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1.1 Materiales en IngenieríaEn 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 Materiales1.-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 materialesAtributos de los Diferentes Materiales (25 °C)
E=Excelente , A=Alta, M=Media, B=Baja, N=Nula
Propiedad\ Metales Cerámicos Vidrios Polímeros Cemento yConcreto
Compósitos
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
1.3 RelaciónEl aspecto fun
geometría y pr
poder hacer la
estructura inte
tres aspectos d
poder determi
requerido.
Figura 1.2: Clases de materiales de ingeníeria y su constitución
entre estructura, propiedades y procesamientodamental que debe tomarse cuando se requiere producir un componente con una
opiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría durante su vida útil. Para
mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la compleja relación entre la
rna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando alguno de los
e esta relación cambia los otros dos se ven afectados. Por lo que resulta ventajoso
nar la relación que existe entre estos tres aspectos a fin de obtener el producto
Estructuras
Figura 1.3
Figura 1.4: Arreglo atómic
Figura 1.5: Granos (
Figura 1.6: Aleaciones multifásicas (t
: Átomo (distribución de electrones)
o (tipo de enlace, tamaño relativo de iones o átomos)
forma y tamaño de los granos). Bronce C86300
ipo, distribución y cantidad).Composito fibra epoxíca/vidrio
El procesamiento de u
barra de cobre o acero
barra obtenida por con
ser diferente. En las fu
del metal durante la sol
columnares o estructur
pieza.
En el material confor
dirección del flujo a
(texturizado). La estru
material. Las piezas de
conformado mecánico
estructura cristalina se
En el caso de los polí
química y peso molec
dureza y facilidad de
óptimo. Si bien la r
procesamiento disminu
polímero son la mag
moleculares, principal
Figura 1.7: Fotografíafue tomada usando un
mostrando dendritas en un rechupe en una aleación Al-Ti. La fotografíamicroscopio electrónico de barrido
n material por lo general afecta la estructura de éste. Por ejemplo, una
fabricada por fundición tendrá una microestructura diferente a la de una
formado mecánico. La forma, tamaño y orientación de los granos puede
ndiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a la contracción
idificación, burbujas de gas; partículas no metálicas (inclusiones) y granos
as dendríticas desarrolladas en la pared del molde hacia el centro de la
mado mecánicamente las partículas no metálicas se deforman en la
l igual que los granos, la estructura cristalina sufre deformaciones
ctura y propiedades originales determinan la manera de procesar el
fundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante un
posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por alteraciones de la
vuelven "fragiles" y pueden fracturarse durante un conformado posterior.
meros, sus propiedades mecánicas están determinadas por su estructura
ular. Propiedades como la resistencia a la tensión, módulo de Young,
proceso requieren un valor de peso molecular mínimo para alcanzar el
esistencia mecánica aumenta con el peso molecular, la facilidad de
ye. Las variables más importantes que determinan el estado físico de un
nitud y naturalea de las restricciones al movimiento de sus cadenas
mente 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
La viscosidad, que es un
el grado de ramificación
PROPIEDADES
Propiedades mecánicas
una fuerza o un esfue
ductilidad, y la rigidez
resistencia a la fatiga, t
el comportamiento del m
conformado en un produ
Propiedades físicas.-en
térmico y elástico. L
procesamiento de los m
1.8: Diagrama esquematico de una molécula polímerica.
a de la propiedades más importantes de los polímeros, se ve afectada por
de sus moléculas.
.-éstas propiedades determinan cómo responde un material al aplicársele
rzo. Las propiedades más comunes son la resistencia mecánica, la
del material aunque también son importantes la resistencia al impacto,
ermofluencia y desgaste. Las propiedades mecánicas no sólo determinan
aterial en operación, si no que influyen en la facilidad con que puede ser
cto.
éstas se incluyen el comportamiento eléctronico, magnético, óptico,
as propiedades físicas dependen tanto de la estructura como del
ateriales.
PROCESAMIENTO
El procesamiento de los materiales genera la forma deseada del componente a partir de un
material uniforme.
Metales
Fundición
Soldadura
Forjado, Trefilado, Laminado, Doblado
Metalurgía de polvos
Maquinado
Cerámicos
Compactación
Colada en pasta fluida
Colado continuo de suspensión
Conformado rotatorio de pasta
Extrusión
Moldeo por inyección
Polímeros
Moldeo por inyección
Moldeo rotatorio
Conformado
Extrusión
Vidrios
Moldeo por soplo
Extrusión
1.4 Efectos ambientales sobre los materialesLa 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
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
Figura 1.9: Efecto de la temperatura sobre la resistencia mecánica
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: Astron
Oxidación o Corro
Los metales del gru
lo que tienen un uso
que se utilizan son
caracterizan por tene
a temperatura ambie
Fierro se calienta en
auta portando una camara Hasselbland en la superficie lunar
sión en Seco
po I y II de la Tabla Periodíca reaccionan imediatamente con el oxígeno por
muy limitado en el área de la construcción. Así, la mayoria de los metales
aquellos que se encuentran en la denominada zona de transición y se
r menor afinidad por el oxígeno. La oxídación es muy lenta en estos metales
nte, pero se ve incrementada con el aumento de la temperatura. Cuando el
una atmósfera rica en oxígeno, es cubierto por una capa negra de FeO:
2Fe + O2 → 2 → 2 → 2 → 2FeO
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.
Este tipo de corrosión
una placa de cobre
(electrólito). Cuando
corriente esta compu
concentración se ve a
electrones que fluyen
Figura 1.11: Sección
de tuberia de un sistema de agua, presentando corrosión localizadaes muy parecida a lo que ocurre en una celda galvánica, que consiste en
(Cu) y una de zinc (Zn), inmersas en una solución de ácido sulfúrico
el circuito es cerrado la corriente empieza a fluir en el amperímetro, ésta
esta de los electrones que se producen en la placa de Zn, como su
umentada ahí, los iones Zn++ tienden a fluir hacia la placa de Cu . Los
hacia la placa de Cu reducen a los iones H+ produciendo gas H2.
Figura 1.12 Celda electrolítica Zn/Cu.
