mateningria

UNIDAD 1.- Clasificación de los materiales
1.1 Generalidades
El quehacer cotidiano de los ingenieros tiene que ver con:
1. Diseño. La reflexión sobre problemas, para que por medio de la ciencia y
la tecnología se puedan diseñar soluciones.
2. Materiales. El análisis y prueba de materiales que permitan aplicar las
soluciones establecidas para solucionar los problemas, estos materiales
deberán cubrir los requerimientos mecánicos, físicos y químicos
necesarios para que se logre la aplicación de la solución obtenida.
También los materiales deberán ser económicos dentro de los márgenes
establecidos por el mercado y la disponibilidad presupuestal.
3. Fabricación. La elaboración de lo necesario para aplicar la solución
obtenida es tarea fundamental del quehacer del ingeniero, toda vez que
casi en todas las ocasiones lo diseñado debe probarse y corregir las fallas.
Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto.
Desde el comienzo de la civilización , los materiales, junto con la energía, han sido
utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos están
fabricados a base de materiales, éstos se encuentran en cualquier parte alrededor
nuestro. Los más comúnmente encontrados son madera , hormigón , ladrillo ,
acero , plástico , vidrio , caucho , aluminio , cobre y papel . Existen muchos más
tipos de materiales y sólo se tiene que mirar alrededor para darse cuenta de ello .
Debido al progreso de los programas de investigación y desarrollo, se están
creando continuamente nuevos materiales.
La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en
productos acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía
actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los
procesos necesarios para su fabricación. Puesto que la producción necesita
materiales , los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades
de los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el más adecuado
para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de
procesado.
Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos
materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes . Los ingenieros
de diseño usan los materiales ya existentes , los modificados o los nuevos para
diseñar o crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de
modo inverso : los ingenieros de diseño tienen dificultades y requieren que sea
creado un nuevo material por parte de los científicos investigadores e ingenieros.
La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo, los
ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que
los motores de reacción puedan funcionar más eficientemente . Los ingenieros
eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los
dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas .
1.2 Materiales Puros
1.3 Aleaciones ferrosas y no ferrosas
Metales Ferrosos
Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el
fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza.
Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso,
vanadio y titanio.
Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:




Fundición de hierro gris
Hierro maleable
Aceros
Fundición de hierro blanco
Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus
principales problemas es la corrosión.
Metales no Ferrosos
Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales
ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en
comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las
nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir
considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido
notablemente en los últimos años.
Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:






Aluminio
Cobre
Magnesio
Níquel
Plomo
Titanio

Zinc
Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos
complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como
materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería
cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce
(cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).
Materiales Metálicos no Ferrosos
El alumno, al final del curso, estará en la capacidad de entender las
características de las aleaciones no ferrosas que las hacen competitivas
con los aceros en aplicaciones para diferentes esfuerzos a pesar de no
poder igualar su resistencia mecánica; entre tales características podemos
nombrar la resistencia a la corrosión, la conductividad eléctrica y una
relación resistencia – peso mayor, entre otras. Además muchos metales no
férreos tienen otras propiedades características, que los hacen ideales para
aplicaciones
en
las
que
el
acero
podría
ser
inadecuado.
El curso pondrá especial énfasis en el estudio de los principales metales no
ferrosos y su importancia industrial, tales como cobre, aluminio, zinc,
magnesio, titanio y sus respectivas aleaciones. Además se estudiaran las
aleaciones antifricción: aleaciones base estaño (babbitts) y aleaciones base
plomo (metal blanco).
1.4 Materiales orgánicos e inorgánicos
Materiales no Metálicos
a. Materiales de origen orgánico
b. Materiales de origen inorgánico
Materiales orgánicos
Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos
materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o
los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas.
Algunos de los representantes de este grupo son:




Plásticos
Productos del petróleo
Madera
Papel


Hule
Piel
Materiales de origen inorgánico
Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetal o relacionados
con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten
el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales
inorgánicos más utilizados en la manufactura son:





Los minerales
El cemento
La cerámica
El vidrio
El grafito (carbón mineral)
Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi
nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular
estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las
características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del
desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento
necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos
aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar
varias veces el costo original del material por lo que su estudio y
perfeccionamiento repercutirán directamente en el costo de los materiales y los
artículos que integraran.
Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales
originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales
para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la
ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un
espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o
fracaso del uso de un material.
1.5 Materiales Cerámicos
Materiales caracterizados, en su mayoría, por estar formados por uniones
inorgánicas de un metal con un no metal, generalmente de los grupos IIIA-VIIA donde la
parte dominante son los óxidos.
Los materiales no metálicos son aisladores ya que ellos no tienen gran
número de e- libres. De aquí que los fonones son los principales responsables
para la conductividad térmica: que es mucho mas pequeño que Kl. Los fonones
no son tan efectivos como los e- libres en el transporte de la energía de calor,
ya que los fonones se difunden por imperfecciones cristalinas.
El vidrio y otros cerámicos amorfos tienen más bajas conductividades
que los cerámicos cristalinos, dado que la difusión de fonones es mucho mas
efectiva cuando la estructura atómica es altamente desordenada e irregular.
La difusión de las vibraciones de la red se vuelve mas pronunciadamente el
aumento de la Temperatura, de aquí que la conductividad térmica de la mayoría
de los cerámicos disminuye cuando aumenta la Temperatura, al menos a
Temperaturas relativamente bajas.
Figura 3. De pendencia de la conductividad térmica con la temperatura para
varios materiales cerámicos.
La conductividad comienza a incrementar a mas altas temperaturas lo
cual se explica por la transferencia del calor radiante (infrarrojos).
La porosidad en los materiales cerámicos puede tener una influencia
dramática sobre la conductividad térmica. Un incremento en el volumen de poro
resultará en una reducción de la conductividad térmica .
UNIDAD 2.- Estructura de los Materiales
2.1 Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades
estructura de los metales
Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de
diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se
encuentra. Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus átomos están
más dispersos o desordenados (a una mayor distancia uno de otro) en
comparación con los átomos de ese mismo material pero en estado líquido o
sólido. Existen materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o
desaliniados aún en su estado sólido, a estos materiales se les llama materiales
amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como un líquido
solidificado.
En el caso de los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se
alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas
pueden ser identificadas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por
medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar
su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrópico.
Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se
trata del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el
carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cúbica de
cuerpo centrado, la malla cúbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta.
Cada una de estas estructuras atómicas tienen diferentes números de átomos,
como se puede ver en las siguientes figuras.
Malla cúbica de
cuerpo centrado
Malla cúbica de cara
centrada
Malla hexagonal
compacta
La malla cúbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la estructura que tiene el hierro
a temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene átomos en cada uno
de los vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro.
También se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno.
La malla cúbica de cara centrada aparece en el hierro cuando su temperatura se
eleva a aproximadamente a 910ºC, se conoce como hierro gamma. Tiene átomos
en los vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los
rayos X por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de
calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la
plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales
que tienen esta estructura de malla.
La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio,
magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la
ductilidad, es frágil.
Modificar a una malla de un metal permite la participación de más átomos en una
sola molécula, estos átomos pueden ser de un material aleado como el carbón en
el caso del hierro, lo que implica que se puede diluir más carbón en un átomo de
hierro. Si se tiene en cuenta que el carbón es el que, en ciertas proporciones, da la
dureza al hierro, entonces lo que se hace al cambiar la estructura del hierro es
permitir que se diluya más carbón, con lo que se modifican sus propiedades.
Otra de las características de los metales que influye notablemente en sus
propiedades es el tamaño de grano, el cual depende de la velocidad de
enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y la naturaleza del
calentamiento que sufrió el metal al ser calentado.
Grano de las estructuras metálicas
Cuando un metal en su estado líquido se enfría sus cristales se van solidificando
formando estructuras dendríticas, las que crecen uniformes hasta que se
encuentran con otra estructura que también ha estado creciendo, en ese lugar de
encuentro de las dos estructuras se forman los límites de los granos de los
materiales. Entre más lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en
el crecimiento de los granos, o sea estos serán de menor tamaño.
Un material con granos pequeños será más duro que un con granos grandes,
debido a que los granos grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el
otro, lo que no sucede con los granos pequeños.
La mejor forma de determinar el tamaño de grano de un material es por medio de
microscopio metalúrgico, el que actúa por medio de un rayo de luz que se lanza
sobre una superficie pulida al espejo y limpiada con una mezcla de 3% de ácido
nítrico y 97% de alcohol, para eliminar lo que se conoce como metal untado.
Microscopio para la medición de grano en un metal
2.2 Materiales puros
2.3 Aleaciones ferrosas y no ferrosos
Los metales al ser calentados pueden modificar su estado físico pasando por
varias etapas, las que van desde la alteración de algunas de sus propiedades hasta
en cambio de su estado sólido al líquido. El qué tan rápido o con qué tanta
energía se logra un cambio de estado en un metal dependerá de los materiales que
lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la
combinación química de dos o más metales se le llama aleación y las propiedades
de las aleaciones dependen también de los metales que la integran.
Algunas de las aleaciones más utilizadas en los procesos de manufactura son:





Latón rojo o amarillo (cobre zinc)
Bronce (cobre, estaño, zinc, plomo)
Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc
Hierro, carbón, cobalto, tungsteno, vanadio, etc.
Cobre, oro, plata
Existen tablas y normas internacionales que especifican la nomenclatura y los
componentes específicos de cada una de las diferentes aleaciones. Las aleaciones
antes señaladas son sólo algunas de las más, existen cientos más de ellas.
Una de las herramientas que nos permiten conocer de manera sencilla y rápida
algunas de las características de las aleaciones son los diagramas de las
aleaciones. Uno de los diagramas de aleaciones más conocido y utilizado del
Hierro y el carbono. También conocido como diagrama hierro, hierro, carbono
(HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus
estructuras cristalinas; también se pueden conocer las temperaturas a las que se
da el cambio de fase de un hierro. En función a la cantidad de carbón que
contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretirá y a la que
se volverá pastoso.
En el eje horizontal del diagrama de Hierro, hierro, carbono se ubica el
porcentaje de carbono que puede estar diluido en el hierro y en el eje vertical se
señalan las temperaturas a las que van sucediendo los cambios señalados en el
cuerpo de la gráfica.
Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la
temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de
estructura o de estado. Por ejemplo si se tiene un hierro con 0.4% de carbón, se
deberá elevar su temperatura hasta los 723°C para que el hierro alfa y la perlita
empiecen a convertirse en austenita y ferrita. Aproximadamente a los 800°C ese
mismo hierro cambiará su estructura a hierro gamma, en donde su componente
principal es la austenita, a los 1480°C empieza a fundirse y arriba de los 1520°C
se ha fundido todo.
A los hierros que están debajo de 0.8% de carbón se les llama hipoeutectoides y a
aquellos que tienen más de 0.8% de carbón se llaman hipereutectoides. El punto
eutéctico es aquel en el que se logra la máxima dilusión de carbón posible en un
hierro a la menor temperatura. En caso de los hierros con carbón el punto
eutéctico se da con 0.8% de carbón y a 723°C.
Cada vez que se rebasa una zona en la gráfica de HHC, se está cambiando de
estructura en el hierro que se está tratando.
2.4 Materiales orgánicos e inorgánicos
2.5 Materiales Cerámicos
UNIDAD 3.- Propiedades de los Materiales
3.1 Eléctricas y Magnéticas
3.2 Térmicas
3.3 Químicas
3.4 Mecánicas
Comportamiento Mecánico de los Materiales.
El estudiante al final del curso estará en la capacidad de analizar el
comportamiento mecánico de un material en función del tipo y de la
intensidad de solicitación mecánica, de la temperatura y de la presencia de
discontinuidades (fisuras) presentes en él, siendo capaz de formular
medidas preventivas para evitar la falla estructural de un componente en
servicio.
Para ello, el curso pondrá especial énfasis en los siguientes puntos:
Introducción a los tipos de falla mecánica en materiales. Estructura y
Deformación en Materiales. Relaciones esfuerzo - deformación:
deformación elástica, deformación plástica, deformación por creep,
materiales isotrópicos y anisotrópicos. Ensayos mecánicos. Fatiga de los
materiales y mecanismo de falla. Deformación plástica y mecanismo de
falla. Creep y relajación de materiales. Mecánica de fractura.
UNIDAD 4.- Aplicaciones de los Materiales
4.1 Industria Básica y Extractiva
4.2 Industria Metal Mecánica
4.3 Fabricación de componentes Eléctricos y Electrónicos
4.4 Industria de la Construcción.
4.5 Agroindustria
BIBLIOGRAFÍA
http://www.pucp.edu.pe/~escgrad/ingcienmat/?sum.htm