Sean bienvenidos al estudio de la Ciencia e ingeniería de los materiales Indicaciones generales : Todo participante deberá elaborar una libreta de apuntes, en la que aparecerán, además de los resúmenes de cada subtema del programa, un glosario de términos desconocidos, por unidad, y los cuestionarios resueltos por cada subtema del programa. Los subtemas deberán estudiarse por anticipado y la resolución del cuestionario, será en clase o inmediatamente al término de la misma.

Ciencia e Ingeniería de los materiales Introducción RMG

¿Que es la ciencia e Ingeniería de los materiales? Es un campo interdisciplinario que se ocupa de inventar nuevos materiales y mejorar los ya conocidos, mediante el desarrollo de un conocimiento más profundo de las relaciones entre microestructura, composición (composición química de un material), síntesis y procesamiento.

Estructura Este término se utiliza para describir el arreglo atómico de los materiales Síntesis Significa la manera en que se fabrican los materiales a partir de elementos naturales o hechos por el hombres

Procesamiento El término indica el modo en que se conforman los materiales en componentes útiles y para causar cambios en las propiedades de distintos materiales.

Función del ingeniero y científicos en materiales Establecer las relaciones entre las propiedades y el funcionamiento de un material o dispositivo. En ingeniería de materiales el enfoque es hacia como convertir o transformar los materiales en dispositivos o estructuras útiles (como aprovecharlos)

Un ejemplo sencillo y cotidiano Si un alambre de cobre se dobla y endereza en forma repetida, este se endurece y se vuelve cada ves más frágil que termina por romperse. La resistencia eléctrica, así como su temperatura también aumentan con el doblado repetido. Obsérvese que no se cambió la composición del material (Constitución química) Pero sí su estructura interna (lo que modifica sus propiedades fisico-mecánicas)

Una Clasificación de los materiales 1.- Metales y aleaciones 2.- Cerámicos, vidrios y vitrocerámicos 3.- Polímeros (plásticos) 4.- Semiconductores 5.- Materiales compuestos

Propiedades de los materiales Resistencia la tensión Resistencia a la compresión Resistencia a la tracción Resistencia al impacto Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión

Propiedades de los materiales Maleabilidad Ductilidad Conductividad térmica Conductividad eléctrica Resistividad Calor específico, entre otras.

¿Para qué nos sirve? Para entender su comportamiento y así poder: Crear nuevos materiales con propiedades específicas Desarrollar nuevas aplicaciones

Fig. 1.2 La tabla de resistencias de diversas categorías de materiales

Metales y aleaciones Incluyen aceros, hierro colado, aluminio, magnesio, zinc, titanio, cobre y níquel. En general tienen buena conductividad térmica y eléctrica. Alta resistencia, gran rigidez. ductilidad (fomabilidad) Muy útiles en aplicaciones estructurales o bajo cargas dinámicas. Se usan puros pero las mezclas llamadas aleaciones permiten mejorar las propiedades

Tabla 1.3 Ejemplos representativos, propiedades y aplicaciones de algunos materiales

Cerámicos, vidrios y vitrocerámicos Son materiales cristalinos e inorgánicos (materiales naturales como arena de las payas y rocas) Las cerámicas tradicionales se usan para fabricar ladrillos, vajillas, artículos sanitarios, refractarios, y abrasivos. En general debido a la porosidad no son buenos conductores del calor y deben calentarse a temperaturas muy elevadas para que se fundan.

Son resistentes y duros pero también muy frágiles. Los cerámicos tienen una resistencia excepcional a la compresión Normalmente se preparan polvos muy finos para moldearlos en diversas formas

Los cerámicos avanzados Son producto del refinamiento de cerámicos naturales con procesos especiales. Se usan en sustratos que albergan chips de computadoras, sensores y actuadores, capacitores, comunicaciones inalámbricas, bujías de motores y aislantes eléctricos.

Algunos cerámicos se usan como “recubrimientos especiales”.

Vidrio Es un material amorfo y se obtiene con frecuencia de la sílice fundida. El término amorfo se aplica a materiales sin arreglo regular y periódico de sus átomos. Aplicación en casas, automóviles, pantallas de computadoras, y TV. Y muchas otras.

El vidrio se puede tratar térmicamente (templar) para hacerlos más resistentes. Al moldear los vidrios y nuclear (formar) pequeños cristales dentro de ellos con un proceso térmico especial, se producen materiales llamados vitrocerámicas. El “zerodur” es un ejemplo de estos y se usa para fabricar los sustratos de espejos de telescopios.

Los vidrios y las vitrocerámicas suelen procesarse por fusión y colado. La industria de las fibras ópticas se basa en esas fibras que son de vidrio de sílice de alta pureza.

Polímeros Son materiales orgánicos muy comunes. Se producen mediante un proceso llamado polimerización Entre los materiales poliméricos están: el caucho (elastómeros) y muchas clases de adhesivos. Tienen una resistencia eléctrica y térmica muy buena. Pero no resisten altas temperaturas. Muchos polímeros resisten las sustancias corrosivas

Aunque no son muy resistentes a cargas tienen una buena relación resistencia- peso. Su aplicación es amplia, desde chalecos antibalas, discos compactos cuerdas y pantallas de cristal líquido (LCD), ropa y recipientes térmicos para café.

Polímeros termoplásticos Sus cadenas son largas pero no están unidas en forma rígida, tienen buena ductivilidad y formabilidad. Se fabrican conformándolos en estado fundido

1.3 Arreglos de estructura de polímeros en forma de cadenas enredadas pero no unidas

Polímeros termofijos Son más resistentes, pero más frágiles porque las cadenas moleculares están más estrechamente enlazadas (ver fig. 1.3) Se obtienen mediante colada en moldes. Los plástico contienen aditivos.

Materiales Semiconductores La conductividad eléctrica de los semiconductores es intermedia entre los aislantes y los conductores metálicos. En algunos, de ellos se puede incluso, controlar el valor de la conductividad., lo que permite usarlos en dispositivos en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y circuitos integrados.

Los semiconductores han dado un gran impulso a las comunicaciones e informática (Era de la Información)

Materiales compuestos (o Compositos) Se forman a partir de dos o más materiales, con la idea de conjuntar las propiedades que uno por si sólo no posee. El concreto, la madera terciada y los plásticos reforzados con fibras de vidrio son ejemplos de materiales compuestos.

La fibra de vidrio hace más resistente al polímero sin aumentar mucho su densidad. Con materiales compuestos se pueden obtener materiales ligeros, resistentes a la temperatura, aumenta su resistencia a esfuerzos, dúctiles. También se pueden fabricar herramientas de corte duras, pero resistentes al choque.

Los vehículos aéreos y aeroespaciales dependen mucho de los materiales compuestos (polímeros reforzados con fibra de carbono) Algunas aplicaciones: Partes de aviones, raquetas, bicicletas deportivas, palos de golf. Características: ligeros, resistentes y rígidos.

Clasificación de los materiales en base a su estructura Recordemos que el término: Estructura significa arreglo atómico de un material y que: Algunos materiales pueden ser cristalinos (los átomos del material se arreglan en forma periódica) o: Pueden ser amorfos (los átomos no presentan un arreglo ordenado de gran longitud)

Pero otros pueden estar formados por muchos cristales o granos y se les llama POLICRISTALINOS. Las características de los cristales o granos (tamaño, forma, etc.) y las regiones entre ellos (Límites de grano) determinan sus propiedades.

1.4 Fig. micrografía del acero inoxidable mostrando granos y límites

Factores que afectan las propiedades de materiales Los cambios de TEMPERATURA (caso Del casco del Titanic y de los “o” del Challenger. La CORROSIÓN mayoría de los metales y los polímeros reaccionan con el oxígeno u otros gases. Los metales y los cerámicos se pueden desintegran.

Los polímeros y los cerámicos sin óxido se pueden oxidar No se debe exponer un materia a cargas que provoquen una deformación permanente (FATIGA) y tomar en cuenta que la acción repetida de carga y descarga (miles de veces) lleva a la fatiga (caso del alambre) Lo anterior es importante porque el ingeniero debe tener en cuenta dichos efectos en las aplicaciones.

Tabla 4 Relación de resistencia a peso de varios materiales