Curso de Ingeniería de Materiales

1.1 Materiales en Ingeniería
En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es gracias
a la gran cantidad de información disponible y a las herramientas que permiten predecir el
comportamiento mecánico de un material.
Factores a considerar para la selección de un material:
1.-Factibilidad de fabricación
2.-Estabilidad dimensional
3.-Compatibilidad con los demás materiales
4.-Reciclabilidad
5.-Impacto ambiental durante su fabricación y desecho
6.-Costo de fabricación
Figura 1.1: Ciudad de Querétaro principios de sigloXX
1.2 Tipos de Materiales
1.-Metáles
2.-Cerámicos
3.-Polímeros
4.-Semiconductores
5.-Vidrios
6.-Cemento y Concreto
7.-Compósitos
Cerámicos
Polímeros
Metales
Cerámicos
Polímeros
Compósitos
Auditorio Josefa Ortiz de Domínguez Querétaro. Estructura de Concreto y Acero
METALES
Ferrosos (Aceros y Fundiciones)
No-Ferrosos (Bronces, Latones, Inconel etc..)
CERÁMICOS
Oxidos (Al2O3, ZrO)
Nitruros (Si3N4)
Carburos (WC, TiC, Fe3C)
Compuestos Complejos
VIDRIOS (BASE SILICE Y SILICATOS)
Aplicaciones ópticas
Resistentes al calor
POLÍMEROS (COMPUESTOS ORGANICOS)/RESINAS:
Termofijos: redes poliméricas con enlaces cruzados
Termoplasticos: enredamiento de moléculas de peso molecular alto
CEMENTO Y CONCRETO
COMPOSITOS (MATERIALES COMPUESTOS)
Metal + Cerámico = Compuestos de matriz metálica (MMC) o matriz cerámica (CERMET)
Cerámico 1 + Cerámico 2 = Composito cerámico o Cerámico reforzado (Fibras, hojuelas o
partículas)
Vidrio + Fibra de cerámico = Vidrio cerámico
Fibra de Carbon + Resina (Termofija)
Fibra de Vidrio + Resina (Termofija)
Fibra de Polímero + Resina (Termofija)
Figura 1.1a Comparacion de los valores de limite de cedencia para diferentes materiales
Atributos de los Diferentes Materiales (25 °C)
E=Excelente , A=Alta, M=Media, B=Baja, N=Nula
Propiedad\
Metales
Cerámicos Vidrios Polímeros Cemento y Compósitos
Concreto
Resistencia a la Tensión
E
M
B
M
B
A-M-B
Resistencia a la Compresión M
A
B
A
A
A-M-B
Resistencia a la Flexión
A
M
B
A
M
A-M-B
Resistencia al Desgaste
A
A
B
M
B
A-M-B
Dureza
A-M
A
M
B
M
A-M-B
Tenacidad
A
A
B
A
B
A-M-B
Plasticidad
A
B
N
A
N
A-M-B
Densidad
A-M
M-B
M-B
M-B
M-B
A-M-B
Conductividad térmica
A
B
B
N
B
A-M-B
Conductividad eléctrica
A
M-B
N
N
N
A-M-B
Propiedades Magnéticas
E
E
N
N
N
A-M-B
Figura 1.2: Clases de materiales de ingeníeria y su constitución
1.3 Relación entre estructura, propiedades y procesamiento
El aspecto fundamental que debe tomarse cuando se requiere producir un componente con una
geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría durante su vida útil. Para
poder hacer la mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la compleja relación entre la
estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando alguno de los
tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se ven afectados. Por lo que resulta ventajoso
poder determinar la relación que existe entre estos tres aspectos a fin de obtener el producto
requerido.
Estructuras
Figura 1.3: Átomo (distribución de electrones)
Figura 1.4: Arreglo atómico (tipo de enlace, tamaño relativo de iones o átomos)
Figura 1.5: Granos (forma y tamaño de los granos). Bronce C86300
Figura 1.6: Aleaciones multifásicas (tipo, distribución y cantidad).Composito fibra epoxíca/vidrio
Figura 1.7: Fotografía mostrando dendritas en un rechupe en una aleación Al-Ti. La fotografía
fue tomada usando un microscopio electrónico de barrido
El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de éste. Por ejemplo, una
barra de cobre o acero fabricada por fundición tendrá una microestructura diferente a la de una
barra obtenida por conformado mecánico. La forma, tamaño y orientación de los granos puede
ser diferente. En las fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a la contracción
del metal durante la solidificación, burbujas de gas; partículas no metálicas (inclusiones) y granos
columnares o estructuras dendríticas desarrolladas en la pared del molde hacia el centro de la
pieza.
En el material conformado mecánicamente las partículas no metálicas se deforman en la
dirección del flujo al igual que los granos, la estructura cristalina sufre deformaciones
(texturizado). La estructura y propiedades originales determinan la manera de procesar el
material. Las piezas de fundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante un
conformado mecánico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por alteraciones de la
estructura cristalina se vuelven "fragiles" y pueden fracturarse durante un conformado posterior.
En el caso de los polímeros, sus propiedades mecánicas están determinadas por su estructura
química y peso molecular. Propiedades como la resistencia a la tensión, módulo de Young,
dureza y facilidad de proceso requieren un valor de peso molecular mínimo para alcanzar el
óptimo. Si bien la resistencia mecánica aumenta con el peso molecular, la facilidad de
procesamiento disminuye. Las variables más importantes que determinan el estado físico de un
polímero son la magnitud y naturalea de las restricciones al movimiento de sus cadenas
moleculares, principalmente en el estado amorfo; en cambio cuando existe cierto grado de
cristalinidad el material se endurece, aumentando su punto de fusión y propiedades mecánicas.
Los polímeros clasificados como termoestables o termofijos no pueden deformarse
plásticamente, mientras que los termoplásticos son fácilmente deformables.
Figura 1.8: Diagrama esquematico de una molécula polímerica.
La viscosidad, que es una de la propiedades más importantes de los polímeros, se ve afectada por
el grado de ramificación de sus moléculas.
PROPIEDADES
Propiedades mecánicas.-éstas propiedades determinan cómo responde un material al aplicársele
una fuerza o un esfuerzo. Las propiedades más comunes son la resistencia mecánica, la
ductilidad, y la rigidez del material aunque también son importantes la resistencia al impacto,
resistencia a la fatiga, termofluencia y desgaste. Las propiedades mecánicas no sólo determinan
el comportamiento del material en operación, si no que influyen en la facilidad con que puede ser
conformado en un producto.
Propiedades físicas.-en éstas se incluyen el comportamiento eléctronico, magnético, óptico,
térmico y elástico. Las propiedades físicas dependen tanto de la estructura como del
procesamiento de los materiales.
PROCESAMIENTO
El procesamiento de los materiales genera la forma deseada del componente a partir de un
material uniforme.
Metales
Cerámicos
Fundición
Compactación
Soldadura
Colada en pasta fluida
Forjado, Trefilado, Laminado, Doblado
Colado continuo de suspensión
Metalurgía de polvos
Conformado rotatorio de pasta
Maquinado
Extrusión
Moldeo por inyección
Polímeros
Vidrios
Moldeo por inyección
Moldeo por soplo
Moldeo rotatorio
Extrusión
Conformado
Extrusión
1.4 Efectos ambientales sobre los materiales
La mayoria de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y
climáticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones atmósfericas;
pero en algunos caso las mismas condiciones de servicio requieren materiales expuestos a
condiciones extremas como es el caso partícular de las álabes de turbinas de avión.
Temperatura
Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades de
los materiales, debidos principalmente a:
•
Reblandecimiento
•
Degradación
•
Transformaciones de fases
•
Fragilización
Figura 1.9: Efecto de la temperatura sobre la resistencia mecánica
CorrosiónReacción de un material con el oxígeno u otros gases, particularmente a alta
temperatura. Los líquidos corrosivos también atacan a algunos materiales. De todos los
problemas metalúrgicos que conciernen a un ingeniero, el más importante desde el
punto de vista económico es la corrosión. Los metales no se corroen en lugares donde
no hay atmósferas. La camara Hasselblad que dejaron los astronautas estadounidenses
en La Luna permanece en perfectas condiciones en lo que a partes metálicas concierne,
ya que debido a efectos de la radiación algunos de sus componentes no metálicos
pueden dañarse.
Figura 1.10: Astronauta portando una camara Hasselbland en la superficie lunar
Oxidación o Corrosión en Seco
Los metales del grupo I y II de la Tabla Periodíca reaccionan imediatamente con el oxígeno por
lo que tienen un uso muy limitado en el área de la construcción. Así, la mayoria de los metales
que se utilizan son aquellos que se encuentran en la denominada zona de transición y se
caracterizan por tener menor afinidad por el oxígeno. La oxídación es muy lenta en estos metales
a temperatura ambiente, pero se ve incrementada con el aumento de la temperatura. Cuando el
Fierro se calienta en una atmósfera rica en oxígeno, es cubierto por una capa negra de FeO:
2Fe + O2 → 2FeO
2
Corrosión Electrolítica o Corrosión en Húmedo
La corrosión eletrolítica es de alguna manera la responsable de la mayoría de la corrosión, que
ocurre en los metáles a temperatura ambiente. Este tipo de corrosión ocurre cuando dos metales
con diferentes potenciales de electrodo, que estan en contacto eléctrico uno con otro y en
presencia de un electrólito.
Figura 1.11: Sección de tuberia de un sistema de agua, presentando corrosión localizada
Este tipo de corrosión es muy parecida a lo que ocurre en una celda galvánica, que consiste en
una placa de cobre (Cu) y una de zinc (Zn), inmersas en una solución de ácido sulfúrico
(electrólito). Cuando el circuito es cerrado la corriente empieza a fluir en el amperímetro, ésta
corriente esta compuesta de los electrones que se producen en la placa de Zn, como su
concentración se ve aumentada ahí, los iones Zn++ tienden a fluir hacia la placa de Cu . Los
electrones que fluyen hacia la placa de Cu reducen a los iones H+ produciendo gas H2.
Figura 1.12 Celda electrolítica Zn/Cu.