más altas, los motores operan con mayor eficiencia, lo cual significa que para conseguir velocidades mas altas, los motores deben funcionar a mas altas temperaturas, con lo cual serán más eficientes y permitirán un apreciable ahorro en el consumo de combustible. Todo lo anterior significa que se requiere y requerirá de nuevos materiales que soporten temperaturas permisibles tanto en la superficie externa de las aeronaves como en sus motores.

Las bajas temperaturas: - Pueden ocasionar que un metal ó polímero falle por fragilidad, aun cuando las cargas aplicadas sean bajas. 2.2.2 CORROSIÓN:

- La mayor parte de los metales y los polímeros reacciona con el oxígeno y otros gases a temperatura ambiente y mas rápidamente a elevadas temperaturas Líquidos corrosivos - Por otra parte, los líquidos corrosivos atacan a la mayoría de los materiales (Inclusive el vidrio que es atacado por el HF y provocan en éllos fallas prematuras. Todo lo acabado de ver conduce a que…. El ingeniero debe seleccionar materiales y recubrimientos que no sean en gran manera afectados por estos ataques físicos (Temperatura, etc.) y químicos y que permitan la operación en ambientes extremos.

2.3 Aspectos preliminares del diseño y selecci ón de materiales. Cuando un material se diseña para una especificación dada, deben tomase en consideración varios factores tales como: a) Debe ser procesado ó manufacturado hasta la forma programada ó deseada b) El material final requerido debe tener las propiedades físicas y mecánicas y químicas deseadas. c) Debe ser una solución económica a la situación problémica presentada. d) Se requiere también que, dentro de estos requisitos, se contemple la protección del entorno, lo cual tiene que ver con la no contaminación directa e indirecta del material, fomentando así el reciclaje de materiales. e) Otro aspecto ecológico y económico implica que el material debe estar protegido contra la corrosión tanto interna (si es un tanque, envase, tubería, etc.) como la externa, la cual es debida a las condiciones del medio que lo rodea. f) Generalmente se calcula el costo del material con base en el costo por unidad de peso, para lo cual deberemos tener en cuenta la densidad del material. Observación: Casos particulares como en el de las aplicaciones aeroespaciales, el peso resulta crítico ya que cualquier peso adicional ocasiona un gran aumento en el consumo de combustible, lo cual además de aumentar los costos, reduce el alcance del vehículo

- Lo anterior conduce a que se deban diseñar materiales livianos pero muy resistentes tales como los usados en la actualidad que son los epóxicos reforzados con fibra de carbono (Materiales compuestos) que son mas costosos que , las aleaciones de aluminio tradicionales para naves aéreas.

- Sin embargo, el ahorro de combustible obtenido en función de una más alta relación resistencia-peso del material y el consecuente aumento en el tiempo de operación, compensa en gran medida el costo de inversión total ( construcción, lanzamiento y operación) de estos vehículos aeroespaciales. Todo lo anterior nos indica que el ingeniero tiene unos compromisos muy serios cuando tiene como propósito la obtención de un producto de buen desempeño, con un proceso económico y que tenga salida en el mercado(que sea vendible).

2.4 La competencia entre materiales. - Cada material compite con los demás para mantenerse y abrir nuevos mercados - Es fácil comprobar que cada cierto tiempo algunos materiales son reemplazados por otros. - El que un material entre con fuerza en el mercado y reemplace a otros, depende de muchos factores tales como: a) Si se mejora y optimiza el ó los procesos para obtener un determinado material, con buenas calidades, de manera que su costo de producción disminuya en forma sustancial, este podrá reemplazar a otro en algunas aplicaciones específicas. b) El desarrollo de un material con características y propiedades especiales para algunas aplicaciones específicas. El Aluminio, sus aleaciones y los polímeros. - A partir del año 1930, La producción mundial y por ende el consumo de aluminio, sus aleaciones y los polímeros, han tenido un significativo aumento ( En los Estados Unidos a partir de 1930). - El anterior incremento se debe a las ventajas que ofrecen estos materiales, algunas de las cuales se refieren a su poco peso (livianos) y a su gran resistencia a las condiciones del medio (corrosión). - Como ejemplos significativos tenemos: a) El peso promedio de los automóviles y otros vehículos, ha disminuido notablemente (En los automóviles de 1800kg a 1400kg aprox.) y también ha disminuido el mantenimiento de pintura. b) Las aleaciones de aluminio livianas, y de alta resistencia y los plásticos también han aminorado el peso de las aeronaves. -Existen ciertas aplicaciones donde los requerimientos exigen un material con características específicas y que es costoso. Tal es el caso de los motores de los aviones modernos que requieren superaleaciones de níquel que resisten altas temperaturas y a las cuales no se le ha encontrado algún sustituto mas económico hasta la fecha.

2.5 Perspectivas futuras en el uso de los materiales.2.5.1 Aspectos Generales - A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y desarrollo de los materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez mas especializados. - Es bien conocido que la energía es una preocupación constante para el ser humano y para la ciencia, por lo cual se reconoce la necesidad de desarrollar nuevas, más eficientes y económicas fuentes de energía, así como también el uso más racional de las actuales fuentes de ésta. - En este aspecto, los materiales desempeñan un papel de gran importancia. Veamos algunos hechos que confirman lo anterior:

1) En la conversión directa de energía solar en energía eléctrica se utilizan las celdas solares, las cuales son hechas de materiales complejos y costosos (la base de estas celdas son los materiales semiconductores). - La viabilidad tecnológica y económica quedaría asegurada si desarrollan procesos que conduzcan a que estos materiales sean altamente eficientes y menos costosos.

2) Los vehículos transportadores (automóviles, aviones, buses, camiones, trenes, etc), consumen significativas cantidades de energía, por lo cual: - La disminución del peso de estos vehículos y el aumento de la temperatura de funcionamiento de los motores conducen a

mejorar el rendimiento del combustible. - Lo anterior conduce a desarrollar nuevos materiales de baja densidad, con elevada resistencia térmica y mecánica que permitan vehículos más livianos (cabina, carrocería, motor, etc) y de alto rendimiento (bajo consumo de combustible). 3) La energía nuclear tiene un gran futuro, pero la solución a muchos de los problemas que esta tecnología tiene por resolver, está relacionada con los materiales, los cuales van desde el combustible utilizado hasta la estructura de los recipientes para contener y procesar el material radiactivo, como también para almacenar los desechos radiactivos. 4) La mayoría de los materiales que se utilizan provienen de fuentes no renovables, quiere decir esto que no son capaces de regenerarse. Entre éstos se encuentran principalmente, los metales (cuya fuente son los distintos yacimientos) y los polímeros cuya principal fuente (materia prima) es el petróleo. - Estas fuentes ó reservas no renovables se empobrecen paulatinamente, lo que hace necesario desarrollar nuevos materiales que tengan propiedades comparables y menos impacto medioambiental (Ver numeral siguiente).

5) Una de las grandes preocupaciones en la actualidad y para el futuro de la humanidad es la calidad medioambiental de la cual podemos acotar los siguientes aspectos:

- La calidad del medio ambiente depende mucho de nuestra habilidad para controlar la contaminación del aire y del agua. - Las técnicas de control de la contaminación están muy relacionadas con los diversos materiales cuyos procedimientos de fabricación (procesamiento), deben conducir a generar la mínima degradación ambiental, lo cual significa: a) Mínima contaminación del ambiente por parte de las plantas de producción. b) Mínima destrucción del paisaje en aquellos lugares donde se extrae la materia prima. c) Que las basuras generadas por estos materiales sean biodegradables o reciclables para minimizar dicha contaminación.

NOTA: Estos dos últimos aspectos constituyen el mayor reto para los ingenieros y científicos cuya especialidad y dedicación es la Ciencia de los Materiales. 2.5.2 Perspectivas futuras sobre cada tipo de material a) Materiales metálicos. - Se puede deducir que la producción de metales básicos ( hierro, aceros, aluminio, cobre, zinc y magnesio) no disminuirá y que deberá seguir acorde con la evolución económica de los países productores. - Se investiga constantemente para mejorar las aleaciones existentes y para conseguir nuevas aleaciones que tengan alta resistencia mecánica, que puedan resistir mayores temperaturas y sean resistentes a la corrosión. - Seguirán siendo importantes: a.1) Las técnicas de metalurgia de polvos (ó Sinterización pag.12) , que permiten obtener una mejora en las propiedades de ciertas aleaciones con menor costo del producto acabado. a.2) La tecnología de solidificación rápida con la cual se pueden obtener polvos de aleaciones metálicas que pueden ser enfriados rápidamente desde la fusión. a.3) Las nuevas técnicas de procesado como la de compresión isostática en caliente que conducen a mejorar la vida media a la fatiga en aleaciones para naves aéreas. b) Materiales poliméricos. - A través de la historia, la producción de materiales plásticos ha sido la de más rápido crecimiento y se espera que sigan compitiendo y mantengan su ventaja frente al acero y otros metales, al vidrio y al papel, sobre todo en las áreas de embalaje y construcción donde son muy útiles. - Se prevé que, con la excepción del acero laminado en caliente, los plásticos lleguen a ser el material menos costoso. Los polímeros y el Sinergismo Una tendencia importante en ingeniería, respecto de los materiales poliméricos es la de mezclar ó alear diferentes tipos de estos materiales para producir una nuevas aleaciones sinergéticas. Esto se presenta en las nuevas resinas poliméricas termoplásticos. c) Materiales cerámicos. - Constantemente se han venido encontrando nuevas aplicaciones particularmente en aplicaciones a altas temperaturas y en el campo de la electrónica. - Ya que estos materiales se dañan fácilmente por impacto, si se encontraran nuevas técnicas para producir cerámicos de alto impacto, estos materiales mostrarían un repentino aumento en sus aplicaciones a altas temperaturas, en trabajos de alto desgaste y en medios altamente corrosivos. d) Materiales compuestos. - Los materiales compuestos formados por poliésteres insaturados reforzados con fibra de vidrio son los mas utilizados en la industria y su uso sigue incrementándose. - Algunos materiales compuestos avanzados como los de fibra de vidrio-epoxy y grafito-epoxy presentan un uso cada vez mas importante en aplicaciones estructurales críticas y de alto rendimiento. - Los aviones de pasajeros de la actualidad usan cada vez más estos materiales; por ej: En los nuevos aviones de pasajeros, aproximadamente el 10% de su peso corresponde a materiales compuestos. e) Materiales semiconductores. - El uso de materiales de silicio y otros materiales semiconductores en estado sólido se ha experimentado un fuerte incremento desde el año 1970 y se espera que continúe incrementándose debido al gran impacto que han causado los computadores y

otros equipos industriales (tableros de control, instrumentos y equipos de medición, robots computarizados) que usan circuitos integrados a partir de chips de silicio. - Ya vimos en al inicio de esta unidad que se continúan fabricando circuitos integrados de menor tamaño y que cada vez contienen mayor densidad de transistores localizados en un solo chip de silicio. - Podemos fácilmente deducir que los materiales electrónicos están llamados a ocupar un papel de suma importancia en las fábricas del futuro donde casi todo el proceso lo puedan hacer robots asistidos por máquinas controladas por computadoras.

ALGUNAS DEFINICIONESFORJADO: Proceso hecho en frío ó en caliente durante el cual el metal es golpeado ó prensado hasta llevarlo a formas generalmente complejas tales como cigüeñales, bielas, etc.TREFILADO: Proceso que consiste en jalar un metal ó un polímero a través de un molde para producir un alambre

EXTRUSIÓN: En este proceso se empuja un material caliente ó fundido(aluminio ó polímero) a través de un molde para formar varillas, tubos, biseles, perfiles, tubos, películas, bolsas, etc.DOBLADO: En este caso, se estira el material(generalmente en láminas) hasta darle una forma (angular) deseada.ESTIRADO: En este caso, se estira el material(generalmente en láminas) hasta darle una forma (no angular) deseada.LAMINADO Ó ROLADO: Este proceso consiste en introducir una ó varias veces el material entre dos rodillos a presión para obtener placas, láminas ú hojas del material escogido(generalmente un metal)EMBUTIDO Ó ESTAMPADO PROFUNDO: Proceso que consiste en presionar el material con un molde para formar recipientes tales como latas para bebidas y alimentos, ollas, calderos, etc.SINERGIA: Significa que la acción de dos ó mas causas cooperativas da como resultado un efecto que es superior a la suma de los efectos tomados Independientemente ó también se define como la acción de dos o más causas cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales.

SINTERIZACIÓN: Proceso que consiste en producir piezas de gran resistencia y dureza calentando, sin llegar a la temperatura de fusión, conglomerados de polvo, generalmente metálicos, a los que se ha modelado por presión. Entonces, generalmente, esta tecnología se usa para la fabricación de artículos metálicos a partir de metal pulverizado. Algunos productos comerciales producidos con esta tecnología son: (1) pequeños engranajes producidos en masa, balancines, cojinetes de manguito autolubricantes y muchas otras piezas de automóviles, electrodomésticos, herramientas mecánicas y otras máquinas; (2) herramientas y troqueles de carburo o con revestimiento de carburo; (3) otros productos como componentes de turbinas para aviones a reacción, filtros, monedas o alambres de volframio. La sinterización se prefiere a otros métodos de fabricación como el fundido o el mecanizado cuando existen ventajas de coste (como ocurre en el caso de pequeñas piezas mecánicas) o cuando al producto se le exige una calidad que sólo se obtiene si se fabrica a partir de polvos (como ocurre con las herramientas de carburo, los cojinetes porosos o los filtros).

En primer lugar, el polvo se introduce a presión (por lo general en frío) en un troquel o recipiente con la forma apropiada, para formar una pastilla cohesionada. Este objeto poroso se lleva en una atmósfera de gas inerte hasta altas temperaturas, con lo que se crean fuertes enlaces entre las partículas metálicas. Las dimensiones, densidad y propiedades mecánicas pueden modificarse mediante procesos adicionales, que en caso necesario pueden incluir la repetición de la compresión y el calentamiento.

El tamaño adecuado de las partículas de polvo es del orden de entre 1 y varios cientos de micrómetros (1 micrómetro = 10-10 metros). La mayoría de los polvos se fabrican por fragmentación de un metal fundido, como ocurre en la atomización, en la que se hacen colisionar corrientes del metal con chorros estrechos de agua o gas. Otros polvos se obtienen moliendo o triturando de alguna forma trozos de metal. También pueden producirse químicamente: por ejemplo, reduciendo a metal óxidos en polvo o precipitando partículas metálicas en una solución acuosa.

NOTA 1: a) En muy raras ocasiones, un material reúne una combinación ideal de propiedades, lo que hace que muchas veces se tenga que reducir una en beneficio de la otra. Un ejemplo típico los constituye la resistencia mecánica y la ductilidad ya que, generalmente, un material con alta resistencia, posee una limitada ductilidad. b) En tales circunstancias se debe establecer un compromiso razonable entre dos ó más propiedades.