CIENCIA DE LOS MATERIALES

INGENIERO MECÁNICO DANNY ALEJANDRO LÓPEZ GONZÁLEZ

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER OCAÑA

Bibliografía

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Introducción

Todos los ingenieros tienen que ver con materiales, de manera cotidiana, en manufactura y procesamientos, y en el diseño y construcción de componentes o de estructuras. Deben seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos.

Deben tomarse una diversidad de decisiones importantes al seleccionar los materiales a incorporar en un diseño, incluyendo si los materiales pueden ser transformados de manera consistente en un producto, con las tolerancias dimensionales correctas y si pueden mantener la forma correcta durante su uso. También, si las propiedades requeridas se pueden conseguir y mantener durante el uso; por otro lado, considerar que pueda reciclarse fácilmente y observar si el material o su fabricación puede causar problemas ecológicos. Finalmente, si puede convertirse de manera económica en un componente útil.

Tipos de materiales

- Metales- Cerámicos- Polímeros- Semiconductores- Materiales compuestos

Metales: Usualmente reconocemos como metales aquellos elementos que tienen un lustre característico (lustre metálico), son buenos conductores del calor y de la electricidad y exhiben alta maleabilidad y ductilidad. Desde el punto de vista químico, la propiedad fundamental de los metales es su tendencia a entrar en combinación mediante la cesión de sus electrones de valencia.

Los metales y sus aleaciones incluyendo acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel, generalmente tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, una resistencia relativamente alta, una alta rigidez, ductilidad o conformabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga.

Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones de metales conocidas como aleaciones proporcionan mejoría en alguna propiedad particularmente deseable o permiten una mejor combinación de propiedades.

Cerámicos: El ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad eléctrica y térmica, y a menudo son utilizados como aislantes. Los cerámicos son fuertes y duros, aunque también muy frágiles o quebradizos. Las nuevas técnicas de procesamiento han conseguido que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan se utilizados en aplicaciones de carga.

Polímeros: Producidos mediante un proceso conocido como polimerización, es decir, creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas, los polímeros incluyen el hule, los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Los polímeros tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y no son adecuados para utilizarse a temperaturas elevadas.

Polímeros termoplásticos: A temperaturas relativamente altas se vuelve deformable o flexible (puede teóricamente ser fundido de nuevo), se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente. En los cuales las largas cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida , tienen buena ductilidad y conformabilidad.

Polímeros termoestables: Son polímeros infusibles e insolubles (requiere calor y presión para reticular el polímero, la reacción es irreversible). Son más resistentes, aunque más frágiles porque las cadenas moleculares están fuertemente en lazadas. Los polímeros se utilizan en muchas aplicaciones, incluyendo dispositivos electrónicos.

Semiconductores: Aunque el silicio, el germanio y una cantidad de compuestos como el GaAs (Arseniuro de Galio) son frágiles, resultan esenciales para aplicaciones electrónicas, de computadoras y de comunicaciones. La conductividad de estos puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y circuitos integrados.

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.

Trabajo para la casa: averiguar como funciona un termistor y dibujarlo.

Materiales compuestos: Se forman a partir de dos o más materiales, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de manera individual. El concreto, la madera contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos típicos de materiales compuestos.

Con materiales compuestos podemos producir materiales ligeros, fuertes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas, o bien, podemos producir herramientas de corte duras y a la vez resistentes al impacto, que de otra manera se harían añicos. Los vehículos aéreos y aeroespaciales modernos dependen de manera importante de materiales compuestos como los polímeros reforzados con fibra de carbono.

Relación estructura-propiedades-procesamiento

Para realizar su función durante su ciclo de vida esperado, un componente debe tener la forma correcta. El ingeniero en materiales debe cumplir este requisito aprovechando la relación compleja entre la estructura interna del material, su procesamiento y las propiedades finales del mismo. Cuando se modifica alguno de estos tres aspectos de la relación, cualquiera de los restantes o ambos también cambian.

Propiedades:

Propiedades mecánicas: Describen la forma en que el material responde a una fuerza aplicada:

- Resistencia: Capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.

- Rigidez: Capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos.

- Ductilidad: Propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse.

- Impacto: Comportamiento de un material al ser expuesto a un golpe repentino e intenso.

- Fatiga: sometimiento de un elemento a caras cíclicas.- Termofluencia: Exposición a altas temperaturas- Desgaste: Sujeto a condiciones abrasivas.

Ejemplo: Una pieza de metal a forjar debe tener alta ductilidad para deformarse hasta la forma apropiada.

Propiedades físicas: Incluyen el comportamiento magnético, eléctrico, óptico, térmico, elástico y químico dependen tanto de la estructura como del procesamiento de un material.

Incluso minúsculas modificaciones de la estructura causan cambios profundos en la conductividad eléctrica de muchos materiales semiconductores.

Ejemplo: Temperaturas de fusión altas pueden reducir de manera importante las características de aislamiento térmico de los ladrillos cerámicos.

Estructura:

La disposición de los electrones que rodean al núcleo de los átomos individuales afecta el comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico. Además, la configuración electrónica influye en la forma en que los átomos se unen entre sí.

Los metales, semiconductores, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen una organización de átomos muy regular, es decir una estructura cristalina. Otros materiales cerámicos y muchos polímeros no tienen una organización atómica ordenada.

Ejemplo: El polietileno vítreo es transparente y el polietileno cristalino es traslúcido.

Procesamiento:

El procesamiento de un material produce la forma deseada de un componente a partir de un material inicialmente sin forma.

Metales: (AVERIGUAR EN CASA: Definición y esquemas)

- Fundición- Soldadura- Conformando el metal sólido en formas útiles mediante alta

presión: (Forja, trefilado, extrusión, laminado, doblado)- Metalurgia de polvos- Maquinado

Cerámicos:

Pueden conformarse mediante procesos como colado, formado, extrusión o compactación, a menudo mientras están húmedos seguido por un tratamiento térmico a altas temperaturas.

Polímeros:

Se producen mediante inyección de plástico blando en moldes, extrusión y formado.

El tipo de procesamiento que se utiliza dependerá, por lo menos de manera parcial de las propiedades y por lo tanto de la estructura del material.