INTRODUCCION A LA ING. DE MATERIALES

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE MATERIALES

1. Evaluar el comportamiento de los materiales a través de la historia.

1.1. Evolución de los materiales utilizados en la Ingeniería.

A través de la historia de la humanidad, los materiales disponibles en cada momento han limitado las posibilidades de diseño. La sociedad ha nombrado los periodos pasados en base a los materiales: edad de piedra, edad de bronce, edad de hierro y ahora la edad de los materiales diseñados. No ha existido una era como la actual, donde la evolución de los materiales es tan rápida y el rango de sus propiedades tan variadas, que origina una situación bastante difícil y crítica la tarea de seleccionar un material óptimo o combinación de materiales óptimos, unido a ello, las consecuencias económicas de tales decisiones son mayores.

Figura 1

Los materiales de la prehistoria (edad de piedra, >10000 AC.) fueron las cerámicas, vidrios, polímeros y compuestos naturales. Las armas, que siempre es el punto máximo de la tecnología de la época, fueron hechas de madera y pedernal; sus edificaciones y puentes hechos de piedra y madera. El oro y la plata fueron aprovechados, pero jugaron un rol de menos importancia en la tecnología de la época. El descubrimiento del cobre y bronce (edad de bronce, 4000 AC – 1000 AC) y del hierro (edad de hierro 1000 AC-1620 DC) generaron un gran avance, las antiguas armas y herramientas fabricadas de madera y piedra fueron reemplazadas por estos materiales. La tecnología del hierro fundido (1620-1850) estableció e dominio de los metales en la ingeniería; y se fortaleció su posición con la evolución del acero, aleaciones ligeras y aleaciones especiales. En la década de los años 60 hablar de los “materiales de ingeniería” significaba “metales”, y en las Escuelas de Ingeniería las disciplinas trataban el estudio de los materiales se reducía a la Ingeniería Metalúrgica, otros tipos de materiales eran apenas mencionados. En las décadas de los 60 y 70, la industria de las superaleaciones observó un rápido desarrollo, algunas tecnologías de esa época fueron: la fundición por inducción al vacío, la fundición por arco de vacío, la solidificación direccional, la tecnología de monocristales y el procesamiento mediante pulvimetalurgia.

En la actualidad, la situación ha cambiado radicalmente, el desarrollo de nuevas aleaciones metálicas es ahora lento; la demanda del acero y las fundiciones ha disminuido. Por otro lado las industrias de polímeros y compuestos están creciendo rápidamente, y las proyecciones del crecimiento de la producción de nuevos cerámicos de alto rendimiento sugieren también una rápida extensión. Esta tendencia parece apuntar que se mantendrá en el futuro.

1.2. Materiales de Ingeniería

Es convencional clasificar los materiales de ingeniería dentro de seis clases amplias: materiales metálicos, polímeros, elastómeros, cerámicos, vidrios y compuestos. Los materiales pertenecientes a cada clase tienen características en común, propiedades afines, métodos de procesamiento similares, y, frecuentemente, aplicaciones semejantes, esto permite su diferenciación.

Otra forma de clasificar los materiales de ingeniería, es mediante materiales estructurales y materiales funcionales. El término “estructural” se aplica a los materiales con propiedades fundamentalmente mecánicas (rigidez, resistencia mecánica, tenacidad, etc.) y de superficie (resistencia a la fricción, desgaste, oxidación, corrosión, etc.) que son importantes para la construcción de componentes. Se reserva el nombre de materiales “funcionales” para aquellos requeridos por sus propiedades eléctricas (conductividad, resistividad, superconductividad, semiconductividad), magnéticas, radioactivas, termoiónicas, etc.

1.2.1. Materiales Metálicos

Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestos de uno o más elementos metálicos (metal compuesto por más de un elemento, constituye una aleación), pudiendo contener también algunos elementos no metálicos. Ejemplo, de elementos metálicos tenemos al hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio. Elementos no metálicos, como el carbono, oxígeno y nitrógeno pueden también estar presentes en los materiales metálicos.

Normalmente los metales y aleaciones se clasifican en: metales y aleaciones ferrosas que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y las fundiciones; y metales y aleaciones no ferrosas que carecen de hierro o sólo contienen cantidades relativamente pequeñas. Ejemplo de metales no ferrosos son aluminio, cobre, zinc, titanio y níquel.

El material metálico que es conocido por cualquier persona común, por su amplio uso en la ingeniería, es el acero. Esta aleación está constituida por hierro con adiciones de carbono menores a 2.11% en peso, adiciones mayores a este porcentaje constituyen las fundiciones. El acero, después del hormigón, es el material estructural más utilizado; esto debido a sus diversos mecanismos de endurecimiento que presenta, lo que le permite usos diversos como:

• Aceros de bajo carbono (suaves) - Usos para tensiones bajas: aceros de construcción en general, aprobado para procesos de soldadura.

• Aceros de medio carbono - Usos para tensiones medias: partes de maquinaria como tuercas y tornillos, ejes, engranajes, etc.

• Aceros de alto carbono - Usos para las tensiones altas: resortes, herramientas de corte, troque, etc.

• Aceros de baja aleación - Usos para tensiones altas: recipientes a presión, partes de aviones, etc.

• Aceros de alta tensión (“inoxidables”) - Usos para altas temperaturas-medios expuestos alta corrosión, plantas químicas o generadoras de vapor.

• Fundiciones de hierro - Usos para tensiones bajas: cajas de motores, tubos de drenaje, etc.

Un importante grupo de aleaciones son aquellas de base cobre. El cobre presenta aplicaciones diversas entre las cuales la industria eléctrica consume alrededor de 50% en peso y la construcción el 23%. La importante propiedad intrínseca del cobre, que determina la mitad de su consumo, es su alta conductividad eléctrica. Tiene una moderada resistencia mecánica que puede mejorar por endurecimiento estructural mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos aleantes (Ejemplo, 2%Be). La resistencia del cobre aumenta considerablemente por deformación en frío, esto lo demuestra su relación tensión de fluencia/tensión de tracción que es aproximadamente 0.35.

Metal Composición Típica Usos Comunes

Cobre 100%Cu Dúctil, resistente a la corrosión y un buen conductor eléctrico: tuberías de agua, alambre eléctrico, etc.

Latone Cu-30%Zn Más resistente que el cobre, buena maquinabilidad, razonable resistencia la corrosión: tubos de unión para agua, tornillos, componentes, eléctricos, etc.

Bronces Cu-10-30%Sn Buena resistencia a la corrosión: cojinetes, hélices de barcos, campanas, etc.

Cuproníquel Cu-30%Ni Buena resistencia a la corrosión, acuñación, etc.

Entre las aleaciones de cobre más importantes tenemos: latones (Cu-Zn), bronces (Cu-Sn), cuproníqueles (Cu-Ni), cuproaluminios (Cu-Al), alpacas (Cu-Ni-Zn), etc., que se emplean ampliamente en la industria naval, aprovechando sus buena resistencia a la corrosión.

El níquel y sus aleaciones forman otra importante clase de metales no ferrosos. El principal consumo del níquel es como elemento de aleación de los aceros (45%), debido a que le proporciona a los aceros ciertas propiedades como: templabilidad, resistencia a temperaturas criogénicas, resistencia a la corrosión acuosa, etc. El níquel, debido a su alta resistencia elevadas temperaturas y buena resistencia a la oxidación a estas temperaturas, es el metal base de las denominadas superaleaciones; esto ha permitido la fabricación de modernos motores de turbinas para avión. Aproximadamente un 8% de la producción de níquel se emplea en la fabricación de superaleaciones. Además, sus buenas propiedades magnéticas del níquel permite la fabricación de imanes permanentes, como es el caso de la aleación Alnico (30%Ni-12%Al, resto Fe) y el Permaloy (66-90% Ni y el resto Fe). Algunas aleaciones de níquel, como el Invar (36%Ni-resto Fe), son de interés debido a su bajo coeficiente de dilatación.

El aluminio es uno de los metales más consumido en el mundo, tiene una densidad de 2.69 g/cm3, alrededor de la tercera parte del hierro; por lo que sus aleaciones reciben el nombre de aleaciones ligeras. Con adición de elementos de aleación y después de un tratamiento térmico apropiado, se consigue mejorar la resistencia mecánica del aluminio por endurecimiento estructural. Por ejemplo, la resistencia a la tracción del duraluminio Al-4%Cu-1%Mg (serie 2000), es cinco veces mayor al aluminio; de manera similar el Al-6%Zn-1%Mg (serie 7000) es seis veces mayor. Las principales familias convencionales de las aleaciones ligeras, además de mejorar su resistencia mecánica, tienen por objeto mejorar su resistencia a la corrosión (aleaciones Al-Mg), y su aptitud para el moldeo (siluminios, aleaciones Al-Si).

El titanio se presenta como un material estructural importante debido a su baja densidad (4.75 g/cm3), su alta temperatura de fusión (1668°C), y su resistencia a la oxidación. Sus características mecánicas son buenas, comercialmente puro presenta una tensión de fluencia de 170 MPa y una tensión a la tracción de 240 MPa. Esta característica puede mejorarse con la adición de elementos de aleación y tratamientos térmicos; por ejemplo, la aleación Ti-6% Al-4% V presenta una tensión de fluencia de 9000 MPa y una tensión a la tracción de 1000 MPa.

Estos materiales tienen un módulo elástico relativamente alto y pueden ser endurecidos por adiciones de elementos aleantes y por tratamientos térmicos y mecánicos. No obstante, ellos permanecen lo suficientemente dúctiles para conformarlos mediante deformación. Ciertas aleaciones de alta resistencia tienen ductilidad tan baja como 2%, pero aun así es suficiente para asegurar que el material fluirá antes de la fractura, y que cuando esto ocurra, sea del tipo dúctil. En parte debido a su ductilidad, los metales son propensos a la fatiga; y de todas las clases de material, ellos son los menos resistentes a la corrosión.

1.2.2. Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. La mayoría de los materiales cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a ser frágiles (con poca o nula deformación antes de la fractura). Destacan entre las ventajas de los materiales cerámicos para aplicaciones industriales su peso ligero, gran resistencia y dureza, buena resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes.

Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos materiales cerámicos, los vuelve útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones.

La nueva generación de materiales cerámicos llamados cerámicos de ingeniería, cerámicos estructurales o cerámicos avanzados tienen mayor resistencia, mejor resistencia al desgaste y a la corrosión (aun a temperaturas altas) y al choque térmico. Entre los materiales cerámicos avanzados establecidos están la alúmina (óxido), el nitruro de silicio (nitruro) y el carburo de silicio (carburo).

Una importante aplicación de los cerámicos avanzados en la aeronáutica son las losetas cerámicas del transbordador espacial. Las losetas cerámicas están fabricadas con carburo de silicio por la capacidad de este material para actuar como escudo térmico y volver rápidamente a temperaturas normales al retirarse la fuente de calor. Estos materiales cerámicos protegen térmicamente la estructura interna del transbordador durante el lanzamiento y su regreso a la atmósfera terrestre.

Otra aplicación de los cerámicos avanzados que apunta a la versatilidad, importancia y crecimiento futuro de esta clase de materiales es su empleo como material para herramientas de corte. Por ejemplo, el nitruro de silicio, que tiene alta resistencia al choque térmico y resistencia a la fractura, es un excelente material para herramientas de corte.

Las aplicaciones de los materiales cerámicos son en verdad ilimitadas, dado que se hacen en las industrias aeronáutica, metalúrgica, biomédica, automotriz y muchas más. Las dos principales desventajas de este tipo de materiales son la dificultad para elaborar con ellos productos terminados, y por tanto su alto costo y que son frágiles y, comparados con los metales, tienen baja tenacidad.

Si avanzan más las técnicas para fabricar materiales cerámicos de gran resistencia a la tenacidad, estos materiales podrían tener un enorme repunte en el campo de las aplicaciones de ingeniería.

1.2.3. Materiales Poliméricos

Los materiales poliméricos estas formados por largas cadenas de moléculas orgánicas. En el caso de materiales poliméricos orgánicos naturales tenemos: celulosa, caucho, petróleo, etc. La celulosa es el polímero orgánico natural de mayor importancia, se encuentra presente en el algodón y en la parte leñosa de las plantas. De ella se deriva los polímeros termoplásticos celulósicos.

Los materiales poliméricos orgánicos artificiales, se forman por la unión repetida de moléculas orgánicas sencillas llamadas monómeros, los cuales tienen por lo menos un enlace doble que se puede abrir bajo influencia de un catalizador o a una temperatura especifica. Tomemos como ejemplo el caso más sencillo de los polímeros, el polietileno, el cual se inicia con el gas etileno, que contiene solo dos átomos de carbono, al romperse el enlace doble, deja dos enlaces libres que permite continuar enlazando monómeros adicionales hasta formar una macromolécula. Los finales de la cadena, se enlazan con otras macromoléculas o se cierran con otro radical que recibe el nombre de terminal. El número de monómeros que componen una macromolécula define su grado de polimerización.

Una de las aplicaciones más recientes de materiales poliméricos ha sido en la fabricación de discos de video digitales (DVD). En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de descomposición relativamente bajas. De acuerdo con algunas predicciones, se espera que los plásticos industriales, como el nailon, sigan compitiendo con los metales.

Las industrias proveedoras de polímeros se centran cada vez más en la creación de mezclas de polímeros con otros polímeros, conocidas también como aleaciones o mezclas, para ajustarlas a aplicaciones específicas para las cuales ningún otro polímero es adecuado por sí solo. Debido a que las mezclas se producen con base en los polímeros existentes con propiedades bien conocidas, su creación resulta menos costosa y más confiable que sintetizar un polímero único para una aplicación específica. Por ejemplo, los elastómeros (un tipo de polímero muy deformable) suelen mezclarse con otros plásticos para mejorar la resistencia del material al impacto. Esas mezclas tienen un empleo importante en parachoques automotores, alojamientos de las herramientas motorizadas, artículos deportivos y componentes sintéticos de muchas instalaciones de pistas de atletismo techadas, que suelen estar fabricadas con una combinación de caucho y poliuretano.

Los revestimientos acrílicos mezclados con varias fibras y materiales de refuerzo y colores brillantes se emplean como material de revestimiento para pistas de tenis y patios de juegos. Sin embargo, otros materiales de revestimiento fabricados con polímeros se están empleando para proteger de la corrosión, ambientes químicos amenazantes, choque térmico, impacto, desgaste y abrasión. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones.

1.2.4. Materiales Compuestos

Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales (fases o constituyentes) integrados para formar un material nuevo. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos. La mayoría de los materiales compuestos están formados por un material específico de relleno que a su vez sirve de refuerzo, y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas.

Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente gracias a la interfaz que existe entre ellos. Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Los que predominan son los fibrosos (compuestos o fibras en una matriz) y los particulados (compuestos o partículas en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de materiales de refuerzo y matrices que puede emplearse para producir materiales compuestos. Por ejemplo, el material de la matriz puede ser un metal, como el aluminio; una cerámica, como la alúmina; o un polímero, como la resina epóxica.

Dependiendo del tipo de matriz empleado, el material compuesto puede clasificarse como compuesto de matriz metálica (MMC, por sus siglas en inglés), compuesto de matriz cerámica (CMC, por sus siglas en inglés), o compuesto de matriz polimérica (PMC, por sus siglas en inglés). También pueden seleccionarse los materiales fibrosos o particulados entre cualquiera de las tres clases principales de materiales con ejemplos como carbón, vidrio, aramida, carburo de silicio y otros.

Las combinaciones de materiales empleados en el diseño de compuestos dependen principalmente del tipo de aplicación y ambiente en el que el material habrá de emplearse.

Los materiales compuestos han sustituido a numerosos componentes mecánicos, en particular en las industrias aeronáutica, electrónica de la aviación, automotriz, de estructuras civiles y de equipo deportivo. Se ha previsto un aumento anual medio de alrededor de 5% en el empleo futuro de estos materiales. Una de las razones de ello es su elevada relación de resistencia y rigidez-peso. Algunos materiales compuestos avanzados tienen una rigidez y resistencia similar a la de algunos metales, pero con una densidad considerablemente menor y, por lo tanto, menor peso general de los componentes. Estas características vuelven muy atractivos a los materiales compuestos avanzados cuando el peso de los componentes resulta crucial. Por regla general, de manera similar a los materiales cerámicos, las principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos son su fragilidad y baja tenacidad. Algunos de los inconvenientes pueden superarse, en determinadas situaciones, mediante la selección adecuada del material de la matriz.

Dos tipos sobresalientes de materiales compuestos modernos empleados en aplicaciones industriales son el refuerzo de fibra de vidrio en una matriz de poliéster o de resina epóxica y fibras de carbono en una matriz de resina epóxica.

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