INGENIERIA DE MATERIALES
ISP8-1
GABRIEL RIVAS
CONTENIDO DEL CURSO
OBJETIVO DE APRENDIZAJE
El alumno utilizará los materiales de acuerdo al diseño del producto para
que garantice la satisfacción del cliente y no contribuya al deterioro
ambiental.
Unidades de Aprendizaje
I
II
Propiedades de los materiales
Selección de materiales
EVALUACION
Asistencia
40%
Tareas
30%
Examen
30%
ACTIVIDAD 1
Buscar tres definiciones de Ingenieria de materiales y escribir con sus palabras una
definición, basándose en el entendimiento de las tres definiciones, incluir la
referencia (20 min)
¿QUÉ ES LA CIENCIA E INGENIERÍA DE
MATERIALES?
Ees un campo interdisciplinario que estudia y manipula la composición y estructura
de los materiales a través de escalas de longitud para controlar las propiedades de
los materiales por medio de la síntesis y el procesamiento.
El término composición se refiere a la constitución química de un material.
Por su parte, el vocablo estructura se remite a la descripción del arreglo de los
átomos, es decir, cómo se observa a diferentes niveles de detalle.
Los científicos e ingenieros de materiales no sólo se enfocan en el desarrollo de
materiales, sino también en su síntesis y procesamiento y en los procesos de
manufactura relacionados con la producción de componentes.
DEFINICION
El término “síntesis” se refiere a la forma en que se
fabrican materiales a partir de sustancias químicas
de estado natural o hechas por el hombre.
El término “procesamiento” implica cómo se
transforman materiales en componentes útiles para
provocar cambios en las propiedades de diferentes
materiales.
Una de las funciones más importantes de los
científicos e ingenieros que estudian esta disciplina
es establecer las relaciones entre las propiedades
de un material o un dispositivo y el desempeño y la
microestructura del material, su composición y la
manera en la que el material o dispositivo se
sintetizó y procesó.
La ciencia de materiales se enfoca en las
relaciones básicas entre la síntesis y el
procesamiento, la estructura y las propiedades de
los materiales. Por su parte, la ingeniería de
materiales se concentra en las formas de convertir
o transformar los materiales en dispositivos o
estructuras útiles.
EJEMPLOS MICROESTRUCTURA
La estructura de los materiales tiene una influencia profunda sobre
muchas propiedades de estos, ¡aún si la composición general no
cambia! Por ejemplo, si toma un alambre de cobre puro y lo dobla
de manera repetida, ¡el alambre no sólo se endurece sino que
también se vuelve cada vez más quebradizo! Con el tiempo, el
alambre de cobre puro se hace tan duro y quebradizo ¡que se
romperá! La resistividad eléctrica del alambre también aumentará
a medida que se doble de manera repetida. En este ejemplo
sencillo, observe que no se modificó la composición del material
(es decir, su constitución química). Los cambios en las propiedades
del material se deben a un cambio en su estructura interna. Si
examina el alambre después de doblarse observará lo mismo que
antes; sin embargo, su estructura ha cambiado a escala
microscópica. A escala microscópica, la estructura se conoce como
microestructura. Si es posible comprender lo que ha cambiado de
forma microscópica, se comenzarán a descubrir maneras de
controlar las propiedades de los materiales.
Durante la mayor parte de la historia de la aviación comercial, los fuselajes de los
aviones se fabricaron con aleaciones de aluminio. El material del fuselaje debe
poseer una resistencia suficientemente alta y a la vez ser ligero y moldeable en
contornos aerodinámicos. El aluminio es un material que cumple con estos requisitos.
En 2011, los pasajeros comenzaron a viajar en los aviones 787 Dreamliner de
Boeing. Una de sus innovaciones principales es el uso extensivo de materiales
compuestos, es decir, aquellos que se forman mediante la incorporación de
componentes múltiples en un material, de manera que las propiedades de la
combinación resultante son únicas y no se podrían obtener de otro modo. Los
materiales compuestos representan la mitad del peso total del Dreamliner y su
fuselaje está hecho de plástico reforzado con fi bra de carbono. El plástico
reforzado con fi bra de carbono es un compuesto de fi bra de carbono en una
matriz de resina epoxi de polímero
787 DREAMLINER
787 DREAMLINER
METALES Y ALEACIONES
Los metales incluyen aluminio, magnesio, zinc, hierro, titanio, cobre y níquel.
Una aleación es un metal que contiene adiciones de uno o más metales o no metales;
por ejemplo, el acero es una aleación de hierro con adiciones de carbono.
En general, los metales tienen buenas conductividades eléctricas y térmicas. Además,
igual que las aleaciones tienen resistencias relativamente altas, gran rigidez,
ductilidad o formabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente útiles para
aplicaciones estructurales o de carga.
Aunque en ocasiones se usan metales puros, las aleaciones pueden mejorar una
propiedad deseable específi ca o permiten mejores combinaciones de las
propiedades. Por ejemplo, el oro puro es un metal blando, por lo que los joyeros le
adicionan cobre para mejorar su resistencia con la finalidad de que las joyas de oro
no se dañen con facilidad.
CERÁMICAS
Las cerámicas pueden definirse como materiales cristalinos inorgánicos. La arena de
playa y las rocas son ejemplos de cerámicas en estado natural. Las cerámicas avanzadas,
que son materiales preparados por medio de la refinación de cerámicas de estado
natural y otros procesos especiales, se usan en los sustratos que albergan chips de
computadora, sensores y activadores, capacitores, comunicaciones inalámbricas,
generadores de chispa, inductores y aislantes eléctricos. Algunas cerámicas se utilizan
como recubrimientos de barrera para proteger los sustratos metálicos en motores de
turbinas. También se usan en productos de consumo como pinturas, plásticos, neumáticos y
en aplicaciones industriales como los sensores de oxígeno que usan los automóviles. Se
recurre a las cerámicas tradicionales para fabricar ladrillos, vajillas, accesorios de baño,
refractarios (material resistente al calor) y abrasivos.
CERÁMICAS
En general, las cerámicas no conducen bien el calor, y deben calentarse a temperaturas
muy altas antes de fundirse. Asimismo, son resistentes y duras, pero también son
quebradizas. Por lo regular se preparan polvos fi nos de cerámicas y se convierten en
distintas formas. Las nuevas técnicas de procesamiento permiten fabricar cerámicas lo sufi
cientemente resistentes a la fractura que pueden utilizarse en aplicaciones de carga,
como los impulsores en los motores de turbinas. Las cerámicas tienen una resistencia
excepcional bajo compresión. ¿Puede creer que todo un camión de bomberos puede
soportarse con ayuda de cuatro tazas de cerámica para café?
VIDRIOS Y VIDRIOS-CERÁMICOS
El vidrio es un material amorfo; con frecuencia, aunque no siempre, derivado de un
líquido fundido. El término “amorfo” se refiere a materiales que no poseen un
arreglo regular y periódico de átomos.
La industria de la fibra óptica se basa en fibras ópticas compuestas por vidrios de
sílice de alta pureza. Los vidrios también se usan en casas, automóviles, pantallas de
computadoras, televisores, smartphones y en cientos de otras aplicaciones.
Los vidrios pueden tratarse de manera térmica (templarse) para hacerlos más
resistentes. La formación de vidrios y la nucleación (formación) de cristales pequeños
dentro de ellos por medio de un proceso térmico especial crean materiales a los que
se conoce como vidrios-cerámicos.
El ZerodurMR es un ejemplo de un material de vidrio-cerámico que se usa para
construir los sustratos de espejos para grandes telescopios (por ejemplo, los
telescopios Chandra y Hubble). Por lo general, los vidrios y los vidrios-cerámicos se
procesan por fusión y colado.
POLÍMEROS
Por lo general, los polímeros son materiales orgánicos. Se producen por medio de un proceso conocido como
polimerización. Los materiales poliméricos incluyen al caucho (elastómeros) y muchos tipos de adhesivos.
Los más comunes son buenos aislantes eléctricos y térmicos, aunque existen excepciones. A pesar de que
poseen una resistencia más baja que los metales o las cerámicas, los polímeros tienen una muy buena razón
resistencia/peso. Por lo regular no se pueden usar a altas temperaturas, pero muchos de ellos tienen muy
buena resistencia a sustancias químicas corrosivas. Además, tienen miles de aplicaciones que van desde
chalecos antibalas, discos compactos (CD), cuerdas y pantallas de cristal líquido (LCD) hasta vestimenta y
tazas para café.
Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares grandes no están conectadas de manera
rígida, tienen buena ductilidad y formabilidad; los polímeros termoestables son más resistentes, pero más
quebradizos, debido a que las cadenas moleculares están enlazadas de manera cruzada (figura 1-4). Todos
ellos se usan en muchas aplicaciones, entre las cuales se encuentran diversos dispositivos electrónicos. Los
termoplásticos se fabrican moldeando su forma fundida. Por lo general, los termoestables se cuelan en
moldes. Los plásticos contienen aditivos que mejoran las propiedades de los polímeros.
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores basados en silicio, germanio y arseniuro de galio, como los que se
usan en computadoras y dispositivos electrónicos son parte de una amplia clase de
materiales conocidos como materiales electrónicos. La conductividad eléctrica de los
materiales semiconductores se encuentra entre la de los aislantes cerámicos y la de los
conductores metálicos. Los semiconductores han permitido la era de la información. En
algunos de ellos el nivel de conductividad puede controlarse para producir dispositivos
electrónicos, como transistores y diodos, que se usan para construir circuitos integrados.
En muchas aplicaciones se necesitan monocristales grandes de semiconductores que se
producen a partir de materiales fundidos. Con frecuencia, también se fabrican
películas delgadas de materiales semiconductores mediante procesos especializados
MATERIALES COMPUESTOS
La idea principal que subyace al desarrollo de compuestos es combinar las propiedades de
distintos materiales. Se forman a partir de dos o más materiales, lo cual genera propiedades
que no se encuentran en ningún material simple. El concreto, la madera laminada y la fibra de
vidrio son ejemplos de materiales compuestos. La fibra de vidrio se prepara por medio de la
dispersión de fibras de vidrio en una matriz de polímero. Dichas fibras otorgan mayor rigidez
al polímero, pero no incrementan de forma significativa su densidad. Con los compuestos se
pueden producir materiales ligeros, resistentes, dúctiles y resistentes a las temperaturas, o
herramientas de corte rígidas, pero resistentes al impacto que de otra manera las rompería.
En gran medida, los aviones avanzados y los vehículos aeroespaciales dependen de
materiales compuestos. Como se analizó en secciones anteriores, el Boeing 787 usa plástico
reforzado con fi bras de carbono en lugar de aluminio en muchos de sus componentes, lo que
mejora el rendimiento del combustible. Ciertos equipos deportivos como bicicletas, palos de
golf, raquetas de tenis y similares también emplean distintos tipos de materiales compuestos
que son ligeros y rígidos
CLASIFICACIÓN
FUNCIONAL DE LOS
MATERIALES
CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE LOS MATERIALES
Los materiales se pueden clasifi car con base en la función más importante que desempeñan, es decir, si dicha función es
mecánica (estructural), biológica, eléctrica, magnética u óptica. Esta clasificación de los materiales se presenta en la figura 15, donde también se muestran algunos ejemplos de cada categoría.
Estas categorías pueden dividirse en subcategorías.
Aeroespaciales En el vuelo histórico de los hermanos Wright se usaron materiales ligeros como madera y una aleación de
aluminio (que de manera accidental le dio aún más resistencia al motor cuando se contaminó con el cobre del molde que se
usó para su colado). En la actualidad, el transbordador espacial de la NASA usa polvo de aluminio para construir cohetes
impulsores y sílice para fabricar los lazos. El fuselaje y las alas del Boeing 787 están compuestas principalmente por plástico
reforzado con fibras de carbono.
Biomédicos Los huesos y dientes están constituidos, en parte, por una cerámica formada de manera natural conocida como
hidroxiapatita. Varios órganos artificiales, partes de reemplazo de huesos, cánulas cardiovasculares, aparatos de ortodoncia
y otros componentes se fabrican con diferentes plásticos, aleaciones de titanio y aceros inoxidables no magnéticos. Los
sistemas de imagen ultrasónica usan cerámicas conocidas como PZT (titanato de zirconio de plomo).
Materiales electrónicos Como ya se mencionó, los semiconductores, como los que se fabrican de silicio, se usan para fabricar
circuitos integrados para chips de computadoras. El titanato de bario (BaTiO3), el óxido de tantalio (Ta2O5) y muchos otros
materiales dieléctricos se emplean para fabricar capacitores cerámicos y otros dispositivos. El cobre, el aluminio y otros
metales se usan como conductores en la transmisión de electricidad y en la microelectrónica.
Tecnología energética y tecnología ambiental La industria nuclear emplea materiales, como el dióxido de uranio y el plutonio, como combustibles. Se recurre a otros muchos materiales,
como vidrios y aceros inoxidables, para manejar materiales nucleares y desechos radiactivos. Las nuevas tecnologías relacionadas con las baterías y las celdas de combustible usan
diversos materiales cerámicos, como la zirconia (ZrO2) y los polímeros. La tecnología de las baterías ha adquirido una importancia signifi cativa debido a la necesidad que tienen muchos
dispositivos electrónicos de contar con energía portátil y más duradera. Las celdas de combustible también se usarán en automóviles eléctricos. Las industrias del aceite y petrolera usa
ampliamente zeolitas, alúmina y otros materiales como sustratos catalizadores. Usan como catalizadores Pt, Pt/ Rh y otros metales. Muchas tecnologías de membranas para la purifi cación
de líquidos y gases usan cerámicas y plásticos. La energía solar se genera con base en el empleo de materiales, como silicio amorfo (a:Si:H). Materiales magnéticos Los discos duros de las
computadoras contienen muchos materiales cerámicos, metálicos y poliméricos, dado que se fabrican utilizando aleaciones basadas UO2, Ni-Cd, ZrO2, LiCoO2, Si:H amorfo Estructurales
Aceros, aleaciones de aluminio, concreto, fibra de vidrio, plásticos, madera Compuestos de C-C, SiO2, silicio amorfo, aleaciones de Al, superaleaciones, ZerodurMR Aeroespaciales
Hidroxiapatita, aleaciones de titanio, aceros inoxidables, aleaciones con memoria de forma, plásticos, PZT Biomédicos PZT, aleaciones con memoria de forma de Ni-Ti, fluidos MR, geles de
polímeros Materiales inteligentes Clasificación funcional de los materiales Si, GaAs, Ge, BaTiO3, PZT, YBa2Cu3O7-x, Al, Cu, W, polímeros conductores Materiales electrónicos SiO2,
GaAs, vidrios, Al2O3, YAG, ITO Materiales ópticos Fe, Fe-Si, ferritas de NiZn y MnZn, Co-Pt-Ta-Cr, g-Fe2O3 Materiales magnéticos Tecnología energética y ambiental Figura 1-5 Clasifi
cación funcional de los materiales. Observe que los metales, los plásticos y las cerámicas aparecen en categorías distintas. Se proporciona un número limitado de ejemplos en cada
categoría. 01Azkeland-01.indd 11 30/03/16 6:42 a.m. 12 Capítulo 1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales en cobalto-platino-tantalio-cromo (Co-Pt-Ta-Cr). También se
emplean muchas ferritas magnéticas con la fi nalidad de fabricar inductores y componentes para transmitir comunicaciones inalámbricas. Los aceros a base de hierro y silicio se usan para
fabricar núcleos de transformadores. Materiales fotónicos u ópticos El sílice se usa ampliamente para fabricar fi bras ópticas. Se han instalado casi 10 millones de kilómetros de fi bra
óptica en el mundo. Los materiales ópticos se emplean para fabricar detectores semiconductores y láseres que forman parte de los sistemas de comunicación de fi bra óptica y otras
aplicaciones. De modo similar, la alúmina (Al2O3) y los granates de itrio aluminio (yttrium aluminum garnets, YAG) se usan para fabricar láseres. Se recurre al silicio amorfo para fabricar
celdas solares y módulos fotovoltaicos. Los polímeros se usan para producir pantallas de cristal líquido (liquid crystal displays, LCD). Materiales inteligentes Un material inteligente puede
sentir y responder a un estímulo externo, como un cambio de temperatura, la aplicación de un esfuerzo o un cambio en la humedad o en el ambiente químico. Por lo regular, un sistema
basado en materiales inteligentes consiste en sensores y activadores que leen cambios e inician una acción. Un ejemplo de un material inteligente de manera pasiva es el titanato de
zirconio de plomo (PZT) y las aleaciones con memoria de forma. Cuando se procesa de manera apropiada, el PZT puede someterse a un esfuerzo y se genera un voltaje. Este efecto se
utiliza para fabricar dispositivos, como generadores de chispa para parrillas de gas y sensores que pueden detectar objetos bajo el agua, como peces y submarinos. Otros ejemplos de
materiales inteligentes incluyen los fl uidos magnetoreológicos o MR, que son pinturas magnéticas que responden a campos magnéticos. Estos materiales los usan General Motors, Ferrari y
Audi para fabricar los sistemas de suspensión de los automóviles que producen. Otros ejemplos de materiales y sistemas inteligentes son los vidrios fotocrómicos y los espejos con
oscurecimiento automático. Materiales estructurales Estos materiales están diseñados para soportar algún tipo de esfuerzo. Se emplean aceros, concreto y compuestos para construir edifi
cios y puentes. Los aceros, los vidrios, los plásticos y los compuestos también se usan ampliamente para fabricar automóviles. Con frecuencia, en estas aplicaciones se necesita combinar
resistencia, rigidez y tenacidad ante distintas condiciones de temperatura y carga.
Tecnología energética y tecnología ambiental La industria nuclear emplea materiales, como el dióxido de uranio y el plutonio, como combustibles. Se recurre a otros muchos materiales,
como vidrios y aceros inoxidables, para manejar materiales nucleares y desechos radiactivos. Las nuevas tecnologías relacionadas con las baterías y las celdas de combustible usan
diversos materiales cerámicos, como la zirconia (ZrO2) y los polímeros. La tecnología de las baterías ha adquirido una importancia signifi cativa debido a la necesidad que tienen muchos
dispositivos electrónicos de contar con energía portátil y más duradera. Las celdas de combustible también se usarán en automóviles eléctricos. Las industrias del aceite y petrolera usa
ampliamente zeolitas, alúmina y otros materiales como sustratos catalizadores. Usan como catalizadores Pt, Pt/ Rh y otros metales. Muchas tecnologías de membranas para la purifi cación
de líquidos y gases usan cerámicas y plásticos. La energía solar se genera con base en el empleo de materiales, como silicio amorfo (a:Si:H). Materiales magnéticos Los discos duros de las
computadoras contienen muchos materiales cerámicos, metálicos y poliméricos, dado que se fabrican utilizando aleaciones basadas UO2, Ni-Cd, ZrO2, LiCoO2, Si:H amorfo Estructurales
Aceros, aleaciones de aluminio, concreto, fibra de vidrio, plásticos, madera Compuestos de C-C, SiO2, silicio amorfo, aleaciones de Al, superaleaciones, ZerodurMR Aeroespaciales
Hidroxiapatita, aleaciones de titanio, aceros inoxidables, aleaciones con memoria de forma, plásticos, PZT Biomédicos PZT, aleaciones con memoria de forma de Ni-Ti, fluidos MR, geles de
polímeros Materiales inteligentes Clasificación funcional de los materiales Si, GaAs, Ge, BaTiO3, PZT, YBa2Cu3O7-x, Al, Cu, W, polímeros conductores Materiales electrónicos SiO2,
GaAs, vidrios, Al2O3, YAG, ITO Materiales ópticos Fe, Fe-Si, ferritas de NiZn y MnZn, Co-Pt-Ta-Cr, g-Fe2O3 Materiales magnéticos Tecnología energética y ambiental Figura 1-5 Clasifi
cación funcional de los materiales. Observe que los metales, los plásticos y las cerámicas aparecen en categorías distintas. Se proporciona un número limitado de ejemplos en cada
categoría. 01Azkeland-01.indd 11 30/03/16 6:42 a.m. 12 Capítulo 1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales en cobalto-platino-tantalio-cromo (Co-Pt-Ta-Cr). También se
emplean muchas ferritas magnéticas con la fi nalidad de fabricar inductores y componentes para transmitir comunicaciones inalámbricas. Los aceros a base de hierro y silicio se usan para
fabricar núcleos de transformadores. Materiales fotónicos u ópticos El sílice se usa ampliamente para fabricar fi bras ópticas. Se han instalado casi 10 millones de kilómetros de fi bra
óptica en el mundo. Los materiales ópticos se emplean para fabricar detectores semiconductores y láseres que forman parte de los sistemas de comunicación de fi bra óptica y otras
aplicaciones. De modo similar, la alúmina (Al2O3) y los granates de itrio aluminio (yttrium aluminum garnets, YAG) se usan para fabricar láseres. Se recurre al silicio amorfo para fabricar
celdas solares y módulos fotovoltaicos. Los polímeros se usan para producir pantallas de cristal líquido (liquid crystal displays, LCD). Materiales inteligentes Un material inteligente puede
sentir y responder a un estímulo externo, como un cambio de temperatura, la aplicación de un esfuerzo o un cambio en la humedad o en el ambiente químico. Por lo regular, un sistema
basado en materiales inteligentes consiste en sensores y activadores que leen cambios e inician una acción. Un ejemplo de un material inteligente de manera pasiva es el titanato de
zirconio de plomo (PZT) y las aleaciones con memoria de forma. Cuando se procesa de manera apropiada, el PZT puede someterse a un esfuerzo y se genera un voltaje. Este efecto se
utiliza para fabricar dispositivos, como generadores de chispa para parrillas de gas y sensores que pueden detectar objetos bajo el agua, como peces y submarinos. Otros ejemplos de
materiales inteligentes incluyen los fl uidos magnetoreológicos o MR, que son pinturas magnéticas que responden a campos magnéticos. Estos materiales los usan General Motors, Ferrari y
Audi para fabricar los sistemas de suspensión de los automóviles que producen. Otros ejemplos de materiales y sistemas inteligentes son los vidrios fotocrómicos y los espejos con
oscurecimiento automático. Materiales estructurales Estos materiales están diseñados para soportar algún tipo de esfuerzo. Se emplean aceros, concreto y compuestos para construir edifi
cios y puentes. Los aceros, los vidrios, los plásticos y los compuestos también se usan ampliamente para fabricar automóviles. Con frecuencia, en estas aplicaciones se necesita combinar
resistencia, rigidez y tenacidad ante distintas condiciones de temperatura y carga.