Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales. 2ed. Donald R. Askeland

Segunda edición

Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales

Fundamentos de

ingeniería y

ciencia de

materiales

Segunda edición, SI

Donald E. Askeland Universidad de Missouri-Rolla, emérito

Pradeep P. Fulay Universidad de Pittsburgh

Edición SI preparada por

D. K. Bhattacharya Laboratorios de Física del estado sólido

Nueva Delhi

Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur

Traducción:Ing. Jorge Hernández LantoTraductor profesional

Revisión técnica:Ing. Javier León CárdenasEscuela Superior de Química e Industrias ExtractivasInstituto Politécnico Nacional

Fundamentos de ingeniería y cienciade materialesSegunda edición

Donald R. Askeland y Pradeep P. Fulay

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por escrito de la Editorial.

Traducido del libro Essentials of Materials Science and Engineering, 2nd ed.

Askeland, Donald R., Pradeep P. Fulay

Publicado en inglés por Cengage Learning © 2010

ISBN 13: 978-0-495-43850-2

ISBN 10: 0-495-43850-2

Datos para catalogación bibliográfica:

Fundamentos de ingeniería y ciencia de materialesSegunda edición,

Askeland, Donald R., Pradeep P. Fulay

ISBN-13: 978-607-481-340-1

ISBN-10: 607-481-340-X

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vii

Prefacio xv

Acerca de los autores xix

Capítulo 1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales 1

Introducción 1

1-1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? 2

1-2 Clasifi cación de materiales 5

1-3 Clasifi cación funcional de los materiales 9

1-4 Clasifi cación de los materiales con base en su estructura 11

1-5 Efectos ambientales y de otra índole 12

1-6 Diseño y selección de materiales 14

RESUMEN 17 ■ GLOSARIO 18 ■ PROBLEMAS 19

Capítulo 2 Estructura atómica 21

Introducción 21

2-1 Estructura de materiales: relevancia tecnológica 22

2-2 Estructura del átomo 23

2-3 Estructura electrónica del átomo 28

2-4 Tabla periódica 30

2-5 Enlaces atómicos 32

2-6 Energía de enlace y espaciado interatómico 40


Capítulo 3 Arreglos atómicos y iónicos 51

Introducción 51

3-1 Orden de corto alcance contra orden de largo alcance 52

3-2 Materiales amorfos: principios y aplicaciones tecnológicas 54

3-3 Redes, celdas unitarias, bases y estructuras cristalinas 55

Contenido

viii CONTENIDO

3-4 Transformaciones alotrópicas o polimórfi cas 63

3-5 Puntos, direcciones y planos en la celda unitaria 64

3-6 Sitios intersticiales 74

3-7 Estructuras cristalinas de materiales iónicos 76

3-8 Estructuras covalentes 79

3-9 Técnicas de difracción para el análisis de estructuras cristalinas 80


Capítulo 4 Imperfecciones en los arreglos atómicos y iónicos 90

Introducción 90

4-1 Defectos puntuales 91

4-2 Otros defectos puntuales 97

4-3 Dislocaciones 98

4-4 Importancia de las dislocaciones 105

4-5 Ley de Schmid 105

4-6 Infl uencia de la estructura cristalina 108

4-7 Defectos superfi ciales 109

4-8 Importancia de los defectos 114


Capítulo 5 Movimientos de átomos y iones en materiales 122

Introducción 122

5-1 Aplicaciones de la difusión 123

5-2 Estabilidad de átomos y iones 125

5-3 Mecanismos de la difusión 127

5-4 Energía de activación en la difusión 129

5-5 Velocidad de difusión (primera ley de Fick) 130

5-6 Factores que afectan la difusión 133

5-7 Permeabilidad de los polímeros 141

5-8 Perfi l de composición (segunda ley de Fick) 142

5-9 Difusión y procesamiento de materiales 146


Capítulo 6 Propiedades mecánicas: fundamentos y pruebas de tensión, dureza e impacto 153

Introducción 153

6-1 Importancia tecnológica 154

CONTENIDO ix

6-2 Terminología de las propiedades mecánicas 155

6-3 El ensayo de tensión: uso del diagrama esfuerzo-deformación unitaria 159

6-4 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de tensión 163

6-5 Esfuerzo real y deformación real 169

6-6 Ensayo de fl exión para materiales frágiles 171

6-7 Dureza de materiales 174

6-8 Efectos de la velocidad de deformación y comportamiento al impacto 176

6-9 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto 177


Capítulo 7 Mecánica de la fractura, fatiga y comportamiento de la termofl uencia 187

Introducción 187

7-1 Mecánica de la fractura 188

7-2 Importancia de la mecánica de fractura 191

7-3 Características microestructurales de la fractura en los materiales

metálicos 194

7-4 Características microestructurales de fractura en cerámicas, vidrios

y materiales compuestos 198

7-5 Estadística de Weibull para el análisis de la resistencia a la falla 200

7-6 Fatiga 206

7-7 Resultados del ensayo de fatiga 209

7-8 Aplicación de los ensayos de fatiga 212

7-9 Termofl uencia, ruptura por esfuerzo y corrosión con esfuerzo 215

7-10 Evaluación del comportamiento de la termofl uencia 217


Capítulo 8 Endurecimiento por deformación y recocido 225

Introducción 225

8-1 Relación entre el trabajo en frío y la curva esfuerzo-deformación

unitaria 226

8-2 Mecanismos del endurecimiento por deformación 231

8-3 Propiedades en función del porcentaje de trabajo en frío 232

8-4 Microestructura, endurecimiento por textura y esfuerzos residuales 235

8-5 Características del trabajo en frío 239

8-6 Las tres etapas del recocido 241

8-7 Control del recocido 244

8-8 Recocido y procesamiento de materiales 246

8-9 Trabajo en caliente 248


x CONTENIDO

Capítulo 9 Principios y aplicaciones de la solidifi cación 257

Introducción 257

9-1 Importancia tecnológica 258

9-2 Nucleación 259

9-3 Mecanismos de crecimiento 264

9-4 Curvas de enfriamiento 269

9-5 Estructura de una pieza colada 271

9-6 Defectos de solidifi cación 272

9-7 Procesos de vaciado para la fabricación de componentes 274

9-8 Colada continua, vaciado de lingotes y crecimiento

de monocristales 276

9-9 Solidifi cación de polímeros y vidrios inorgánicos 278

9-10 Unión de materiales metálicos 279

9-11 Vidrios metálicos voluminosos (VMV) 280


Capítulo 10 Soluciones sólidas y equilibrio de fases 291

Introducción 291

10-1 Fases y diagrama de fases 292

10-2 Solubilidad y soluciones sólidas 296

10-3 Condiciones para la solubilidad sólida ilimitada 299

10-4 Reforzamiento por solución sólida 301

10-5 Diagramas de fases isomorfos 303

10-6 Relación entre las propiedades y el diagrama de fases 312

10-7 Solidifi cación de una aleación de solución sólida 314


Capítulo 11 Reforzamiento por dispersión y diagramas de fases eutécticos 324

Introducción 324

11-1 Principios y ejemplos del reforzamiento por dispersión 325

11-2 Compuestos intermetálicos 326

11-3 Diagramas de fases que contienen reacciones entre tres

fases 328

11-4 Diagrama de fases eutécticas 331

11-5 Resistencia de las aleaciones eutécticas 341

11-6 Eutécticos y procesamiento de materiales 347

11-7 Solidifacación sin equilibrio en el sistema eutéctico 349


CONTENIDO xi

Capítulo 12 Reforzamiento por dispersión por medio de transformaciones de fase y tratamiento térmico 357

Introducción 357

12-1 Nucleación y crecimiento en las reacciones en estado sólido 358

12-2 Aleaciones reforzadas excediendo el límite de solubilidad 362

12-3 Endurecimiento por envejecimiento o por precipitación 364

12-4 Aplicaciones de las aleaciones endurecidas por envejecimiento 364

12-5 Evolución microestructural en el endurecimiento por envejecimiento

o por precipitación 365

12-6 Efecto de la temperatura y del tiempo de envejecimiento 367

12-7 Requerimientos para el endurecimiento por envejecimiento 369

12-8 Uso de aleaciones endurecibles por envejecimiento a altas

temperaturas 369

12-9 Reacción eutectoide 370

12-10 Control de la reacción eutectoide 375

12-11 Reacción martensítica y revenido 380


Capítulo 13 Tratamiento térmico de aceros y hierros fundidos 391

Introducción 391

13-1 Designaciones y clasifi cación de los aceros 392

13-2 Tratamientos térmicos simples 396

13-3 Tratamientos térmicos isotérmicos 398

13-4 Tratamientos térmicos de templado y revenido 401

13-5 Efecto de los elementos de aleación 406

13-6 Aplicación de la templabilidad 409

13-7 Aceros especiales 412

13-8 Tratamientos superfi ciales 415

13-9 Soldabilidad del acero 417

13-10 Aceros inoxidables 418

13-11 Hierros fundidos 422


Capítulo 14 Aleaciones no ferrosas 436

Introducción 436

14-1 Aleaciones de aluminio 438

14-2 Aleaciones de magnesio y berilio 444

14-3 Aleaciones de cobre 447

14-4 Aleaciones de níquel y cobalto 451

xii CONTENIDO

14-5 Aleaciones de titanio 454

14-6 Metales refractarios y preciosos 462


Capítulo 15 Materiales cerámicos 468

Introducción 468

15-1 Aplicaciones de las cerámicas 469

15-2 Propiedades de las cerámicas 471

15-3 Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos 472

15-4 Características de las cerámicas sinterizadas 477

15-5 Vidrios inorgánicos 479

15-6 Vitrocerámicas 485

15-7 Procesamiento y aplicaciones de productos de arcilla 487

15-8 Refractarios 488

15-9 Otros materiales cerámicos 490


Capítulo 16 Polímeros 496

Introducción 496

16-1 Clasifi cación de los polímeros 497

16-2 Polimerización por adición y por condensación 501

16-3 Grado de polimerización 504

16-4 Termoplásticos comunes 506

16-5 Relaciones estructura-propiedades en los termoplásticos 509

16-6 Efecto de la temperatura sobre los termoplásticos 512

16-7 Propiedades mecánicas de los termoplásticos 518

16-8 Elastómeros (cauchos) 523

16-9 Polímeros termoestables 528

16-10 Adhesivos 530

16-11 Procesamiento y reciclaje de polímeros 531


Capítulo 17 Compuestos: trabajo en equipo y sinergia en los materiales 543

Introducción 543

17-1 Materiales compuestos endurecidos por dispersión 545

17-2 Materiales compuestos particulados 547

17-3 Materiales compuestos reforzados con fi bras 553

17-4 Características de los materiales compuestos reforzados con fi bras 557

CONTENIDO xiii

17-5 Fabricación de fi bras y materiales compuestos 564

17-6 Sistemas reforzados con fi bras y sus aplicaciones 568

17-7 Materiales compuestos laminares 575

17-8 Ejemplos y aplicaciones de materiales compuestos laminares 577

17-9 Estructuras tipo emparedado 578


Apéndice A. Propiedades físicas seleccionadas de algunos elementos 585Apéndice B. Radios atómicos y iónicos de elementos seleccionados 587

Respuestas a problemas seleccionados 589

Índice 592

¿Se ha preguntado alguna vez?

En este capítulo, se le introducirá al campo de la

ciencia e ingeniería de materiales (CIM) utilizando

diferentes ejemplos en el mundo real. Después se

proveerá una introducción a la clasifi cación de ma-

teriales. La ciencia de materiales es la base de la

mayoría de los avances tecnológicos. La compren-

sión de los conceptos básicos de los materiales y

sus aplicaciones no sólo lo harán un mejor ingeniero,

también lo ayudarán durante el proceso de diseño.

Para ser un buen diseñador, debe aprender qué

materiales serán apropiados emplear en distintas apli-

caciones. El aspecto más importante de los mate-

riales es que son permisibles; hacen que las cosas

sucedan. Por ejemplo, en la historia de la civilización,

los materiales como la piedra, el hierro y el bronce

desempeñaron una función clave en el desarrollo

1Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

¿Por qué los joyeros añaden cobre al oro? ■

¿Cómo puede procesarse una lámina de acero para producir un material muy resistente, ligero, absorbente ■de energía y maleable utilizado en la fabricación del chasis de automóviles?

¿Pueden fabricarse circuitos electrónicos fl exibles y ligeros utilizando plásticos? ■

¿Qué es un “material inteligente”? ■

¿Qué es un superconductor? ■

1

2 CAPÍTULO 1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

de la humanidad. En el mundo vertiginoso actual,

el descubrimiento de los monocristales de silicio

y la comprensión de sus propiedades han permitido

la era de la información.

En este capítulo y a lo largo del libro, se pro-

veerán ejemplos convincentes de aplicaciones en el

mundo real de los materiales de diseño. La diversi-

dad de aplicaciones y los usos únicos de los mate-

riales ilustran el porqué un ingeniero necesita com-

prender a profundidad y conocer cómo aplicar los

principios de la ciencia e ingeniería de materiales.

En cada capítulo, se inicia con una sección titulada

¿Se ha preguntado alguna vez? Estas preguntas es-

tán diseñadas para despertar su curiosidad, poner

las cosas en perspectiva y formar un marco para lo

que aprenderá en ese capítulo.

1-1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales?

La ciencia e ingeniería de materiales (CIM) es un campo interdisciplinario que trata con la

invención de nuevos materiales y el mejoramiento de materiales conocidos anteriormente

desarrollando una comprensión más profunda de las relaciones de la microestructura-com-

posición-síntesis-procesamiento. El término composición se refi ere a la constitución química

de un material. El término estructura se refi ere a la descripción de los arreglos de los átomos,

como se observan en los diferentes niveles de detalle. Los científi cos e ingenieros de mate-

riales no sólo tratan con el desarrollo de materiales, también con la síntesis y procesamiento

de materiales y los procesos de fabricación relacionados con la producción de componentes.

El término “síntesis” se refi ere a cómo se fabrican materiales a partir de sustancias químicas

de estado natural o hechos por el hombre. El término “procesamiento” se refi ere a cómo se

transforman los materiales en componentes útiles. Una de las funciones más importantes de

los científi cos e ingenieros de materiales es establecer las relaciones entre las propiedades

de un material y su desempeño. En la ciencia de materiales, el énfasis está en las relaciones

básicas entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales.

En la ingeniería de materiales, el enfoque está en cómo convertir o transformar materiales en

dispositivos o estructuras útiles.

Uno de los aspectos más fascinantes de la ciencia de materiales involucra la investigación

de la estructura de un material. La estructura de los materiales tiene una infl uencia profunda

sobre muchas propiedades de los materiales, ¡aun si la composición general no cambia! Por

ejemplo, si toma un alambre de cobre puro y lo dobla de manera repetida, ¡el alambre no sólo

se vuelve más duro sino también se vuelve cada vez más quebradizo! Con el tiempo, el alam-

bre de cobre puro se vuelve tan duro y quebradizo que se romperá con bastante facilidad. La

resistencia eléctrica del alambre también aumentará a medida que se doble de manera repeti-

da. En este ejemplo sencillo, observe que no se cambió la composición del material (es decir,

su constitución química). Los cambios en las propiedades del material se deben con frecuencia

a un cambio en su estructura interna. Si examina el alambre después de doblarse utilizando un

microscopio óptico, observará lo mismo que antes (aparte de los dobleces, por supuesto). Sin

embargo, su estructura ha cambiado a una escala muy pequeña o microscópica. La estructura

a esta escala microscópica se le conoce como microestructura. Si se puede comprender lo que

ha cambiado a un nivel micrométrico, se comenzarán a descubrir maneras de controlar las

propiedades de los materiales.

1-1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? 3

Se pone en perspectiva el tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales examinando

un producto de muestra de superconductores cerámicos inventada en 1986 (fi gura 1-1). Puede

saber que los materiales cerámicos por lo regular no conducen electricidad. Los científi cos en-

contraron, por accidente, que ciertos compuestos cerámicos basados en óxidos de itrio, bario

y cobre (conocidos como OIBC) pueden en realidad conducir corriente eléctrica sin ninguna

resistencia bajo ciertas condiciones. Con base en lo que se conocía entonces acerca de los su-

perconductores metálicos y las propiedades eléctricas de las cerámicas, el comportamiento

superconductor en las cerámicas no se consideraba como una gran posibilidad. Por tanto, la

primera etapa en este caso fue el descubrimiento del comportamiento superconductor en ma-

teriales cerámicos. Estos materiales fueron descubiertos a través de investigación experimen-

tal. Una limitación de estos materiales es que sólo pueden superconducir a bajas temperaturas

(<150 K).

La siguiente etapa fue determinar cómo hacer mejores estos materiales. Por “mejor” se

refi ere a: ¿cómo puede mantenerse el comportamiento superconductor en estos materiales

a temperaturas más altas, o cómo puede transportarse una gran cantidad de corriente por

una distancia larga? Esto involucra el procesamiento de materiales y estudios cuidadosos de

estructura-propiedad. Los científi cos de materiales deseaban conocer cómo la composición y

la microestructura afectan el comportamiento superconductor. También querían conocer si

Desempeño

Costo

¿Cuál es la capacidad

de conducción de

corriente?

¿Cuál es el costo de

enfriamiento y

fabricación?

A: Composición

C: Síntesis y procesamiento¿Cómo pueden prepararse

polvos puros, homogéneos, finos,

de estequiometría bien definida?

¿Cómo se fabrican grandes

longitudes de alambre?

YBa2Cu3O7-XTIBa2Ca3Cu4O11Bi2Sr2Ca2Cu3O10

B: Microestructura¿Qué características de

la estructura limitan la

capacidad de conducción

de corriente?

¿Cuál es la textura del

material?

Figura 1-1 Aplicación del tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales a los superconductores cerámicos. Observe que la microestructura-síntesis y el procesamiento-composición están interco-nectadas y afectan la razón desempeño-costo.


existían otros compuestos que exhiben superconductividad. A través de la experimentación,

los científi cos desarrollaron la síntesis controlada de polvos ultrafi nos o películas delgadas que

se utilizan para crear dispositivos útiles.

Un ejemplo de aproximar esto a partir de la perspectiva de la ingeniería de materiales

será encontrar una manera de fabricar alambres largos para transmisión de energía. En apli-

caciones, lo que se desea en última instancia es saber si se pueden fabricar grandes longitudes

reproducibles y confi ables de alambres superconductores que sean superiores a los alambres

de cobre y aluminio actuales. ¿Se pueden producir tales alambres de una manera rentable?

El siguiente reto era fabricar grandes longitudes de alambres superconductores cerámicos. Los

superconductores cerámicos son quebradizos, por lo que fabricar grandes longitudes de alambres

era difícil. Por tanto, tenían que crearse técnicas de procesamiento de materiales para desarrollar la

creación de estos alambres. Una forma exitosa de crear estos alambres superconductores fue llenar

tubos de plata huecos con polvos de cerámica superconductora y después trefi larlas.

Aunque el descubrimiento de los superconductores provocó mucho entusiasmo, el cami-

no hacia la conversión de este descubrimiento en productos útiles se ha encontrado con varios

retos relacionados con la síntesis y el procesamiento de estos materiales.

En algunas ocasiones, los descubrimientos de nuevos materiales, fenómenos o dispositi-

vos son señalados como revolucionarios. Actualmente, en retrospectiva, se considera revolu-

cionario el descubrimiento en 1948 del transistor basado en silicio utilizado en los chips de

computadora. Por otro lado, los materiales que han evolucionado por un periodo pueden ser

igual de importantes. Estos materiales se consideran como evolucionarios. Varias aleaciones

basadas en hierro, cobre y similares son ejemplos de materiales evolucionarios. Por supues-

to, es importante reconocer que los que se consideran como materiales evolucionarios en la

actualidad, crearon avances revolucionarios hace varios años. No es poco común que se des-

cubran primero materiales o fenómenos y después pasen varios años antes de que aparezcan

productos o procesos comerciales en el mercado. La transición del desarrollo de materiales

o procesos nuevos a aplicaciones comerciales o industriales útiles puede ser lenta y difícil.

Examínense otros ejemplos utilizando el tetraedro de la ciencia e ingeniería de materia-

les. Obsérvense las “láminas de acero” utilizadas en la fabricación de chasises de automóviles.

Los aceros, como podría saber, han sido utilizados en la fabricación por más de una centena

de años. Es probable que los primeros aceros existieran de una forma cruda durante la Era del

Hierro, hace miles de años. En la fabricación de chasises de automóviles, se necesita un ma-

terial que posea una resistencia extremadamente alta pero que se transforme fácilmente en

contornos aerodinámicos. Otra consideración es la efi ciencia del combustible, por lo que las

láminas de acero también deben ser delgadas y ligeras. Las láminas de acero también deben

ser capaces de absorber cantidades signifi cantes de energía en el caso de un choque, por ende

incrementando la seguridad del vehículo. Estos son requerimientos un tanto contradictorios.

Por tanto, en este caso, los científi cos de materiales se interesan en la

■ composición;

■ resistencia;

■ densidad;

■ propiedades absorbentes de energía; y

■ ductilidad (conformabilidad) de las láminas de acero.

Los científi cos de materiales examinarían el acero a un nivel microscópico para de-

terminar si sus propiedades pueden alterarse para cumplir todos estos requerimientos.

También tendrían que procesar este material en un chasis de automóvil de una manera ren-

table. ¿Afectará el proceso de moldeado las propiedades mecánicas del acero? ¿Qué tipo de

recubrimiento puede desarrollarse para hacer al acero resistente a la corrosión? También se

necesita saber si estos aceros pudieran soldarse fácilmente. A partir de esta explicación, puede

ver que se necesitan considerar varios aspectos durante el diseño y la selección de materiales

para cualquier producto.


1-2 Clasificación de materiales

Existen varias formas para clasifi car materiales. Una es describir cinco grupos (tabla 1-1):

1. metales y aleaciones;

2. cerámicas, vidrios y vitrocerámicas;

3. polímeros (plásticos);

4. semiconductores; y

5. materiales compuestos.

Los materiales en cada uno de estos grupos poseen distintas estructuras y propiedades.

Las diferencias en resistencia, las cuales se comparan en la fi gura 1-2, ilustran el amplio inter-

valo de propiedades a partir de las cuales pueden seleccionar los ingenieros. Dado que los

TABLA 1-1 ■ Ejemplos, aplicaciones y propiedades representativos para cada categoría de materiales

Ejemplos de aplicaciones Propiedades

Metales y aleaciones

Cobre Alambre conductor eléctrico Conductividad eléctrica alta, buena conformabilidad

Hierro fundido gris Bloques de motores de automóviles Moldeable, torneable, amortiguador de vibraciones

Aceros de aleación Llaves inglesas, chasis de automóviles Endurecimiento signifi cativo por tratamiento térmico

Cerámicas y vidrios

SiO2-Na2O-CaO Vidrios de ventanas y vidrios de sosa-cal Ópticamente transparente, aislante térmico

Al2O3, MgO, SiO2 Refractarios (es decir, recubrimientos resistentes al calor de hornos) para contención de metal fundido

Aislantes térmicos, soportan altas temperaturas, relativamente inertes al metal fundido

Titanato de bario Capacitores para microelectrónica Alta capacidad de almacenamiento de carga

Sílice Fibras ópticas para tecnología de la información

Índice refractivo, pérdidas ópticas bajas

Polímeros

Polietileno Empaquetamiento de alimentos Fácilmente convertible en películas delgadas, fl exibles y herméticas

Epoxi Encapsulación de circuitos integrados Aislante eléctrico y resistente a la humedad

Fenólicos Adhesivos para unir capas en madera laminada

Resistente, repelente a la humedad

Semiconductores

Silicio (Si) Transistores y circuitos integrados Comportamiento eléctrico único

GaAs Sistemas optoelectrónicos Convierte señales eléctricas a luz, láseres, diodos láser, etcétera

Compuestos

Grafi to-epoxi Componentes para aviones Razón resistencia-peso alta

Carburo de tungsteno cobalto

Herramientas de corte de carburo para maquinado

Dureza alta, pero buena resistencia al impacto

Acero revestido con titanio

Contenedores de reactores Bajo costo y alta resistencia del acero, con la resistencia a la corrosión del titanio


materiales metálicos se utilizan de manera extensa en aplicaciones de carga, sus propiedades me-

cánicas son de gran interés práctico. Se dará una breve introducción aquí. El término “esfuerzo” se

refi ere a la carga o fuerza por unidad de área. La “deformación unitaria” se refi ere a la elongación

o cambio en dimensión dividida entre la dimensión original. La aplicación de “esfuerzo” ocasiona

la “deformación unitaria”. Si la deformación unitaria no persiste después de que se quita la carga

o tensión aplicada, se dice que la deformación es “elástica”. Si la deformación unitaria permanece

después de que se quita la tensión, se dice que la deformación es “plástica”. Cuando la deformación

es elástica, y el esfuerzo y la deformación están relacionados de manera lineal, a la pendiente del

diagrama esfuerzo-deformación unitaria se le conoce como módulo de elasticidad o módulo de

Young. Al valor del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se le conoce como “resis-

tencia a la cedencia”. El porcentaje de deformación máximo que se puede obtener es una medida de

la ductilidad de un material metálico. Estos conceptos se explicarán más adelante en el capítulo 6.

Metales y aleaciones Estos incluyen aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, tita-

nio, cobre y níquel. En general, los metales tienen buenas conductividades eléctricas y térmicas.

Los metales y las aleaciones tienen resistencias relativamente altas, rigidez alta, ductilidad o con-

formabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o

de carga. Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones de metales llamadas

aleaciones proveen una mejora en una propiedad deseable en particular o permiten mejores

combinaciones de las propiedades. La sección transversal de un motor de reacción mostrada en

la fi gura 1-3 ilustra el uso de materiales metálicos en varias aplicaciones críticas.

Cerámicas Las cerámicas pueden defi nirse como materiales cristalinos inorgánicos. Las ce-

rámicas son probablemente los materiales más “naturales”. La arena de la playa y las rocas

son ejemplos de cerámicas de procedencia natural. Las cerámicas avanzadas son materiales

preparados por la refi nación de cerámicas de procedencia natural y otros procesos especiales.

Las cerámicas avanzadas se utilizan en los sustratos que albergan chips de computadora, sen-

sores y activadores, capacitores, bujías de motores, inductores y aislantes eléctricos. Algunas

cerámicas se utilizan como recubrimientos de barrera térmica para proteger los sustratos me-

tálicos en motores de turbinas. Las cerámicas también se utilizan en productos de consumo

Figura 1-2 Resistencias representativas de varias categorías de materiales. La resistencia de las cerámicas es bajo un esfuerzo de compresión.

Aleación decobalto

Acero de altaresistencia

Acero dealeación

Aleación deCu-Be

Aleación deníquel

Aleación detitanio

Latón de Cu-Zn

Aleación dealuminio

Aleación dezinc

Plomo

Resi

sten

cia (

MP

a)

Polímeros

PEEKNailonPolietileno

ZrO2

Al2O3

Si3N4

SiC

Cerámicas

Compuestos

Carbono-

epoxi

Kevlar-epoxi

Boro-

poliimida

Carbono-

poliimida

Vidrio-

poliéster

Metales y aleaciones

como pinturas, plásticos, neumáticos y en aplicaciones industriales tales como losetas para

transbordadores espaciales, soporte de catalizadores y los sensores de oxígeno utilizados en

automóviles. Las cerámicas tradicionales se utilizan para fabricar ladrillos, vajillas, sanitarios,

refractarios (material resistente al calor) y abrasivos. En general, debido a la presencia de po-

rosidad (agujeros pequeños), las cerámicas tienden a ser quebradizas. Las cerámicas también

deben calentarse a temperaturas muy altas antes de que puedan fundirse. Las cerámicas son

resistentes y duras, pero también son quebradizas. Por lo regular se preparan polvos fi nos de

cerámicas y se convierten en distintas formas. Las nuevas técnicas de procesamiento forman cerá-

micas lo sufi cientemente resistentes a la fractura por lo que pueden utilizarse en aplicaciones

de carga, tales como impulsores en motores de turbinas (fi gura 1-4). Las cerámicas tienen una

Figura 1-3 Corte de un motor de reacción. La sección de compresión delantera opera a temperatu-ras de baja a media y con frecuencia se utilizan partes de titanio. La sección de combustión trasera opera a altas temperaturas y se requieren superaleaciones basadas en níquel. La capa exterior experimenta bajas temperaturas, y son satisfactorios los materiales compuestos y las aleaciones base aluminio (cortesía de GE Aircraft Engines).

Figura 1-4 Una variedad de componentes cerámicos complejos, que incluyen impulsores y alabes, los cuales permiten que las turbinas operen de manera más efi ciente a temperaturas más altas (cortesía de Certech, Inc.).



resistencia excepcional a la compresión (fi gura 1-2). ¿Puede creer que el peso de un camión de

bomberos puede soportarse utilizando cuatro tazas de cerámica para café?

Vidrios y vitrocerámicas El vidrio es un material amorfo, aunque no siempre, derivado de la

sílice fundida. El término “amorfo” se refi ere a materiales que no tienen un arreglo regular y pe-

riódico de átomos. Los materiales amorfos se explicarán a detalle en el capítulo 3. La industria

de la fi bra óptica está basada en fi bras ópticas fabricadas utilizando vidrios de sílice de alta pureza.

Los vidrios también se utilizan en casas, automóviles, pantallas de computadoras, televisores y

cientos de otras aplicaciones. Los vidrios pueden tratarse de manera térmica (templarse) para

hacerlos más resistentes. La formación de vidrios y la nucleación (creación) de cristales pequeños

dentro de ellos por medio de un proceso térmico especial crea materiales que se conocen como

vitrocerámicas. ZerodurTM es un ejemplo de un material vitrocerámico que se utilizan para

construir los sustratos de espejos para telescopios grandes (por ejemplo, los telescopios Chandra y

Hubble). Los vidrios y las vitrocerámicas se procesan por lo general por fusión y colado.

Polímeros Los polímeros son por lo regular materiales orgánicos producidos utilizando un

proceso conocido como polimerización. Los materiales poliméricos incluyen al caucho (elas-

tómeros) y varios tipos de adhesivos. Varios polímeros tienen muy buena resistencia eléctrica.

También proveen buen aislamiento térmico. Aunque tienen baja resistencia, los polímeros

tienen una razón resistencia-peso muy buena. Por lo regular no son adecuados para el uso a al-

tas temperaturas. Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a químicos corrosivos. Los

polímeros tienen miles de aplicaciones que van de chalecos antibalas, discos compactos (CDs),

cuerdas y pantallas de cristal líquido (LCDs) hasta ropa y tazas para café. Los polímeros termo-plásticos, en los que las cadenas moleculares grandes no están conectadas de manera rígida,

tienen buena ductilidad y conformabilidad; los polímeros termofi jos son más resistentes pero

más quebradizos debido a que las cadenas moleculares están enlazadas estrechamente (fi gura

1-5). Los polímeros se utilizan en varias aplicaciones, incluyendo dispositivos electrónicos. Los

termoplásticos se elaboran conformándolos en estado fundido. Los termofi jos por lo regular

se cuelan en moldes. El término plástico se utiliza para describir materiales poliméricos

que contienen aditivos para mejorar sus propiedades.

Semiconductores Los semiconductores a base de silicio, germanio y arseniuro de galio son

parte de una amplia clase de materiales conocidos como materiales electrónicos. La conduc-

tividad eléctrica de los materiales semiconductores está entre la de los aislantes cerámicos y

los conductores metálicos. Los semiconductores han permitido la era de la información. En

Figura 1-5 La polimerización sucede cuando se combinan moléculas pequeñas, representadas por los círculos, para producir moléculas más grandes, o polímeros. Las moléculas de polímero pueden tener una estructura que consista en varias cadenas que estén enredadas pero no conectadas (termo-plásticos) o pueden formar redes tridimensionales en las que las cadenas tengan enlaces cruzados (termofi jos).

Enlace cruzado

de átomos o

grupos de átomos

Termoplástico Termofijo

1-3 Clasifi cación funcional de los materiales 9

los semiconductores, el nivel de conductividad se controla para permitir su uso en dispositivos

electrónicos tales como transistores, diodos, etc., se utilizan para construir circuitos integra-

dos. En muchas aplicaciones, se necesitan monocristales grandes de semiconductores. Éstos

se cultivan a partir de materiales fundidos. Con frecuencia, también se elaboran películas del-

gadas de materiales semiconductores utilizando procesos especializados.

Materiales compuestos La idea principal en el desarrollo de compuestos es combinar las

propiedades de distintos materiales. Los compuestos se forman a partir de dos o más mate-

riales, produciendo propiedades que no se encuentran en un solo material. El concreto, la

madera laminada y fi bra de vidrio son ejemplos de materiales compuestos. La fi bra de vidrio

se prepara dispersando fi bras de vidrio en una matriz de polímero. Las fi bras de vidrio hacen

más rígida la matriz de polímero, sin aumentar de manera signifi cativa su densidad. Con los

compuestos se pueden producir materiales ligeros, resistentes, dúctiles y resistentes a altas

temperaturas o pueden producirse herramientas de corte rígidas, pero resistentes al impacto

que de otra manera se romperían. Los aviones avanzados y los vehículos aeroespaciales de-

penden en gran medida de compuestos tales como polímeros reforzados con fi bra de carbono.

El equipamiento deportivo tal como bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis y similares tam-

bién hacen uso de distintos tipos de materiales compuestos que son ligeros y rígidos.

1-3 Clasificación funcional de los materiales

Los materiales se pueden clasifi car con base en si la función más importante que desempe-

ñan es mecánica (estructural), biológica, eléctrica, magnética u óptica. Esta clasifi cación de

materiales se muestra en la fi gura 1-6. Se muestran algunos ejemplos de cada categoría. Estas

categorías pueden dividirse en subcategorías.

Aeroespaciales Materiales ligeros tales como madera y una aleación de aluminio (que de

manera accidental endurece la aleación utilizada para hacer al motor aun más resistente reco-

giendo cobre del molde utilizado para la fundición) fueron utilizados en el vuelo histórico

de los hermanos Wright. Las aleaciones de aluminio, los plásticos, la sílice para losetas para

transbordadores espaciales, los materiales compuestos de carbono-carbono y muchos otros

materiales pertenecen a esta categoría.

Biomédicos Los huesos y dientes están hechos, en parte, de una cerámica formada de ma-

nera natural conocida como hidroxiapatita. Varios órganos artifi ciales, partes de remplazo

de huesos, cánulas cardiovasculares, aparatos de ortodoncia y otros componentes se fabrican

utilizando diferentes plásticos, aleaciones de titanio y aceros inoxidables no magnéticos. Los

sistemas de imágenes ultrasónicas hacen uso de cerámicas conocidas como PZT (titanato de

zirconio y plomo). Los imanes utilizados para la imagen de resonancia magnética hacen uso

de superconductores metálicos de niobio con base de estaño.

Materiales electrónicos Como se mencionó anteriormente, los semiconductores, tales

como los hechos de silicio, se utilizan para fabricar circuitos integrados para chips de compu-

tadoras. El titanato de bario (BaTiO3), el óxido de tantalio (Ta

2O

5) y muchos otros materiales

dieléctricos se utilizan para fabricar capacitores cerámicos y otros dispositivos. Los supercon-

ductores se utilizan en la fabricación de imanes poderosos. El cobre, el aluminio y otros meta-

les se utilizan como conductores en la transmisión de energía y en la microelectrónica.

Tecnología de energía y tecnología ambiental La industria nuclear utiliza materiales tales

como dióxido de uranio y plutonio como combustibles. Otros numerosos materiales, tales como

vidrios y aceros inoxidables, se utilizan en el manejo de materiales nucleares y desechos radiac-

tivos. Las nuevas tecnologías relacionadas con las baterías y las celdas de combustible hacen


uso de muchos materiales cerámicos tales como la zirconia (ZrO2) y polímeros. La tecnología

de las baterías ha ganado una importancia signifi cativa debido a la necesidad de muchos dispo-

sitivos electrónicos que requieren energía portable y más duradera. Las celdas de combustible

también se están utilizando en algunos automóviles. La industria de la gasolina y el petróleo

utiliza extensamente zeolitas, alúmina y otros materiales como sustratos catalizadores. Utilizan

Pt, Pt�Rh y varios otros metales como catalizadores. Muchas tecnologías de membranas para la

purifi cación de líquidos y gases hacen uso de cerámicas y plásticos. La energía solar se genera

utilizando materiales como Si cristalino y silicio amorfo (a:Si:H).

Materiales magnéticos Los discos duros de las computadoras y los casetes de audio y video

utilizan varios materiales cerámicos, metálicos y poliméricos. Por ejemplo, las partículas de

una forma especial de óxido de hierro, conocido como óxido de hierro gamma (γ-Fe2O

3) se

Figura 1-6 Clasifi cación de los materiales funcionales. Observe que los metales, plásticos y cerámicas aparecen en distintas categorías. Se provee un número limitado de ejemplos en cada categoría.

UO2, Ni-Cd,

ZrO2, LiCoO2,

Si:H amorfo

Aceros,

aleaciones

de aluminio,

concreto,

fibra de vidrio,

plásticos, madera

Estructurales

Compuestos C-C,

SiO2, silicio amorfo,

aleaciones de Al,

superaleaciones,

ZerodurTM

Aeroespaciales

Hidroxiapatita, aleaciones de titanio, aceros inoxidables, aleaciones conmemoria de forma,plásticos, PZT

Biomédicos

PZT, aleaciones con

memoria de forma

de Ni-Ti, fluidos MR,

geles de polímeros.

Inteligentes Clasificación

de los materialesfuncionales

Si, GaAs, Ge,

BaTiO3, PZT,

YBa2Cu3O7-x,

Al, Cu, W,

polímeros

conductores

Electrónicos

SiO2, GaAs,

Vidrios, Al2O3,

YAG, ITO

Ópticos

Fe, Fe-Si, NiZn

y ferritas MnZn,

Co-Pt-Ta-Cr,

γ-Fe2O3

Magnéticos

Tecnologíade energía

y medio ambiente

1-4 Clasifi cación de los materiales con base en su estructura 11

depositan en un sustrato de polímero para fabricar casetes de audio. Se utilizan partículas

de hierro de alta pureza para fabricar cintas de video. Los discos duros de las computadoras

se elaboran utilizando mezclas basadas en aleaciones de cobalto-platino-tantalio-cromo

(Co-Pt-Ta-Cr). Se utilizan muchas ferritas magnéticas para fabricar inductores y componentes

para comunicaciones inalámbricas. Los aceros basados en hierro y silicio se utilizan para pro-

ducir núcleos de transformadores.

Materiales fotónicos u ópticos La sílice se utiliza ampliamente para fabricar fi bras ópticas.

Se han instalado casi 10 millones de kilómetros de fi bra óptica alrededor del mundo. Los

materiales ópticos se usan para producir detectores semiconductores y láseres empleados en

los sistemas de comunicación de fi bra óptica y otras aplicaciones. De manera similar, la alúmina

(Al2O

3) y los granates de itrio y aluminio (YAG, por sus siglas en inglés) se utilizan para elabo-

rar láseres. El silicio amorfo se usa para fabricar celdas solares y módulos fotovoltaicos. Se

utilizan polímeros para fabricar pantallas de cristal líquido (LCDs).

Materiales inteligentes Un material inteligente puede detectar y responder a un estímulo

externo tal como un cambio en la temperatura, la aplicación de un esfuerzo o un cambio en

la humedad o ambiente químico. Por lo regular un sistema basado en materiales inteligentes

consiste en sensores y activadores que leen los cambios e inician una acción. Un ejemplo de un

material inteligente de manera pasiva es el titanato de zirconio y plomo (PZT) y las aleaciones

con memoria de forma. Cuando se procesa de manera apropiada, el PZT puede someterse a

un esfuerzo y se genera un voltaje. Este efecto se utiliza para fabricar dispositivos tales como

generadores de chispas para parrillas de gas y sensores que detectan objetos bajo el agua tales

como peces y submarinos. Otros ejemplos de materiales inteligentes incluyen los fl uidos mag-

netoreológicos o MR. Éstas son pinturas magnéticas que responden a campos magnéticos y se

están utilizando en los sistemas de suspensión de automóviles. Otros ejemplos de materiales

y sistemas inteligentes son los vidrios fotocrómicos y los espejos con opacidad automática

basados en materiales electrocrómicos.

Materiales estructurales Estos materiales están diseñados para soportar algún tipo de es-

fuerzo. Se utilizan aceros, concreto y compuestos para construir edifi cios y puentes. Los ace-

ros, vidrios, plásticos y materiales compuestos también se utilizan ampliamente para fabricar

automóviles. En estas aplicaciones, se necesitan con frecuencia combinaciones de resistencia,

rigidez y tenacidad bajo distintas condiciones de temperatura y carga.

1-4 Clasificación de los materiales con base en su estructura

Como se mencionó con anterioridad, el término “estructura” se refi ere al arreglo de los áto-

mos de un material; a la estructura a una escala microscópica se le conoce como “microes-

tructura”. Se pueden ver estos arreglos a diferentes escalas, que van de unas cuantas unidades

angstrom a un milímetro. En el capítulo 3 se aprenderá que algunos materiales pueden ser

cristalinos (donde los átomos de los materiales están acomodados de una manera periódica) o

pueden ser amorfos (donde los átomos de los materiales no tienen un orden de largo alcance).

Algunos materiales cristalinos pueden estar en la forma de un cristal y se les conocen como

monocristales. Otros consisten en varios cristales o granos, y se les conoce como policristali-nos. Las características de los cristales o granos (tamaño, forma, etc.) y las de las regiones entre

ellos, conocidas como límites del grano, también afectan las propiedades de los materiales. Se

explicarán a detalle estos conceptos en capítulos posteriores. En la fi gura 1-7 se presenta una

micrografía de una muestra de acero inoxidable (que muestra granos y límites del grano). Para

esta muestra, cada grano refl eja la luz de manera distinta y esto produce un contraste entre

los granos.


1-5 Efectos ambientales y de otra índole

Las relaciones estructura-propiedad en materiales fabricados para formar componentes con

frecuencia están infl uidas por el entorno al que el material está sujeto durante el uso. Esto

puede incluir la exposición a altas o bajas temperaturas, esfuerzos cíclicos, impacto súbito,

corrosión u oxidación. Estos efectos deben tomarse en cuenta en el diseño para asegurar que

los componentes no fallen inesperadamente.

Temperatura Los cambios en temperatura alteran drásticamente las propiedades de los ma-

teriales (fi gura 1-8). Los metales y las aleaciones que se han reforzado por medio de ciertos

tratamientos térmicos o técnicas de formación perderán su resistencia cuando se calienten.

Un recordatorio trágico de esto es el colapso de las vigas de acero utilizadas en las torres del

World Trade Center el 11 de septiembre del 2001.

Las altas temperaturas cambian la estructura de las cerámicas y ocasionan que los políme-

ros se fundan o carbonicen. En el otro extremo, las temperaturas muy bajas pueden ocasionar

que un metal o un polímero fallen de manera quebradiza, aun cuando las cargas aplicadas

sean bajas. Este resquebrajamiento a baja temperatura fue un factor que ocasionó que el

Figura 1-7 Micrografía de acero inoxidable que mues-tra granos y límites del grano (cortesía del Dr. Hua y del Dr. DeArdo, Universidad de Pittsburgh).

Figura 1-8 El aumento en la temperatura por lo general reduce la resistencia de un material. Los polímeros sólo son adecuados a bajas temperaturas. Algunos compuestos, tales como los compuestos de carbono-carbono, aleaciones especiales y cerámicas, tienen excelentes propiedades a altas temperaturas.

Polímero

Alum

inio

Temperatura (°C)

Compuesto de

carbono-carbono

Resi

sten

cia C

om

pu

esto

de a

lum

inio

refo

rzad

o co

n fi

bra

s

Su

pera

leació

n d

e n

íqu

el

Cerám

ica

1-5 Efectos ambientales y de otra índole 13

Titanic se fracturara y se hundiera. De manera similar, el accidente del Challenger en 1986 se

debió en parte al resquebrajamiento de las juntas de obturación “o” de caucho. Las razones del

porqué algunos polímeros y materiales metálicos se vuelven quebradizos son diferentes. Estos

conceptos se explicarán en capítulos posteriores.

El diseño de materiales con resistencia mejorada a temperaturas extremas es esencial en

varias tecnologías relacionadas con la aeronáutica. A medida que se alcanzan velocidades más

altas, ocurre más calentamiento de la cubierta del vehículo debido a la fricción con el aire. Al

mismo tiempo, los motores operan de manera más efi ciente a temperaturas más altas. Por lo

que, para lograr mayor velocidad y mejor rendimiento de combustible, nuevos materiales han

aumentado de forma gradual las temperaturas permisibles para la cubierta y el motor. Pero

los ingenieros de materiales se enfrentan continuamente con nuevos retos. El X-33 y el Ven-turestar son ejemplos de vehículos reutilizables avanzados que pretenden llevar pasajeros al

espacio utilizando motores de cohetes de una sola etapa. La fi gura 1-9 muestra un esquema del

prototipo X-33. El desarrollo de materiales y técnicas de procesamiento aun más refi nadas es

necesario para poder tolerar las altas temperaturas que se desarrollarán.

Corrosión La mayoría de las veces, la falla de materiales sucede como resultado de la corro-

sión y de alguna forma de sobrecarga de tensión. La mayoría de los metales y polímeros reac-

cionan con el oxígeno u otros gases, particularmente a temperaturas elevadas. Los metales y

las cerámicas pueden desintegrarse y los polímeros y las cerámicas no provenientes de óxidos

pueden oxidarse. Los materiales también son atacados por líquidos corrosivos, lo que lleva a

la falla prematura. El ingeniero se enfrenta al reto de seleccionar materiales o recubrimientos

que prevengan estas reacciones y permitan la operación en ambientes extremos. En aplicacio-

nes espaciales, se pueden tener que considerar los efectos de la presencia de la radiación, la

presencia de oxígeno atómico y del impacto con escombros.

Figura 1-9 Esquema de la aeronave prototipo X-33. Observe el uso de distintos materiales para dife-rentes partes. Este tipo de vehículo probará varios componentes para el Venturestar (De “A Simpler Ride into Space”, por T. K. Mattingly, octubre, 1997, Scientifi c American, p. 125, Copyright © 1997 Slim Films).

Estructuras térmicas

de titanio

Superficie de vuelo

operada eléctricamente

Forma del fuselaje aerodinámico

Motores

aerospike

integrados

Losetas metálicas

de protección

térmica metálicas

Aerocubierta

de material compuesto

Tanque de combustible

de material compuesto


Fatiga En muchas aplicaciones, los componentes deben diseñarse de tal manera que la carga

sobre el material no pueda ser la sufi ciente como para ocasionar una deformación permanen-

te. Sin embargo, cuando se carga y descarga el material miles de veces, pueden comenzar a

desarrollarse pequeñas fi suras y el material falla a medida que estas fi suras crecen. A esto se

le conoce como falla por fatiga. Al diseñar componentes de soporte de carga, debe tenerse en

cuenta la posibilidad de fatiga.

Velocidad de deformación Puede conocer el hecho de que la Silly Putty®, un plástico ba-

sado en la silicona (no en silicio), puede estirarse de manera signifi cativa si se jala lentamente

(velocidad de deformación pequeña). Si se jala rápido (velocidad de deformación alta) se

rompe. Puede ocurrir un comportamiento similar con varios materiales metálicos. Por tanto,

en varias aplicaciones, debe considerarse el nivel y la velocidad de la deformación.

En muchos casos, los efectos, de la temperatura, fatiga, esfuerzo y corrosión pueden inte-

rrelacionarse, y otros efectos externos podrian afectar el desempeño del material.

1-6 Diseño y selección de materiales

Cuando se diseña un material para una aplicación dada, deben considerarse un número de

factores. El material debe poseer las propiedades físicas y mecánicas deseadas. Debe ser capaz

de ser procesado o fabricado en la forma deseada y debe proveer una solución económica

al problema de diseño. La satisfacción de estos requerimientos de una manera que proteja al

ambiente, quizás alentando el reciclaje de los materiales, también es esencial. Al cumplir con

estos requerimientos de diseño, el ingeniero debe tener que hacer una variedad de compensa-

ciones para poder generar un producto útil, pero comercial.

Como ejemplo, el costo del material se calcula por lo general con base en el costo por

kg. Debe considerarse la densidad del material, o su peso por unidad de volumen, en el dise-

ño y selección (tabla 1-2). El aluminio puede costar más por kg que el acero, pero sólo pesa

un tercio del peso del acero. Aunque las partes hechas de aluminio deberán ser más gruesas,

la parte de aluminio puede ser menos costosa que la hecha de acero debido a la diferencia

de peso.

TABLA 1-2 ■ Razones resistencia-peso de varios materiales

MaterialResistencia

(kg/m2)Densidad

(g/cm3)Razón resistencia-peso

(cm)

Polietileno 70 × 104 0.83 8.43 × 104

Aluminio puro 455 × 104 2.71 16.79 × 104

Al2O3 21 × 106 3.16 0.66 × 106

Epoxi 105 × 105 1.38 7.61 × 105

Acero aleado tratado térmicamente 17 × 107 7.75 0.22 × 107

Aleación de aluminio tratada térmicamente 60 × 106 2.71 2.21 × 106

Compuesto carbono-carbono 42 × 106 1.80 2.33 × 106

Aleación de titanio tratada térmicamente 12 × 107 4.43 0.27 × 107

Compuesto de kevlar-epoxi 46 × 106 1.47 3.13 × 106

Compuesto de carbono-epoxi 56 × 106 1.38 4.06 × 106

1-6 Diseño y selección de materiales 15

En algunos casos, particularmente en aplicaciones aeroespaciales, el peso es un tema crí-

tico, dado que el peso adicional del vehículo aumenta el consumo de combustible y reduce su

alcance. Con el uso de materiales que sean ligeros pero resistentes, pueden diseñarse vehículos

automotrices o aeroespaciales para mejorar el rendimiento del combustible. Muchos vehícu-

los aeroespaciales avanzados utilizan materiales compuestos en lugar de aleaciones de alumi-

nio. Estos compuestos, tales como los de carbono-epoxi, son más costosos que las aleaciones

de aluminio tradicionales; sin embargo, el ahorro de combustible que se obtiene por la razón

resistencia-peso mayor del compuesto (tabla 1-2) puede compensar el costo inicial mayor de

la aeronave. El cuerpo de uno de los últimos aviones Boeing conocido como Dreamliner está

hecho casi por completo de materiales compuestos de carbono-carbono. Existen literalmente

miles de aplicaciones en las que se aplican consideraciones similares. Por lo regular la selec-

ción de materiales involucra compensaciones entre varias propiedades.

En este punto de la explicación se espera que pueda apreciar que las propiedades de los

materiales no sólo dependen de su composición, sino también en cómo se preparan los mate-

riales (síntesis y procesamiento) y, más importante, de su estructura interna. Esto es el porqué

no es una buena idea que un ingeniero simplemente consulte un manual y seleccione un ma-

terial para una aplicación dada. Los manuales pueden ser un buen punto de inicio. Un buen

ingeniero considerará: los efectos de cómo se hizo el material, cuál es la composición exacta

del material propuesto para la aplicación que se está considerando, cualquier procesamiento

que debe realizarse para modelar el material o para fabricar un componente, la estructura del

material después del procesamiento en un componente o dispositivo, el ambiente en el que se

utilizará el material y la razón costo-desempeño. El conocimiento de los principios de la cien-

cia e ingeniería de materiales lo capacitarán en los conceptos fundamentales. Esto le permitirá

tomar buenas decisiones técnicas en el diseño con materiales de ingeniería.

EJEMPLO 1-1 Materiales para un marco de bicicleta

Los marcos para bicicletas se fabrican utilizando acero, aleaciones de aluminio, alea-

ciones de titanio que contienen aluminio y vanadio y compuestos de fibra de

carbono (figura 1-10). a) Si una bicicleta con marco de acero pesa 14 kg, ¿cuál será el

peso del marco suponiendo que se utiliza aluminio, titanio y un compuesto de fi bra de

carbono para fabricar el marco de tal manera que el volumen del marco (el diámetro

de los tubos) sea constante? b) ¿Qué otras consideraciones pueden tomarse en el

diseño de marcos para bicicletas?

Figura 1-10Los marcos para bicicletas necesitan ser ligeros, rígidos y resistentes a la corrosión (para el ejemplo 1-1) (cortesía de Chris harve/StockXpert).

¿Se ha preguntado alguna vez?

El objetivo de este capítulo es examinar más de cer-

ca la síntesis, el procesamiento y las aplicaciones

de los materiales cerámicos. Las cerámicas se han

usado por varios miles de años. La mayoría de las ce-

rámicas exhiben buena resistencia bajo compresión;

sin embargo, por lo regular virtualmente no exhiben

ductilidad bajo tensión. La familia de los materiales

cerámicos incluye los materiales inorgánicos poli-

cristalinos y de un solo cristal, los vidrios inorgá nicos

amorfos y los vidrios cerámicos.

En los capítulos 2 y 3, aprendió acerca del enla-

ce en los materiales cerámicos, las estructuras cris-

talinas de las cerámicas tecnológicamente útiles y

los arreglos de iones en los vidrios.

15Materiales cerámicos

¿De qué está hecha la tira magnética en una tarjeta de crédito? ■

¿Qué material se emplea para proteger el transbordador espacial de las altas temperaturas durante ■la reentrada a la atmósfera?

¿Qué material cerámico se le añade comúnmente a las pinturas? ■

¿Qué material cerámico se encuentra en los huesos y dientes? ■

¿De qué están hechas las bujías? ■

468

15-1 Aplicaciones de las cerámicas 469

Este capítulo se enfoca en la síntesis, el proce-

samiento y la aplicación de las cerámicas. También

se recapitulará sobre el procesamiento y las aplicacio-

nes de los vidrios inorgánicos y de las vitrocerámi-

cas. Se inicia con una explicación que resume la cla-

sifi cación y las aplicaciones de las cerámicas.

15-1 Aplicaciones de las cerámicas

Una manera de clasifi car las cerámicas es con base en la clase de sus compuestos químicos

(por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros, sulfuros, fl uoruros, etc.). Otra manera, la cual se em-

pleará aquí, es clasifi car las cerámicas por su función principal.

Las cerámicas se usan en un intervalo amplio de tecnologías como refractarios, bujías,

dieléctricos en capacitores, sensores, abrasivos, medios de almacenamiento magnético, etc. Los

transbordadores espaciales hacen uso de �25 000 losetas cerámicas reusables, ligeras y alta-

mente porosas que protegen el fuselaje de aluminio del calor generado durante la reentrada

en la atmósfera de la Tierra. Estas losetas se fabrican de fi bras de sílice de alta pureza y sílice

coloidal recubierto con un vidrio de silicato de boro. Las cerámicas también aparecen en la

naturaleza como óxidos y en materiales naturales; el cuerpo humano tiene la asombrosa

habilidad de producir hidroxiapatita, una cerámica encontrada en los huesos y dientes. Las

cerámicas también se usan como recubrimientos. Los barnices son recubrimientos cerámi-

cos aplicados a objetos de vidrio; los esmaltes son revestimientos cerámicos aplicados a ob-

jetos metálicos. Observe la clasifi cación mostrada en la tabla 15-1 y tome nota de las distintas

aplicaciones. La alúmina y la sílice son los materiales cerámicos más ampliamente usados y,

como notará, existen numerosas aplicaciones enlistadas en la tabla 15-1 que dependen del uso

de estas dos cerámicas.

Lo siguiente es un breve resumen de las aplicaciones de algunos de los materiales cerámi-

cos más ampliamente usados:

La alúmina (Al2O

3) se usa para contener metal fundido o en aplicaciones donde un

material debe operar a temperaturas altas, pero donde también se requiere una resistencia

alta. La alúmina también se usa como un sustrato con una constante dieléctrica baja para el

encapsulamiento electrónico de los chips de silicio. Una aplicación clásica es en los aislan-

tes en las bujías. También se encuentran algunas aplicaciones únicas en el uso médico y dental.

La alúmina dopada con cromo se emplea para fabricar láseres. Las partículas fi nas de alúmina

se usan como soportes catalíticos.

El diamante (C) es el material en estado natural más duro. Los diamantes industriales

se usan como abrasivos para el molido y pulido. Los recubrimientos de diamante y parecidos

al diamante preparados usando procesos de deposición químicos al vapor se usan para fabri-

car recubrimientos resistentes a la abrasión para muchas aplicaciones diferentes (por ejemplo,

herramientas de corte). Por supuesto, también se emplea en la joyería.

La sílice (SiO2) probablemente es el material cerámico más ampliamente usado. La síli-

ce es un componente esencial en los vidrios y muchos vitrocerámicos. Los materiales basados

en sílice se usan en el aislamiento térmico, refractarios, abrasivos, compuestos reforzados con

fi bras, artículos de vidrio de laboratorio, etc. En la forma de fi bras largas y continuas, la sílice

se usa para fabricar fi bras de vidrio para las comunicaciones. Los polvos formados usando

partículas fi nas de sílice se usan en neumáticos, pinturas y muchas otras aplicaciones.

El carburo de silicio (SiC) provee una resistencia a la oxidación sobresaliente a tem-

peraturas incluso por arriba del punto de fusión del acero. El SiC se usa con frecuencia como

un recubrimiento para metales, compuestos carbono-carbono y otras cerámicas que proveen

470 CAPÍTULO 15 Materiales cerámicos

TABLA 15-1 ■ Clasifi cación funcional de las cerámicas*

Función Aplicación Ejemplos de cerámicas

Eléctrica Dieléctricos en capacitores BaTiO3, SrTiO3, Ta2O5

Dieléctricos en microondas Ba(Mg1/3Ta2/3)O3, Ba(Zn1/3Ta2/3)O3

BaTi4O9, Ba2Ti9O20, ZrxSn1–xTiO4, Al2O3

Óxidos conductores SnO2 dopado con In (ITO)Superconductores YBa2Cu3O7–x (YBCO)Encapsulamiento electrónico Al2O3

Aislantes PorcelanaCeldas de combustible de óxidos sólidos ZrO2, LaCrO3, LaMnO3

Piezoeléctrica Pb(ZrxTi1–x)O3(PZT ), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN)Electroóptica PLZT, LiNbO3

Magnética Medios de almacenamiento g-Fe2O3, CrO2(casetes de “cromo”)

Ferrofl uidos, tarjetas de crédito Fe3O4

Circuladores, aisladores, Ferrita al níquel-zincinductores, imanes Ferrita al manganeso-zinc

Óptica Fibras ópticas SiO2 dopadoVidrios Basadas en SiO2

Láseres Al2O3, granate de itrio y aluminio (YAG)Iluminación Al2O3, vidrios

Automotriz Sensores de oxígeno, celdas de combustible ZrO2

Soporte de catalizador Cordierita

Bujías Al2O3

Neumáticos SiO2

Parabrisas/ventanas Vidrios basados en SiO2

Mecánica/estructural Herramientas de corte Cermet de WC-CoSialonAl2O3

Compuestos SiC, Al2O3, fi bras de vidrio de síliceAbrasivos SiC, Al2O3, diamante, BN, ZrSiO4

Biomédica Implantes HidroxiapatitaOdontología Porcelana, Al2O3

Imagen por ultrasonido PZTConstrucción Edifi cios Concreto

VidrioMuebles sanitarios

Otras Aplicaciones de militares PZT, B4CMateriales para blindajeSensores SnO2

Nuclear UO2

Vidrios para triturador de basuraProcesamiento de metales Refractarios basados en alúmina y sílice, sensores de

oxígeno, moldes de fundición, etcéteraQuímica Catálisis Varios óxidos (Al2O3, ZrO2, ZnO, TiO2)

Filtración de aire y líquidosSensoresPinturas, hule

Doméstico Tejas, sanitarios Cerámicas basadas en arcilla, alúmina y sílice, materiales vitrocerámicos, diamante, rubí, circonio cúbico y otros cristales

Azulejos, losa para pisos, muebles sanitarios, línea blanca, utensilios de cocina

Alfarería, arte, joyería

*Los acrónimos se indican en letra cursiva.

15-2 Propiedades de las cerámicas 471

protección a esas temperaturas extremas. El SiC también se usa como un abrasivo en ruedas

rectifi cadoras y como reforzamiento de partículas y fi broso en los compuestos de matriz metá-

lica y de matriz cerámica. También se emplea para fabricar elementos de calentamiento para

hornos. El SiC es un semiconductor y es una muy buena opción para dispositivos electrónicos

a altas temperaturas.

El nitruro de silicio (Si3N

4) tiene propiedades similares a las del SiC, aunque su resis-

tencia a la oxidación y a altas temperaturas es un poco menor. El nitruro y el carburo de silicio

son las opciones probables para los componentes para motores de automóviles y para turbinas

de gas, permitiendo temperaturas de operación (o funcionamiento) mayores y efi ciencias me-

jores de combustible con un peso menor que los metales y aleaciones tradicionales.

El bióxido de titanio (TiO2) se usa para fabricar cerámicas electrónicas como el BaTiO

3.

Sin embargo, su uso mayor es como un pigmento blanco para preparar pinturas. La titania se

usa en ciertos materiales vitrocerámicos como un agente de nucleación. Las partículas fi nas

de TiO2 se usan para preparar lociones bronceadoras que proveen protección contra los rayos

ultravioleta.

La zirconia (ZrO2) se usa para fabricar muchas otras cerámicas como el zircón. Tam-

bién se emplea para fabricar sensores de gas oxígeno que se usan en la industria automotriz

para medir el oxígeno disuelto en los aceros fundidos. Además se usa como un aditivo en muchas

cerámicas electrónicas al igual que como un material refractario. La forma cúbica de los cris-

tales individuales de zirconia se emplea para fabricar artículos de joyería. Las celdas de

combustible basadas en zirconia probablemente aparecerán en automóviles por el año 2015.

15-2 Propiedades de las cerámicas

En la tabla 15-2 se resumen las propiedades de algunas cerámicas. En la tabla 15-3 se resumen

las propiedades mecánicas de algunas cerámicas estructurales.

Tome nota de las altas temperaturas de fusión y de las resistencias a la compresión altas

de las cerámicas. También debe recordar que los valores de las resistencias a la tensión y a la

fl exión muestran una variación considerable dado que la resistencia de las cerámicas depende de

la distribución de los tamaños de las imperfecciones y no es afectada por el movimiento de las

dislocaciones. En el capítulo 7 se explicaron la distribución de Weibull y la resistencia de cerámi-

cas y vidrios. También observe que, al contrario de la creencia común, las cerámicas no siempre

son frágiles. A velocidades de deformación pequeñas y a temperaturas altas, muchas cerámi-

cas con un tamaño de grano muy fi no de hecho muestran un comportamiento superplástico.

TABLA 15-2 ■ Propiedades de las cerámicas policristalinas de uso común

Material Punto de fusión (°C)Coefi ciente de dilatación térmica

(�10�6 cm/cm)/°CDureza Knoop (DK)

(100 g)

Al2O3 2000 �6.8 2100

BN 2732 0.57a, �0.46b 5000

SiC 2700 �3.7 2500

Diamante 1.02 7000

Mulita 1810 4.5 —

TiO2 1840 8.8 —

ZrO2 cúbica 2700 10.5 —

aPerpendicular a la dirección de la presión.bParalela a la dirección de la presión.


15-3 Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos

Los materiales cerámicos se funden a temperaturas altas y por lo general exhiben un compor-

tamiento frágil a la tensión. Como resultado, los procesamientos de fundición y termomecáni-

cos, empleados ampliamente para los metales, aleaciones y termoplásticos, no pueden aplicarse

cuando se procesan cerámicas. Sin embargo, los vidrios inorgánicos aprovechan las temperatu-

ras de fusión menores debidas a la formación de eutécticos y se hacen mediante el proceso de

vidrio fl otado. Dado que los procesamientos de fundición, vaciado y termomecánicos no son

una opción viable para las cerámicas policristalinas, por lo regular se procesan las cerámicas

en formas útiles comenzando con polvos cerámicos. Un polvo es una colección de partículas fi -

nas. La etapa de fabricación de un polvo cerámico se defi ne aquí como la síntesis de cerámicas.

Se comienza con un polvo de cerámica y se prepara para moldearlo por trituración, molido,

separación de impurezas, mezclado de distintos polvos y secado por atomización (o aspersión)

para formar aglomerados blandos. Se emplean diversas técnicas como compactación, moldeo en cinta, extrusión y moldeo por escurrimiento para convertir de manera apropiada los polvos

procesados en una forma deseada para obtener lo que se conoce como cerámica verde. Una

cerámica verde es aquella que todavía no se ha sinterizado. A las etapas de la conversión de

un polvo cerámico (o mezcla de polvos) en una forma útil se le conoce como procesamiento de polvos. La cerámica verde se consolida posteriormente empleando un tratamiento a alta

temperatura conocido como sinterización o quemado. En este proceso, la cerámica verde se

calienta a una temperatura alta, usando un tratamiento térmico y una atmósfera controlados,

por lo que se obtiene un material denso. La cerámica puede sujetarse (o someterse) a opera-

ciones adicionales como el rectifi cado, pulido o maquinación conforme sea necesario para la

aplicación fi nal. En algunos casos, se fi jarán terminales, se depositarán electrodos o se tendrá

que depositar revestimientos. En la fi gura 15-1 se resumen estas etapas generales encontradas

en la síntesis y procesamiento de cerámicas.

Los polvos cerámicos preparados usando técnicas convencionales o químicas se moldean

usando las mostradas en la fi gura 15-2. Se enfatiza en que se emplean procesos muy similares

para el procesamiento de polvos metálicos y aleaciones, una ruta conocida como metalurgia de polvos. Los polvos consisten en partículas que están enlazadas débilmente y el procesa-

miento de polvos involucra la consolidación de éstos en una forma deseada. Con frecuencia,

los polvos de cerámica preparados necesitan convertirse en aglomerados blandos atomizando

una lechada del polvo a través de una boquilla en una cámara (secador por atomización) en la

presencia de aire caliente. Este proceso conduce a la formación de aglomerados blandos que

fl uyen en los moldes empleados para la compactación de los polvos; a esto se le conoce como

secado por atomización.

TABLA 15-3 ■ Propiedades mecánicas de cerámicas avanzadas seleccionadas

MaterialDensidad

(g/cm3)

Resistencia a la tensión

(MPa)

Resistencia a la fl exión

(MPa)

Resistencia a la compresión

(MPa)

Módulode Young

(MPa)

Tenacidada la fractura

(MPa √m—

)

Al2O3 3.98 207 552 3025 386 � 103 5.5

SiC (sinterizado) 3.1 172 552 3860 414 � 103 4.4

Si3N4 (enlazado por reacción) 2.5 138 241 1030 207 � 103 3.3

Si3N4 (prensado en caliente) 3.2 552 896 3450 310 � 103 5.5

Sialon 3.24 414 965 3450 310 � 103 9.9

ZrO2 (estabilizadoparcialmente)

5.8 448 690 1860 207 � 103 11.0

ZrO2 (endurecido por transformación)

5.8 345 793 1725 200 � 103 12.1


Compactación y sinterización Una de las maneras más rentables para producir miles de

piezas relativamente pequeñas (�<15 cm) de formas sencillas es la compactación y el sinte-

rización. Muchas cerámicas electrónicas y magnéticas, las puntas de herramientas de corte de

WC-Co (cermet) y otros materiales se procesan empleando esta técnica. La fuerza conducto-

ra para la sinterización es la reducción en el área de superfi cie de un polvo (capítulo 5). Los

polvos fi nos pueden secarse por atomización, formando aglomerados blandos que fl uyen y

se compactan bien. En la fi gura 15-3a) en la página 475 se muestran las diferentes etapas de la

compactación uniaxial, en la que la fuerza de compactación se aplica en una dirección. Como

ejemplo, en la fi gura 15-3b) se muestra la microestructura de una cerámica de tantalato de

magnesio bario preparada usando compactación y sinterización. La sinterización involucra

distintos mecanismos de transporte de masa [fi gura 15-3c)]. Con la sinterización, el límite de

grano y la difusión de la masa (volumen) contribuyen a la densifi cación (incremento en la

densidad). La difusión superfi cial y la condensación de la evaporación pueden ocasionar el

crecimiento de los granos, pero no ocasionan densifi cación.

El proceso de compactación puede completarse en un minuto para partes pequeñas;

por tanto, la compactación uniaxial es adecuada para la fabricación de un gran número de

formas más pequeñas y sencillas. Éste proceso se emplea para crear lo que se llama “cerámi-

cas verdes”; que tienen resistencias respetables, y que pueden manipularse y maquinarse. En

algunos casos, pueden producirse piezas muy grandes (de hasta 100 cm de diámetro y de

200 a 240 cm de largo) usando un proceso llamado prensado isostático en frío (PIF) donde se

aplica presión usando aceite. Estas piezas grandes se sinterizan después con o sin presión.

Síntesis de

polvos cerámicos

Trituración en molino de bolas, mezclado

y secado por atomización de polvos

usando aditivos de procesamiento

Moldeado de los polvos en formas

útiles (cerámicas verdes) usando

prensado, moldeo por escurrimiento,

moldeo en cinta, etcétera

Consolidación en un objeto

denso monolítico empleando

sinterización o quemado

Procesamiento secundario

(por ejemplo, rectificado, corte,

pulido, deposición de electrodos,

revestimiento, etcétera)

Producto cerámico sinterizado final

Figura 15-1 Etapas comunes para el procesamiento de cerámicas.


El prensado isostático en frío se usa para alcanzar una densidad mayor de la cerámica verde o

donde se requiere la compactación de formas más complejas.

En algunos casos, pueden producirse partes en condiciones en las que la sinterización se

conduce aplicando presión. Esta técnica, conocida como prensado en caliente, se emplea para

cerámicas refractarias y enlazadas de manera covalente que no muestran un buen comporta-

miento de sinterización sin presión. De manera similar, piezas grandes de metales y aleaciones

compactadas empleando PIF pueden sinterizarse bajo presión en un proceso conocido como

prensado isostático en caliente (PIC). En el prensado en caliente o PIC, la presión aplicada

actúa contra la presión interna en los poros e incrementa la densifi cación sin ocasionar cre-

cimiento de los granos. El prensado en caliente o prensado isostático en caliente también se

usa para fabricar cerámicas o aleaciones metálicas donde se requiere muy poca o casi ninguna

Figura 15-2 Distintas técnicas para el procesamiento de cerámicas avanzadas.

Polvos cerámicos

Molido en molino de bolas, mezclado

y secado por atomización: aglutinantes

surfactantes, plastificantes,

etc., añadidos

Vaciado o moldeo

por escurrimiento

Compactación

(uniaxial o isostática)

Vaciado o

moldeo en cintaExtrusión Moldeo

por inyección

Secado

Maquinado opcional

de la cerámica verdeDesgasificación

Quemado y sinterizado del aglutinante utilizando

una atmósfera controlada como sea necesario

Prensado en caliente

o prensado isostático

en caliente

Maquinado secundario

u otras operaciones

Producto cerámico sinterizado final

Figura 15-3 a) Compactación uniaxial de polvos que muestra el ensamble del molde y el punzón durante las diferentes etapas. Por lo regular, para partes pequeñas estas etapas se completan en menos de un minuto. (Fuente: de Materials and Processes in Manufacturing, octava edición, por E. P. DeGarmo, J.T. Black y R.A. Koshe, Fig. 16-4, Copyright © 1997 Prentice Hall. Reimpresa con permiso de John Wiley & Sons, Inc.). b) Microestructura de una cerámica de tantalato de magnesio bario (BMT) preparada empleando compactación y sinterización. (Fotografía cortesía de Schott North America). c) Diferentes mecanismos de difusión involucrados en la sinterización. El límite de grano y la difusión volumétrica (1, 2 y 5) hasta cuello contribuyen a la densifi cación. La condensación de la evaporación (4) y la difusión superfi cial (3) no contribuyen a la densifi cación. (Fuente: de Physical Ceramics: Principles for Ceramic Science and Engineering, por Y. M. Chiang, D. Birnie y W.D. Kingery, Fig. 5-40. Copyright 1997 John Willey & Sons, Inc. Material reproducido con permiso de John Wiley & Sons, Inc.).

Poro

1. Inicio

del ciclo2. Carga

(llenado)

del molde

con el polvo

3. Comienza la

compactación

4. Compactación

completada5. Eyección

de la parte

6. Recarga del

molde

Límite de

granoGrano

Grano

Grano



porosidad. También recientemente se han desarrollado procesos innovadores que hacen uso

de microondas (similar a la forma en la que se calientan los alimentos en un horno de micro-

ondas) para el secado y sinterización de los materiales cerámicos.

Algunas cerámicas como, el nitruro de silicio (Si3N

4), se producen por medio de enlace

por reacción. El silicio se produce en una forma deseada y reacciona con nitrógeno para

formar el nitruro. El enlazamiento por reacción, el cual puede realizarse a temperaturas

más bajas, provee un mejor control dimensional en comparación con el prensado en calien-

te; sin embargo, se obtienen densidades y propiedades mecánicas menores. Como compara-

ción, en la tabla 15-4 se muestra el efecto del procesamiento en las cerámicas de nitruro de

silicio.

Moldeo en cinta La técnica conocida como moldeo o vaciado en cinta se emplea para la

producción de cintas cerámicas delgadas (�3 a 100 μm). La cinta se sujeta (o somete) a sinte-

rización. Muchos de los encapsulamientos electrónicos comercialmente importantes basados

en sustratos de alúmina y millones de capacitores de titanato de bario se fabrican usando este

tipo de proceso de moldeo o vaciado en cinta.

Moldeo por escurrimiento Esta técnica por lo regular usa una lechada acuosa del polvo ce-

rámico. La lechada, conocida como suspensión acuosa, se vierte en un molde de yeso blanco

(CaSO4 : 2H

2O) (fi gura 15-4). A medida que el agua de la lechada comienza a salir por la acción

capilar, se forma una masa espesa a lo largo de la pared del molde. Cuando se forma el sufi cien-

te grosor del producto, se vierte el resto de la lechada (a esto se le llama vaciado por drenaje).

También es posible continuar vertiendo más lechada para formar una pieza sólida (a esto

se le llama vaciado sólido) (fi gura 15-4). También se puede aplicar una presión para inyectar la

lechada en moldes de polímero. La cerámica verde después se seca y se sinteriza o se “quema”

a una temperatura elevada. El vaciado por escurrimiento se emplea ampliamente para fabricar

arte cerámico (fi gurillas y estatuas, lavamanos y otros muebles sanitarios cerámicos).

Extrusión y moldeo por inyección Éstas son técnicas populares empleadas para fabricar

tubos para hornos, ladrillos, tejas y aislantes. La idea detrás del proceso de extrusión es usar

una mezcla viscosa parecida a una masa de partículas de cerámica que contiene un agluti-

nante y otros aditivos. Esta mezcla tiene una consistencia parecida a la de la arcilla, la cual se

introduce en una extrusora donde se mezcla bien en una amasadora, se corta, se pasa por un

desaireador e inyecta en un dado donde la forma continua de la cerámica verde es producida

por la extrusora. Este material se corta en longitudes apropiadas y después se seca y sinteriza.

Las cerámicas de cordierita usadas para fabricar estructuras en forma de panal de los conver-

tidores catalíticos también se hacen usando el proceso de extrusión.

El moldeo por inyección de cerámicas es similar al de por inyección de polímeros (capí-

tulo 16). El polvo de cerámica se mezcla con un plastifi cante termoplástico y otros aditivos. La

mezcla se pasa a través de una extrusora y se inyecta en un molde. El moldeo por inyección de

cerámicas es el más adecuado para formas complejas. El polímero contenido en la cerámica

moldeada por inyección se quema y el resto del cuerpo cerámico se sinteriza a temperatura

alta. Esta técnica es especialmente útil para la fabricación de formas complejas.

TABLA 15-4 ■ Propiedades del Si3 N4 procesado usando diferentes técnicas

ProcesoResistencia a la compresión

(MPa)Resistencia a la fl exión

(MPa)

Moldeo por escurrimiento 138 69

Enlazamiento por reacción 772 207

Prensado en caliente 345 862

15-4 Características de las cerámicas sinterizadas 477

15-4 Características de las cerámicas sinterizadas

Para las cerámicas sinterizadas, el tamaño promedio del grano, la distribución del tamaño de

grano, y el nivel y tipo de porosidad son importantes. De manera similar, dependiendo de la

aplicación, pueden ocurrir segundas fases en la microestructura como granos separados de

componentes disueltos en las soluciones sólidas de la matriz. Por tanto, las segundas fases en

los límites de grano también se vuelven importantes. En el caso de las cerámicas extruidas, los

efectos de la orientación también pueden ser importantes.

Granos y límites de grano El tamaño promedio del grano con frecuencia está relacionado

con el tamaño de la partícula primaria. Una excepción a esto es si hay crecimiento del grano

debido a tiempos de sinterización largos, crecimiento exagerado o anormal de los granos

d)Se extrae la pieza colada

después de un secado parcial

a)Se llena el molde con la solución acuosa

b)El molde extrae el líquido y forma

productos compactos a lo largo

de las paredes del molde

c)Se drena el exceso de la solución acuosa

Figura 15-4 Etapas en el vaciado por escurrimiento de cerámicas. (Fuente: de Modern Ceramic Engineering, por D.W. Richerson, p. 462, Fig. 10-34. Copyright © 1992 Marcel Dekker. Reimpresa con permiso).


(capítulo 5). Por lo regular, las cerámicas con un tamaño de grano pequeño son más resistentes

que las cerámicas con granos gruesos. Los tamaños de granos más fi nos ayudan a reducir los

esfuerzos que se desarrollan en los límites de los granos debido a la expansión y contracción

anisotrópica. Por lo general, el comenzar con materias primas cerámicas fi nas produce un tama-

ño más fi no de grano. Las propiedades magnéticas, dieléctricas y ópticas de los materiales ce-

rámicos dependen del tamaño promedio de grano y, en estas aplicaciones, el tamaño del grano

debe controlarse de manera apropiada. Aunque no se ha explicado esto a detalle aquí, en cier-

tas aplicaciones es importante usar cristales individuales de materiales cerámicos para evitar

los límites de grano perjudiciales que siempre se presentan en las cerámicas policristalinas.

Porosidad Los poros representan el defecto más importante en las cerámicas policristalinas.

La presencia de poros por lo general es perjudicial para las propiedades mecánicas de cerámi-

cas voluminosas, dado que los poros proveen una localización preexistente a partir de la cual

puede crecer una grieta. La presencia de poros es una de las razones del porqué las cerámicas

muestran comportamiento frágil bajo cargas de tensión. Dado que hay una distribución de

tamaños de poros y el nivel general de porosidad cambia, las propiedades mecánicas de las

cerámicas varían. La variabilidad se mide usando las estadísticas de Weibull (capítulo 7). Por

otro lado, la presencia de poros puede ser útil para incrementar la resistencia al choque térmi-

co. En ciertas aplicaciones, como fi ltros para metales y aleaciones calientes o para líquidos o

gases, la presencia de poros interconectados es deseable.

Los poros en una cerámica pueden estar interconectados o cerrados. La porosidad apa-rente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad, o la facilidad con la que

los gases y fl uidos se trasminan a través de los componentes cerámicos. La porosidad apa-

rente está determinada por el peso de la cerámica seca (Wd), volviendo a pesar la cerámica

cuando está suspendida en agua (Ws) y después de que se remueve del agua (Ww). Usando

unidades de gramos y cm3:

Porosidad aparente �Ww Wd

Ww Ws100 (15-1)

La porosidad real incluye los poros interconectados y los cerrados. La porosidad real, la cual

se correlaciona mejor con las propiedades de las cerámicas es:

Porosidad real �r Br

100 (15-2)

donde

B �Wd

Ww Ws (15-3)

B es la densidad volumétrica y r es la densidad real o gravedad específi ca de la cerámica. La

densidad volumétrica es el peso de la cerámica dividido entre su volumen. El siguiente ejem-

plo ilustra cómo se determinan los niveles de porosidad en las cerámicas.

EJEMPLO 15-1 Cerámicas de carburo de silicio

Las partículas de carburo de silicio se compactan y queman a una temperatura alta

para producir una forma cerámica resistente. La gravedad específi ca del SiC es de

3.2 g�cm3. La forma cerámica se pesa subsecuentemente cuando está seca (360 g),

después de remojarse en agua (385 g) y mientras se suspende en agua (224 g). Calcule

la porosidad aparente, la real y la fracción del volumen de poros que están cerrados.

15-5 Vidrios inorgánicos 479

15-5 Vidrios inorgánicos

En el capítulo 3, se explicaron los materiales amorfos como los vidrios. También se explicaron

los conceptos de orden de corto alcance en comparación a largo alcance en términos de los

arreglos atómicos o iónicos en los materiales monocristalinos. El más importante de los mate-

riales monocristalinos son los vidrios, especialmente los basados en sílice. Por supuesto, existen

vidrios basados en otros compuestos (por ejemplo, sulfuros, fl uoruros y distintas aleaciones).

Un vidrio es un material metaestable que se ha endurecido y vuelto rígido sin cristalizar. Un

vidrio, en algunos aspectos, parece un líquido subenfriado. Abajo de la temperatura de vitrifi -cación (Tv) (fi gura 15-5), la velocidad de contracción volumétrica durante el enfriamiento se

reduce y el material puede considerarse un “vidrio” en lugar de un “líquido subenfriado”. La

unión de tetraedros de sílice u otros grupos iónicos produce un sólido, pero una estructura de

armazón no cristalina produce estructuras vidriosas (o vítreas) (capítulo 3).

SOLUCIÓN

Porosidad aparente �Ww Wd

Ww Ws100 �

385 � 360

385 � 224100 � 15.5%

Densidad volumétrica � B �Wd

Ww Ws�

360

385 � 224� 2.24

Porosidad real �r Br

100 �3.2 � 2.24

3.2100 � 30%

El porcentaje de poros cerrados es la porosidad real menos la porosidad aparente o

30 � 15.5 � 14.5%. Por tanto,

Fracción de poros cerrados �14.5

30� 0.483

Temperatura

Tv

Den

sid

ad

Cristalina

Vidrio Líquidosubenfriado

Líquido

Figura 15-5 Cuando la sílice se cristaliza en el enfria-miento, se observa un cambio abrupto en la densidad. Sin embargo, para los vidrios de sílice el cambio en la pendiente de la tempe-ratura de vitrifi cación indica la formación de un vidrio del líquido subenfriado. El vidrio no tiene una Tm o Tv fi ja. Los materiales cristali-nos tienen una Tm fi ja y no tienen una Tv .

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Este texto proporciona a los estudiantes una sólida comprensión de la relación entre estructura, procesamiento y propiedades de los materiales. Donald Askeland y Pradeep Fulay enseñan los conceptos fundamentales de la estructura atómica y del comportamiento de los materiales y claramente vinculan a las cuestiones de "mate-riales" aquello a lo que los alumnos tendrán que enfrentar al entrar en la industria o a la escuela de posgrado (por ejemplo, el diseño de estructuras, selección de materiales o fallas de materiales). Mientras presentan conceptos fundamentales y los conectan a las aplicaciones prácticas, los autores hacen hincapié en los conceptos básicos necesarios sin abrumar a los alumnos con demasiado de la química o física subyacentes. El libro cubre los fundamentos con un enfoque integrado que hace énfasis en las aplicaciones de las nuevas tecnologías que permiten los materiales de ingeniería. También se examinan los desarrollos nuevos e interdisciplinarios en este campo tales como los nano materiales, materiales inteligentes, sistemas micro-electromecánicos (MEMS) y biomateriales.

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Documents

Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales. 2ed. Donald R. Askeland