El contenido siguiente tiene el objetivo, de activar los

U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
El contenido siguiente tiene el objetivo, de activar los conocimientos básicos o previos
necesarios, para facilitar estudio de las tres unidades del curso materiales de ingeniería.
Qué es la manufactura
El ingeniero industrial observa a la manufactura como un mecanismo para la
transformación de materiales en artículos útiles para la sociedad. También es considerada como
la estructuración y organización de acciones que permiten a un sistema lograr una tarea
determinada.
La manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir la materia prima en
productos, conjunto de actividades organizadas y programadas para la transformación de
materiales, objetos o servicios en artículos o servicios útiles para la sociedad. Incluye el diseño
del producto, la selección de la materia prima (Materiales Industriales) y la secuencia de
procesos a través de los cuales será manufacturado el producto.
El diseño y la manufactura deben estar estrechamente interrelacionados, y no deben nunca verse
como disciplinas o actividades por separado. Esta visión ampliada ha sido reconocida como el
área de diseño para la manufactura (dfm). Se trata de un procedimiento completo para la
producción de bienes, e integra el proceso de diseño con los materiales, métodos de
manufactura, planificación de procesos, ensamblaje, prueba y garantía de calidad.
En el diseño y en el proceso de manufactura, se debe tener en cuenta el tipo de materiales a
utilizar o selección de materiales, según sus características y propiedades especificas:
Los tipos generales de materiales empleados hoy en día en la manufactura son los siguientes:
–Metales ferrosos: aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, aceros para herramientas y
dados.
–Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superlaciones, metales
refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo punto de fusión y metales preciosos (oro, oro
blanco, platino, plata, el paladio, el rodio).
–Plásticos: termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros.
–Cerámicas, cerámicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamante —y otros materiales semejantes a
este último—.
–Compuestos: plásticos reforzados, matriz de metal y matriz de cerámica.
Algunas veces, a éstos se les denomina también materiales de ingeniería.
–Materiales especiales: nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas,
superconductores y otros materiales diversos con propiedades únicas.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
Las estructuras aeroespaciales y los productos deportivos han ocupado la primera línea en la
aplicación de los nuevos materiales. Para las estructuras de las aeronaves comerciales la
tendencia es a utilizar más titanio y compuestos, con una reducción gradual en el uso de
aluminio y acero.
Propiedades Mecánicas de los Materiales
Los ingenieros en cargado y responsables de los procesos de manufacturas, como administrador
de los inventarios y/o almacenes de las plantas industriales o empresas de servicios debe tener
las competencias para identificar las propiedades de los materiales involucrados en los proceso
de manufacturas según los diseños de los productos a fabricar:
Al seleccionar los materiales para los productos, primero se consideran sus propiedades
mecánicas —resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y fluencia—. Las
relaciones entre resistencia y peso y entre rigidez y peso también son importantes,
particularmente en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los
plásticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que los aceros y
los hierros fundidos. Las propiedades mecánicas deben valorarse considerando las condiciones
específicas en las que el producto deberá funcionar.
A continuación deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los materiales —calor
específico, dilatación y conductividad térmica, punto de fusión y propiedades eléctricas y
magnéticas—. Las propiedades químicas también desempeñan un papel significativo, tanto en
entornos hostiles como normales. La oxidación, la corrosión, la degradación general de las
propiedades, toxicidad e inflamabilidad están entre los factores que deben considerarse.
Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser
fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa
facilidad.
Propiedades de Manufactura
Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser
fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa
facilidad.
Los principales procesos de manufactura son los siguientes:
–Fundición: de molde desechable y de molde permanente.
–Formado y conformado: laminación, forja, extrusión, estirado, formado de Lámina,
pulvimetalurgia y moldeo.
–Maquinado: torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochado y esmerilado,
maquinado ultrasónico, maquinado eléctrico, electroquímico, y maquinado de haz de alta
energía.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
–Unión: soldadura con y sin aporte de material, soldadura blanda, unión por difusión, unión
adhesiva, y unión mecánica.
–Acabado: asentado, lapeado,
recubrimiento y depósito.
pulido,
bruñido,
desbarbado,
tratamiento
superficial,
Clasificación de los Procesos de Manufactura
De manera general los procesos de manufactura se clasifican en cinco grupos:
Procesos que cambian la forma del
material
Procesos que provocan
desprendimiento de viruta por medio
de máquinas





Metalurgia extractiva
Fundición
Formado en frío y caliente
Metalurgia de polvos
Moldeo de plástico

Métodos de maquinado
convencional
Métodos de maquinado
especial




Con desprendimiento de viruta
Por pulido
Por recubrimiento
Procesos para el ensamblado de
materiales


Uniones permanentes
Uniones temporales
Procesos para cambiar las
propiedades físicas


Temple de piezas
Temple superficial
Procesos que cambian las superficies
Ciencias de Materiales
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente
vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios
para satisfacer sus necesidades. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras
civilizaciones a partir de algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de
Bronce, Edad del Hierro. Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del
hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a
su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre
elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en
los últimos 200 años aproximadamente, los ha capacitado, en alto grado, para modificar o
adaptar las características de los materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este
campo haya sido Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y
su microestructura.
La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de
los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones
propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un
conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a
menudo se presta a confusión.
Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales
para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales,
plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el
descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales y, en especial, del acero.
Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados
materiales semiconductores.
La Edad de Bronce
La edad de piedra se refiere entonces al periodo en el que un grupo humano en particular
empleaba este material junto con otros de origen natural como la madera o el hueso de forma
preponderante. Normalmente se asocia a una etapa poco desarrollada tecnológicamente, lo cual
no es necesariamente cierto, ya que culturas que lograron importantes avances culturales como
los Aztecas o los Mayas no superaron formalmente la edad de piedra, no por falta de avances
sino por la enorme variedad de materiales pétreos con los que estas sociedades contaban los
cuales suplían ampliamente las necesidades que enfrentaron.
La edad de bronce, a la cual algunos se refieren como "edad de los metales" se refiere al uso de
metales y aleaciones, cuya importancia radica en que la obtención de ellos requiere de la
adquisición de tecnologías metalúrgicas complejas. El bronce es la más famosa de las
aleaciones a las que se refiere la historia para referirse a la aparición de culturas clásicas y el
acero para la era de la revolución industrial.
Ciencias de Materiales
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente
vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios
para satisfacer sus necesidades. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras
civilizaciones a partir de algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de
Bronce, Edad del Hierro. Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del
hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a
su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre
elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en
los últimos 200 años aproximadamente, los ha capacitado, en alto grado, para modificar o
adaptar las características de los materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este
campo haya sido Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y
su microestructura.
La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de
los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones
propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un
conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a
menudo se presta a confusión.
Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales
para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales,
plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el
descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales y, en especial, del acero.
Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados
materiales semiconductores.
Categorías de Materiales
La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su
estructura atómica. Son los siguientes:





Metales
Cerámicos
Polímeros
Materiales compuestos
Semiconductores
Algunos libros hacen una clasificación más exhaustiva, aunque con estas categorías cualquier
elemento puede ser clasificado.
En realidad en la ciencia de materiales se reconocen como categorías únicamente los Metales,
los materiales Cerámicos y los Polímeros, cualquier material puede incluirse en una de estas
categorías, así pues los semiconductores pertenecen a los materiales cerámicos y los materiales
compuestos no son más que mezclas de materiales pertenecientes a las categorías principales.
Aplicaciones de Materiales y la Relación con la Industria
Los avances radicales en los materiales pueden conducir a la creación de nuevos productos o
nuevas industrias,. Las aplicaciones industriales de la ciencia de materiales incluyen la elección
del material, su coste-beneficio para obtener dicho material, las técnicas de procesado y las
técnicas de análisis.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
Dejando aparte los metales; los polímeros y cerámicas son también muy importantes en la
ciencia de materiales. Los polímeros son un material primario usado para conformar o fabricar
plásticos. Los plásticos son el producto final después de que varios polímeros y aditivos hayan
sido procesados y conformados en su forma final. El PVC, polietileno, son ejemplos de
plásticos.
En lo que respecta a los cerámicos, se puede citar la arcilla, así como su modelado, secado y
cocido para obtener un material refractario.
La estructura cristalina es una parte esencial en esta ciencia. Esta por ejemplo es del sistema
ortorrómbico.
La ciencia de materiales abarca muchísimos temas, desde la estructura atómica, propiedades de
los diferentes materiales, procesos y tratamientos.
Este sería un resumen a gran escala:










Estructura atómica y enlaces interatómicos
Estructura de sólidos cristalinos
Imperfecciones en estructuras cristalinas
Procesos de difusión atómica
Propiedades de los materiales
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
Rotura
Diagramas de fases
Transformaciones de fases
Tratamientos térmicos y aleaciones.
TIPOS DE MATERIALES: METALES
La pregunta más obvia que formulará el estudiante al comenzar un curso de introducción a los
materiales es: «¿Cuáles son los materiales de los que se dispone?». Para contestar a esta
pregunta con generalidad es posible dar varias clasificaciones. En este curso se distinguirán
cuatro categorías que abarcan los materiales disponibles por los ingenieros en su práctica
profesional: metales, cerámicos, polímeros y compuestos.
1. METALES - Si existe un material «característico» que el público en general asocia con la
ingeniería es el acero estructural. Este versátil material de construcción posee varias
características, o propiedades:
(1) Es resistente y puede ser conformado fácilmente.
(2) Su capacidad para experimentar una gran cantidad de deformación permanente
(3) La superficie recién cortada del acero muestra un brillo metálico característico.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
(4) una barra de acero comparte una característica fundamental con otros metales: es una buena
conductora de la corriente eléctrica.
Si bien el acero estructural es un ejemplo muy común de los metales para la ingeniería, es fácil
recordar muchos más:
Una aleación es un metal compuesto por más de un elemento químico. Las aleaciones para
ingeniería incluyen los hierros y los aceros (base hierro), las aleaciones de aluminio (Al), las de
magnesio (Mg), las de titanio (Ti), las de níquel (Ni), las de cinc (Zn) y las de cobre (Cu),
incluyendo los latones (aleaciones cobre-cinc) y los bronces (aleaciones cobre-estaño).
TIPOS DE MATERIALES: CERAMICOS
2. CERÁMICOS Y VIDRIOS
El aluminio (Al) es un metal común, pero el óxido de aluminio, un compuesto de aluminio y
oxígeno (Al203), es característico de una familia completamente distinta de materiales para
ingeniería: los materiales cerámicos. El óxido de aluminio tiene dos ventajas principales sobre
el aluminio metálico. La primera es que el Al203 es químicamente estable en una gran variedad
de ambientes severos, en los que el aluminio metálico se oxidaría, la segunda ventaja es que el
Al203 tiene una temperatura de fusión significativamente mayor (2.020 °C) que el aluminio
metálico (660 °C). Esto hace del Al203 un refractario bastante común, esto es, un material
resistente alas altas temperaturas, ampliamente utilizado en la construcción de hornos.
Puesto que tiene mejores propiedades químicas y mayor resistencia a altas temperaturas, ¿por
qué no se utiliza el Al203 en ciertas aplicaciones, como por ejemplo en motores de
automóviles, en lugar del aluminio metálico? La respuesta a esta pregunta se encuentra en la
propiedad más desfavorable de los cerámicos: su fragilidad. El aluminio y otros metales tienen
la propiedad de ser dúctiles, lo cual les permite soportar cargas severas de impacto sin romper,
mientras el óxido de aluminio y otros cerámicos no pueden hacerlo. Esto elimina a los
cerámicos de la selección en muchas aplicaciones estructurales.
Los recientes desarrollos en la tecnología de los cerámicos están haciendo aumentar la
utilización de estos materiales en aplicaciones estructurales, no por eliminar su inherente
fragilidad, sino incrementando su resistencia a valores lo suficientemente elevados y
aumentando su resistencia a la fractura.
La mayor parte de los cerámicos con importancia comercial son compuestos químicos
constituidos por al menos un elemento metálico y uno de los cinco elementos no metálicos que
se indican (C, N, O, P o S).
TIPOS DE MATERIALES: POLIMEROS
3. POLÍMEROS
Estos materiales constituyen una rama especial de la química orgánica.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
El polímero más común es el polietileno. Muchos polímeros importantes, incluido el
polietileno, son simplemente compuestos de carbono e hidrógeno. Otros contienen oxígeno
(como los acrílicos), nitrógeno (como los naylons), flúor (como los plásticos fluorados), o
silicio (como las siliconas), son materiales artificiales o sintéticos.
Como su nombre indica, los «plásticos» comparten, normalmente, con los metales la propiedad
mecánica de la ductilidad. Entre las propiedades importantes relacionadas con el enlace
químico están la menor resistencia en comparación con los metales, y la menor temperatura de
fusión y mayor reactividad química que los no metales de la categoría anterior, cerámicos y
vidrios.
TIPOS DE MATERIALES: COMPUESTOS
4. MATERIALES COMPUESTOS
Las tres categorías anteriores de materiales estructurales para ingeniería (metales, cerámicos y
polímeros) contienen varios elementos y compuestos que pueden ser clasificados por su enlace
químico. Existe además un importante conjunto de materiales que representa una combinación
de materiales individuales pertenecientes a las categorías previas. Este cuarto grupo es el de los
materiales compuestos, y quizá el mejor ejemplo lo constituya el plástico reforzado con fibra de
vidrio.
Este material compuesto, formado por una serie de fibras de vidrio dentro de una matriz
polimérica, es una invención relativamente reciente, pero en muy pocas décadas se ha
convertido en un material familiar. El plástico reforzado con fibra de vidrio es un material
compuesto característico y bastante bueno, que reúne lo mejor de sus componentes; tiene las
mejores propiedades de cada componente y es un producto superior a cualquiera de sus
componentes por separado.
La alta resistencia de las fibras de vidrio de pequeño diámetro se combina con la ductilidad de
la matriz polimérica para producir un material resistente, capaz de soportar la carga normal
necesaria en un material estructural.
Los tres tipos principales de estructuras compuestas con aplicación en ingeniería; a) Polímero
sintético reforzado con fibra de vidrio, b) La madera un compuesto natural, matriz y fibra
natural y c) Compuesto granular, hormigón.
El plástico reforzado con fibra de vidrio es el prototipo de muchos materiales sintéticos
reforzados con fibras. La madera es un excelente ejemplo de un material natural con
propiedades mecánicas útiles debido a su estructura reforzada con fibras.
El hormigón es un ejemplo bastante común de un material compuesto granular. En él la arena y
la grava refuerzan una matriz compleja de cemento de silicato. Además de estos ejemplos
relativamente comunes, el campo de los materiales compuestos incluye algunos de los
materiales más avanzados que se utilizan en ingeniería.
U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería
Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería
Walberto Roca Bechara
Referencia Bibliográfica.
Serope Kalpakjian y Steven R. Schmid: Manufactura, ingeniería y tecnología. México, 2002:
Pearson Educación.
Shackelford James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros
Askeland, donald r. ciencia e Ingeniería de los materiales. México. 1998. International
Thomson Editores