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Tecnología de materiales 2015 – Dra. Elena Brandaleze 10 de septiembre de 2011

Tecnología de Materiales – Notas de clase

2015


CONTENIDOS

1. Introducción general sobre Materiales

2. Historia de los materiales

3. Ciencia de los materiales

4. Distintos tipos de materiales

5. Revisión de conceptos: átomo, elementos, tipos de enlaces atómicos, estados de la

materia (gas, líquido y sólido)

6. Estado de orden de los materiales

7. Física del estado sólido

8. Tipos de materiales y su estructura

a. Materiales metálicos (clasificación, características estructurales, propiedades

generales)

b. Materiales metálicos y procesos industriales

c. Materiales políméricos(clasificación, características estructurales, propiedades

generales)

d. Materiales poliméricos y procesos industriales

e. Materiales cerámicos y vitrocerámicos (clasificación, características estructurales,

propiedades generales)

f. Materiales cerámicos y procesos industriales

g. Materiales compuestos (clasificación, características estructurales, propiedades

generales)

h. Materiales compuestos y procesos industriales

9. Nanomateriales y Nanociencia

10. Catalizadores

11. Materiales con funcionalidad superficial

12. Técnicas de estudio de materiales

a. Determinación de propiedades

b. Físicas Ensayos físicos (Tfusión, densidad, porosidad, etc)

c. Mecánicas Ensayos mecánicos (Tracción, compresión, torsión, dureza,

microdureza, flexión)

d. Térmicas (análisis térmico diferencial DTA – TG – DSC – dilatometría)

e. Químicas (resistencia a la corrosión, solubilidad, etc)

f. Estudios sobre aspectos estructurales

g. Microscopía óptica

h. Microscopía electrónica

i. Microscopía de alta resolución

j. Difracción de rayos X

13. Reciclado (en material adjunto)


1. Introducción general sobre materiales

Una simple mirada hacia nuestro alrededor, nos demuestra que la importancia de los

materiales es quizás mucho mayor de lo que podemos pensar. Tal como se puede notar, la

vivienda, el transporte, la alimentación, recreación, las comunicaciones representan

demostraciones de la capacidad de producir y conformar materiales necesarios para

resolver necesidades humanas cotidianas. De algún modo, la calidad de vida de los

individuos tiene relación con las posesiones materiales.

Liedl en [1] expresa, que la extraordinaria diversidad de los nuevos materiales responde a

un mejor conocimiento de las técnicas para obtener estructuras dotadas de propiedades

cada vez más eficaces y rentables. El avance en la comprensión de un tipo de material suele

ser el precursor del progreso de una tecnología. Es así que por ejemplo, la fabricación de

automóviles fue posible por la aparición de un acero adecuado y accesible. El avance en

ciertos componentes electrónicos, se ha logrado en gran parte a través del desarrollo de

materiales semiconductores [2]. También debemos pensar que es posible viajar en aviones

a reacción, gracias a los materiales que se desarrollaron para construir el motor a reacción

[3].

A partir de lo mencionado, resulta evidente el papel central que desempeñan los materiales

en las sociedades técnicamente avanzadas. Los materiales avanzados son los elementos

constructivos de las tecnologías avanzadas, esto es, su elaboración a través de nuevos

procesos promueven los avances tecnológicos.

La capacidad de desarrollar y utilizar materiales es fundamental para el avance de cualquier

sociedad.

2. Historia de los materiales

El hombre primitivo, tuvo acceso a un número limitado de materiales. Sólo podía contar

con lo que le brindaba la naturaleza: madera, arcilla, piedras, cuero, etc. Los utilizaba e

intentaba trabajar para desarrollar utensilios que resolvieran sus necesidades cotidianas,

construir armas para defenderse de los animales o cazar y elaborar herramientas.

Por ejemplo, el hombre en la edad de piedra (2,5 millones de años atrás, hasta 3000 a.c.)

ya trabajaba este material para: para crear armas, punzones cortantes, cuchillos y flechas.

Figura 1


Figura 1. Utensilios de piedra construidos por el hombre primitivo

El hombre neolítico descubrió la arcilla, se da cuenta de que la arcilla húmeda, puede ser

moldeada a su voluntad y que mediante una muy elemental cocción, se endurece y puede

utilizarse para contener líquidos, solucionándole sus necesidades de la vida diaria. Figura 2

Figura 2. Desarrollo de las primeras cerámicas

Esta primera transformación intencionada de un material inorgánico natural en otro dotado

de nuevas propiedades fue el principio de la técnica e ingeniería de los materiales.

Este tipo de material se expandió por diferentes culturas en el mundo a lo largo de la

historia.

El hombre neolítico también trabaja los metales, en la edad del cobre (5000 a 1500 a.c.),

descubrió que el cobre natural podía ser suavizado al calentarlo y endurecido al deformarlo

mediante martilleo. Así, dicho metal fue desplazando progresivamente a la piedra. Sin

embargo, una vez que el cobre escaseó el hombre buscó otros metales contenidos en los


minerales. Descubrió que los metales que utilizaba, le resultaban poco resistentes para

construir armas y esta necesidad lo impulsa a mezclar metales, obteniendo la primera

aleación: el bronce (cobre + estaño). Esto inicia una nueva edad, denominada edad del

bronce, que transcurre desde el 2000 al 0 a.c. Representaba un material fácil de fundir, de

alta fluidez dentro de los moldes, se endurecía rápidamente luego del enfriamiento, podían

incrementar su resistencia por martilleo y lo podían aplicar tanto en armas como en

elementos de ornamentación. Figura 4

Figura 4. Elementos de bronce

En el año 1000 a.c., se inicia la edad del hierro. En la civilización hitita (Turquía) descubren

accidentalmente este metal. Piedras de mineral de hierro, se calentaban dentro de un

horno (que consistía en un pozo en la tierra) con carbón y se obtenía un metal duro, se

martillaba la pieza para lograr una mejor resistencia. Además, se removía el óxido

producido.

Durante el calentamiento, los átomos de C se introducían en la estructura del hierro

formando una aleación. En el tiempo buscaron alternativas para bajar el contenido de C del

metal obtenido, hasta lograr un primer acero. Nunca descubrieron que el C era el

responsable de las bondades del material. Llegaron a la verdad 3000 años después 1774

d.c.

En el transcurso el tiempo, el hombre descubrió técnicas para producir materiales con

propiedades superiores a las que poseía hasta ese momento. Logró modificar los materiales

adicionando elementos o modificándolos con temperatura, deformación, etc.

El desarrollo de la ciencia de materiales, fue muy lenta hasta fines del siglo XIX. Sin embargo,

los avances notables se producen por el:

1. Descubrimiento de los rayos X (que permitía identificar y visualizar aspectos

estructurales de los materiales)


2. Desarrollo de la tabla periódica ( que integraba a los elementos existentes en la

naturaleza)

3. Logro del conocimiento de la estructura de los materiales (primeros avances de la

microscopía)

A partir de este momento se comienza una rápida evolución en el desarrollo de materiales,

dado que los científicos lograron entender la relación entre elementos, estructura y

propiedades pudiendo desarrollar a partir de ese momento distintos tipos de materiales.

Surgen así nuevas eras: Era del Si, componentes electrónicos, Era de los polímeros:

plásticos, fibras, telas, etc. En la figura 5, se puede observar la evolución de los materiales

utilizados por el hombre en el tiempo.

Figura 5. Evolución de los materiales utilizados por el hombre a lo largo de la historia

El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia,

va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados [2].

3. Ciencia de los materiales

Los filósofos griegos especulaban sobre la posibilidad de que toda la materia estuviera

constituida por diminutas partículas indivisibles de una misma entidad fundamental. Este

primer intento por comprender la naturaleza íntima de las cosas que nos rodean puede


considerarse el principio de la ciencia de los materiales. Hasta épocas recientes la Ciencia y

la Ingeniería de materiales permanecían separadas. Los alquimistas no se hablaban con los

herreros. Los artesanos sabían que cada material tenía cualidades específicas y sabían

también como trabajarlo pero carecían de la comprensión científica.

Es evidente que en el transcurso del tiempo parte de los avances que realiza el hombre en

las primeras etapas de la utilización de los materiales involucran la casualidad, otros se

logran a través de la intuición y la necesidad. No obstante, ya en la edad de las primeras

cerámicas, el bronce o el hierro pueden visualizarse los primeros procedimientos

rudimentarios para obtener materiales. A través de los procedimientos mencionados se

puede pensar en una tecnología incipiente. Surgen aquí los primeros materiales

tecnológicos que se elaboran para que adquieran propiedades que lo transformen en un

objeto útil, por ejemplo: los cuencos de cerámica. Pudieron establecer de qué manera

debían combinar el carbón vegetal con un mineral para fundirlo y así separar la ganga del

metal, mezclar dos metales para lograr otro más fácil de trabajar y más duro (después de

fraguar) que cualquiera de los materiales por separado. También lograron endurecer el

metal por temple (con calentamiento al rojo y enfriamiento en agua) o forja (calentamiento

al rojo y golpes de martilleo). Tal dominio práctico de los materiales y de su elaboración

provenía de la experiencia.

Hubo que esperar hasta el siglo XIX para que la química y la física en menor medida,

aportaran el apoyo del cálculo moderno y las teorías aplicables a los problemas con que se

encontraban artesanos e ingenieros. La teoría química demostró su eficacia para guiar una

elaboración. En este contexto, la oxidación se aplicó a la siderurgia a través del control de

oxígeno en la elaboración del metal ferroso fundido, se descubrió que las impurezas al

mezclarse con oxígeno formaban óxidos y podían extraerse del metal para purificarlo. El

análisis químico, se constituyó en una herramienta fundamental para la elaboración y

control de los materiales. En 1866, Sorby incorpora la posibilidad de visualizar la estructura

del acero mediante un microscopio óptico (figura 6) abriendo nuevos caminos al visualizar

la naturaleza cristalina del material. Los decenios siguientes conocieron grandes adelantos

en la preparación de nuevos procesos y nuevos materiales.

Figura 6. Microscopio antiguo


La contribución clave de la ciencia de materiales fue contribuir con la vinculación de las

propiedades de los materiales y la estructura interna de los mismos. Este reconocimiento

implicaba poder predecir el comportamiento de un material a partir del estudio de su

arquitectura interna. Esto fue evolucionando en el tiempo asociado al desarrollo de nuevas

técnicas de estudio de los materiales.

La ciencia de materiales incorpora conocimiento de nuevos materiales y constituye objetos

de estudio sobre ellos en forma de grupos: cerámicos, metales, polímeros o plásticos y

materiales compuestos dentro de los más desarrollados. Los aspectos involucrados por los

ingenieros y científicos para el desarrollo de la ciencia de materiales incluyen a los

detallados en la figura 7.

Figura 7. Aspectos a contemplar en la ciencia e ingeniería de materiales

Resulta necesario conocer:

• La adaptabilidad de los materiales para las diferentes aplicaciones

• Los efectos que a través de los diferentes procesos se pueden provocar sobre los

mismos para mejorar sus propiedades

• Los aspectos vinculados a la economía de las combinaciones material-proceso

En la actualidad se requiere tener conocimiento profundo de la ciencia de materiales para

diseñar o desarrollar procesos de obtención de materiales, instalaciones industriales o

realizar tareas de control de calidad de productos, aplicación de productos, reparaciones,

etc.

Como técnicos se puede interactuar en medios laborales de investigación y desarrollo de

materiales para diversas aplicaciones (Universidad, Centros o Instituciones vinculadas a la

InvestigaciónDesarrollo de Producción industrial

AplicaciónDesarrollo de Métodos de

caracterización


investigación/docencia y en departamentos de desarrollos industriales, industrias, talleres,

etc.

4. Distintos tipos de materiales

Dentro de los materiales podemos realizar una primera gran clasificación que los agrupa en:

materiales metálicos y no metálicos.

Materiales metálicos. Una distinción dentro de los materiales metálicos se enfoca entre

aquellos metales o aleaciones que contienen como elemento mayoritario al hierro (Fe) y se

conocen como materiales férreos (aceros y fundiciones ferrosas) de aquellos que contiene

como elementos principales otros metales que no involucran al Fe tales como cobre,

aluminio, magnesio, níquel, etc.

Materiales no metálicos. Los materiales no metálicos contemplan a los cerámicos,

polímeros y algunos materiales compuestos.

Todos estos materiales difieren en sus características estructurales y serán detallados en

adelante a lo largo de la asignatura.

No obstante, podemos comentar brevemente que los metales se caracterizan por estados

cristalinos de alto grado de orden, los cerámicos poseen agregados cristalinos de distinta

naturaleza, los polímeros pueden ser cristalinos (alto grado de orden estructural),

semicristalinos (orden parcial) y amorfos (desordenados).

Los cerámicos. Dentro de estos materiales se pueden contemplar a los hormigones

(colables y sin forma definida hasta su consolidación), cerámicas de distintos tipos y para

distintas aplicaciones cotidianas o específicas, materiales conformados (que poseen formas

definidas como por ejemplo ladrillos), los vidrios (desordenados/ amorfos) y vitrocerámicos

que poseen una estructura mixta (vidrio amorfo + cristales ordenados).

Materiales compuestos. Tal como puede deducirse a partir de su nombre están

constituidos por combinaciones de metal y cerámico, polímeros y fibras cerámicas y todas

las combinaciones posibles de materiales. Dentro de estos materiales se busca a través de

la combinación de distintos tipos obtener propiedades intermedias que no poseen sus

constituyentes por separado. No sólo se logran materiales compuestos diferentes por

combinación de tipo sino por las proporciones y formas de las partículas de la que el


material utilizado como refuerzo se halla en el material que actúa como contenedor o

matriz.

Existen en la actualidad en desarrollo muchísimos materiales nuevos que aún no

constituyen por ser recientes grupos definidos dentro de la ciencia de materiales. Dentro

de ellos podemos mencionar algunos:

Materiales con memoria de forma (transformación martensita)

Fibras de carbono (nanotubos) son los materiales más resistentes conocidos,

superando hasta en 100 veces al acero. Además, son excelentes conductores

eléctricos, cientos de veces más eficientes que el cobre.

Humo helado (aerogel) es uno de los nuevos materiales más prometedores, incluso

por su aspecto nebuloso. Entre sus propiedades se destacan el hecho de ser casi tan

liviano como el aire y al mismo tiempo, muy resistente, así como su sorprendente

capacidad como aislante térmico.

Metamateriales Se trata de materiales que al ser tratados y reordenados a nivel

nanométrico, adquieren propiedades que no existen en la naturaleza. Su desarrollo

está en las etapas iniciales y las primeras aplicaciones se asocian al campo de la

óptica.

REFLEXIÓN

La Ciencia y la tecnología avanza en la producción de materiales de manera acelerada, sin

embargo, surge una nueva necesidad en la humanidad:

“Desarrollar conciencia y responsabilidad del cuidado del medio ambiente asociada a la

producción y aplicación de materiales”


5. Tecnología de materiales.

La tecnología de materiales es la disciplina técnica que trata sobre los procesos industriales

que nos permiten obtener piezas útiles para construir máquinas o dispositivos a partir de

materias primas específicas [4]. Los procesos industriales resultan muy diversos dado que

son determinados por las características de las materias primas a transformar y por los

requisitos del producto que se debe obtener. En síntesis podemos esquematizar lo

mencionado de la siguiente manera:

El proceso industrial, implica transitar por considerable número de subprocesos para lograr

la elaboración de un producto final a partir de una materia prima. Figura 8

Si planteamos por ejemplo obtener una pieza metálica, debemos partir de una materia

prima mineral, que deberá sufrir diferentes transformaciones hasta llegar a constituir la

pieza metálica. En caso de necesitar obtener una pieza cerámica, las materias primas que

deberemos procesar inicialmente serán las calizas, sílice, etc. Siguiendo el mismo

razonamiento para obtener piezas poliméricas deberemos iniciar el procesamiento de

productos derivados del petróleo.

Figura 8. Procesos industriales constituidos por diferentes etapas.

6. Revisión de conceptos: átomo, elementos, tipos de enlaces atómicos,

estados de la materia (gas, líquido y sólido)

Materia prima

PROCESO

Producto


¿Desde qué conceptos debemos iniciar el estudio de los materiales para comprender sus

comportamientos durante las etapas de procesamiento industrial?

El procesamiento de los materiales implica siempre una vinculación de la estructura y las

propiedades de los materiales, para lograr un adecuado procesamiento y obtener

productos con las capacidades y características requeridas para una aplicación/uso

particular. Figura 9

Figura 9. Aspectos a vincular para comprender el procesamiento industrial de materiales.

Tal como se sabe, la materia está constituida por átomos unidos a través de enlaces

atómicos característicos:

El enlace químico, es la unión de dos o más átomos, con un único fin: alcanzar la

estabilidad

La mayoría de los elementos, que existen en la naturaleza (en total, 92), forman

agrupaciones de átomos iguales o de naturaleza diferentes enlazados entre sí

Todos los compuestos están constituidos por dos o más átomos (de uno o más

elementos diferentes), que se unen a través de enlaces: iónicos, covalentes,

metálicos o combinados.

Se sabe que el átomo está compuesto del núcleo constituido por los protones y los

neutrones. Los electrones giran alrededor del núcleo siguiendo trayectorias

particulares. Por ello la estructura del átomo se suele explicar a través de un

modelo orbital. Figura 10

Para procesar materiales se requiere

conocer su estructura interna

Propiedades

Estructura

Procesamiento

Performance


Figura 10. Modelo orbital del átomo.

Los protones poseen carga positiva, y los neutrones, no presentan carga, están integrados en el núcleo. Los electrones, con carga negativa, tienen una cantidad de energía de acuerdo a su posición en la órbita alrededor del núcleo. Las propiedades químicas de los átomos están determinadas por sus electrones.

El número atómico está determinado por el número de protones en el núcleo del átomo, que a su vez es igual al número de electrones que giran alrededor de él. A su vez, el peso atómico es aproximadamente igual a la suma del número de protones, más el número de neutrones.

En un elemento determinado, los átomos tienen el mismo número de protones. Sin

embargo, pueden tener diferente número de neutrones (y por esto, diferente peso

atómico). En este último caso, se les llama isótopos del elemento (con igual número

atómico pero diferente peso atómico).

Cada elemento de la naturaleza presenta su propia característica atómica y ella se

puede obtener a partir de la tabla periódica de los elementos. Figura 11

Electrones

Neutrones

Protones

Constituyen el

núcleo del

átomo

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Figura 11. Tabla periódica de los elementos

La tabla periódica de los elementos presenta diferentes grupos (I al VII). Los elementos

que se hallan a la izquierda de la tabla presentan el mayor carácter metálico que se

define en base a la capacidad que poseen para ceder electrones. Este carácter metálico

va siendo menos acentuado a medida que nos desplazamos hacia la derecha en la tabla

periódica.

En el extremo derecho se presentan los gases nobles, de mayor estabilidad electrónica

dado que se caracterizan por tener su octeto completo (esto es porque poseen 8

electrones en la última órbita). La mencionada estabilidad hace que no requieran unirse

a otros átomos y por tal razón son inertes.

Los grupos intermedios corresponden a los metales de transición, y en la zona inferior

de la tabla periódica se ubican las elementos conocidos como tierras raras (números

atómicos: 57 y 89).

Del análisis de la tabla periódica se puede establecer, las características estructurales

de los átomos, la estructura cristalina habitual, el estado de agregación de todos los

elementos entre otra información de relevancia.

Sobre esta base podemos pensar que las características de las uniones atómicas o

enlaces variarán según sea la característica de los elementos que se vinculan. Es así que

existen diferentes tipos de enlaces atómicos:


Enlace iónico, hay atracción electrostática y resulta una unión muy fuerte.

Se produce entre dos átomos que poseen, en un caso un fuerte carácter

electropositivo y el otro por su parte un fuerte carácter electronegativo.

Ej.: Cloruro de sodio

Enlace covalente, si comparten los electrones

Este tipo de enlace implica que los átomos compartan electrones para completar

el octeto (8 electrones en la última órbita) logrando así su estabilidad

electrónica. La unión resultante es más débil

Ej.: molécula de flúor

Enlace covalente coordinado, cuando el par de electrones es aportado solamente

por uno de los átomos

Ej.: molécula de CO2

Enlace metálico, los electrones de valencia son comunes a todos los átomos


Los metales se caracterizan por poseer sus cationes (+) que mantienen

un orden o disposición geométrica establecida de acuerdo al tipo de

estructura del metal particular y los electrones que constituyen las

últimas órbitas (menos atraídos por el núcleo positivo) que se desplazan

a través del material. Se caracteriza por ser un enlace fuerte.

Ej.: el metal plata (Ag)

Otro concepto a recordar es que los materiales se pueden presentar en distintos tipos

de agregación: gas, líquido y sólido. Cada uno de estos estados se caracteriza por un

distinto nivel de orden atómico. En la figura 12, se puede apreciar el estado de mayor

orden presente en un material sólido y como se evoluciona hacia estados de menor

orden a medida que se pasa al estado líquido y gaseoso de un material.

Figura 12. Diferentes estados de orden atómico presentes en los materiales sólidos,

líquidos y gaseosos.

Todos estos conceptos revisados, en cuanto a las características atómicas, enlaces y

estados de agregación, resultan imprescindibles para poder interpretar el

comportamiento de los materiales y poder establecer los procesos tecnológicos

adecuados para la obtención y elaboración de productos.


Se sabe que los gases ocupan todo el recipiente que los contenga (figura 13), las

moléculas se hallan en continuo movimiento y las colisiones que ocurren contra las

paredes del recipiente dan lugar a la presión del gas contenido.

Figura 13. Simulación del estado de orden del gas

El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del

gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del

diámetro real de las moléculas. Resulta entonces, que el volumen ocupado por el gas

(V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o número de moles

(n). Dentro de las propiedades que poseen los gases podemos mencionar:

1. Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar

de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma

la forma de su nuevo recipiente.

2. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se

pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión.

3. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus

partículas, los gases se esparcen en forma espontánea.

4. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente

proporcional a la temperatura aplicada.

Cuando la proximidad de los átomos se acentúa, a pesar de que no se alcanza un estado

de orden total (orden de corto alcance) se tiene el material en estado líquido. En este

estado, el material adopta la forma del recipiente que lo contiene. Si se lo coloca sobre

una superficie se desparrama. Figura 14.


Figura 14. Aspecto de un líquido

Las partículas que forman el líquido están relativamente cerca unas de otras, pero

no los suficientemente cerca como las partículas en el correspondiente sólido

Las partículas en el líquido tienen energía cinética intermedia entre las partículas de

un gas y un sólido correspondiente

Ya que las partículas se mueven más rápido, éstas ocupan un mayor espacio en el

líquido y por tanto el líquido es menos denso que el correspondiente sólido

Tienen la propiedad de fluir

En el caso de los sólidos cristalinos, la estructura interna a nivel atómico puede reflejarse

a nivel macroscópico en el aspecto de sus cristales. Además, presentan un volumen

definido. La estructura interna (considerando las distancias interatómicas, geometría,

etc) está definida por el tipo de elemento que lo constituya al sólido.

Un ejemplo puede ser el de un cristal de pirita. Figura 15

Figura 15. Cristal de pirita natural.


Las partículas que forman el sólido se hallan a la mínima distancia posible y poseen

mayor densidad respecto a los líquidos. Cumplen condiciones de simetría y la mínima

expresión se denomina celda unitaria. Existen 7 sistemas cristalinos posibles:

Cúbico

Hexagonal

Tetragonal

Romboédrico

Ortorrómbico

Monoclínico

Triclínico

Los materiales puede transformarse de un estado de agregación a otro, siempre y

cuanto se modifiquen las condiciones de temperatura y presión. Los cambios que

pueden producirse los podemos visualizar en la figura 16.

Figura 16. Cambios de estado de la materia

7. Física del estado sólido

La física del estado sólido es la rama de la física que estudia la materia condensada (se

ocupa del estado sólido)


1. Estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos utilizando disciplinas

tales como la metalurgia física, la mecánica cuántica, la cristalografía, el

electromagnetismo y la física óptica, entre otras.

2. Constituye los fundamentos teóricos de la Ciencia de Materiales y su

desarrollo ha sido fundamental en el campo de las aplicaciones tecnológicas

de microelectrónica al posibilitar el desarrollo de transistores y materiales

semiconductores.

Dentro de los materiales sólidos podemos mencionar a los metales, cerámicos,

polímeros termoestables, etc. También existen materiales sólidos amorfos (cuyo estado

de orden interno es mínimo dado que sus átomos o moléculas se hallan con una

distribución al azar) como es el caso de los vidrios. Finalmente existen materiales mixtos,

que poseen porciones ordenadas dispersas en una matriz amorfa como es el caso de los

vitrocerámicos.

8. Tipos de materiales y su estructura

a. Materiales metálicos: Recordemos que tal como hemos descripto previamente el

comportamiento de los metales se halla vinculado a la composición química (metal puro

o aleación), la naturaleza de los enlaces atómicos y la estructura interna que presentan.

En la tabla periódica, se puede comprobar que los elementos metálicos tienen tres

posibles geometrías o tipos de estructura cristalina en las que los átomos se pueden

ordenar: cúbica centrada en las caras, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal

compacta. Estas estructuras se simulan a través del modelo de esferas para comprender

mejor la disposición de los átomos en el material. Cada esfera se ubica en el lugar donde

se hallaría potencialmente el átomo del metal. Figura 17

Figura 17. Tipos de estructuras cristalinas que pueden presentarse en los materiales

metálicos

Cúbica centrada en

las caras

Hexagonal compacta

Cúbica centrada en

el cuerpo


Los cristales en los metales se hallan constituidos por empaquetamientos compactos de

átomos que forman planos de átomos tal como podemos observar en la figura 18. Además,

la mínima expresión del orden se denomina celda unitaria.

Figura 18. Aspecto del empaquetamiento compacto de átomos que se presenta en los

sólidos cristalinos cúbicos.

Si bien esto se ha planteado para la estructura cúbica centrada en el cuerpo, se extiende

a las otras dos (cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta).

Cabe mencionar que las estructuras cristalinas no son perfectas. Ellas poseen defectos

internos tales como falta de átomos (vacancias), falta de planos de átomos o

dislocaciones, presencia de átomos de impurezas. En la figura 19, se pueden observar

algunos de los defectos cristalinos que pueden presentarse en los metales. Cuanto

mayor sea el contenido de defectos en la red de un material, mayor será la dureza del

mismo. Estos defectos también se producen cuando el material es deformado

(laminado, trefilado, martillado, etc). A partir de este concepto se puede deducir que un

metal sometido a un proceso industrial de conformado en frío incrementará su dureza

y resistencia mecánica.

Figura 19. Tipos de defectos cristalinos: (a) vacancias, (b) dislocaciones, (c)

combinación de defectos

Celda unitaria


Dentro de los materiales metálicos podemos mencionar a los metales puros (cobre,

níquel, oro, etc) y a las aleaciones.

¿Qué es entonces una aleación?

Es un material que tiene características metálicas y está constituido por dos o más

elementos de los cuales por lo menos uno es metal.

Ej.: Cu-Ni, Fe-C, etc

En general el elemento que se halla en menor proporción se denomina soluto y el que

se halla en mayor proporción, solvente. Las aleaciones pueden ser homogéneas

(formadas por una única fase) o heterogéneas (constituidas por más de una fase).

Cuando el átomo de soluto es muy pequeño respecto al solvente da lugar a la formación

de una solución sólida intersticial, dado que el elemento se ubica en los intersticios de

la red. Si los átomos de soluto tienen tamaño parecido al del solvente intentan ocupar

sitios de la red sustituyendo a los átomos de solvente y en este caso forman aleaciones

susitucionales. Figura 20

Figura 20. Diferentes tipos de aleaciones

Otro aspecto estructural a tener presente es que los metales o aleaciones presentan

una estructura policristalina, esto es, están constituidos por muchos cristales tal como

puede observarse en el trozo de metal de la figura 21.

% de elemento de aleación

Ten

sió

n d

e fl

uen

cia

(psi

)

Aleación

intersticial

Aleación

sustitucional


Figura 21. Trozo de metal donde se identifican los distintos cristales que lo constituyen

Los niveles de impurezas, defectos y demás aspectos estructurales permiten justificar la

dureza, la fragilidad, respuestas frente a tracción como por ejemplo el porcentaje de

alargamiento, etc.

Los metales se pueden clasificar en:

Como ejemplos de aleaciones podemos citar:

• Aleaciones base Fe • Aleaciones base Al

cristal

Con alto contenido

de hierro (acero)

Otros metales, sin

hierro (bronce)


• Aleaciones base Mg • Aleaciones base Ti • Aleaciones base Cu • Aleaciones base Ni • Aleaciones base Zn • Aleaciones base Sn

Los metales se caracterizan por presentar propiedades muy interesantes desde el punto

de vista industrial y que abren una amplia gama de aplicaciones:

• Resistencia mecánica frente a la deformación: por lo tanto pueden utilizarse en aplicaciones estructurales (construcción, automóviles, máquinas herramientas)

• Dureza: lo cual hace que puedan obtenerse productos con buen filo, buena resistencia mecánica, etc

• Ductilidad, lo cual permite obtener productos con alta deformación (perfiles, chapas, alambres, etc) de cobre, aceros, aluminio, etc

• Resistencia al impacto, esta propiedad se denomina tenacidad de un metal e implica la capacidad de resistir golpe o choque.

• Tenacidad a la fractura, que significa la resistencia a quebrarse o fracturarse • Resistencia a la fatiga (esfuerzos cíclicos)

Según estas propiedades, los metales pueden someterse a diversos procesos

industriales para la fabricación de productos finales o semielaborados: forja,

laminación, trefilado, extrusión, etc. Cabe mencionar que el comportamiento de cada

metal sometido a cada uno de los procesos industriales dependerá de: la composición

química, la estructura interna y las condiciones de operación.

Tanto para el diseño de productos metálicos como para establecer el origen de fallas,

debemos tener un profundo conocimiento de la aleación en cuanto a su estructura a

través del estudio y caracterización mediante microscopía y del comportamiento

mecánico realizando diversos ensayos que permitan determinar sus propiedades de

resistencia a la tracción, flexión, capacidad de embutición, dureza, resistencia a la fatiga,

etc. El uso que tendrá la aleación definirá los requerimientos que debe cumplir cada

metal.

A modo de ejemplo podemos citar condiciones de aplicación de un metal y diferentes

requerimientos:

Condiciones de uso

Temperaturas altas

gases corrosivos

vibraciones

Requerimientos

Resistencia a cargas aerodinámicas

termofluencia


Tal como hemos mencionado es relevante disponer de la caracterización estructural de

un metal. En este sentido podemos abordarla desde distintos niveles: superficial,

macroscópico y microscópico. Figura 22

Figura 22. Niveles de complejidad para realizar el estudio estructural de un metal.

Además del comportamiento mecánico y microestructural también se debe conocer la

respuesta en función de la temperatura en el caso de que el uso del metal sea a

condiciones térmicas particulares. En este sentido se debe contemplar:

Estructura a nivel atómico

Estructura superficial

Estructura microscópica

Estructura macroscópica

Superficie de

fractura Estructura de

granos de un

metal

Estructura

atómica


b.Materiales metálicos y procesos industriales. Dentro de los procesos industriales que

se disponen para la obtención de metales se pueden mencionar:

• Procesos pirometalúrgicos

o Procesos de reducción, aceración, fusión, etc (requieren de alta

temperatura): Fe, Ti, Al, Ni, oro, etc

• Procesos hidrometalúrgicos

o Procesos donde se emplean medios líquidos para la obtención de metales

tales como la lixiviación (oro, cobre, etc)

• Procesos electrometalúrgicos

o Se utiliza la conducción eléctrica como medio de concentración del metal

(Cu, Al, etc)

Un ejemplo de las diferentes etapas de procesamiento que se incluyen para la obtención

de productos finales de acero se puede visualizar en la figura 23. En ella se puede

observar que el punto de partida es un proceso de reducción en el cual se incorporan

los minerales, carbón, caliza y canto rodado que se cargan en una alto horno para

obtener el hierro de primera fusión denominado arrabio. Sin embargo, en la actualidad

se incorporan materias primas alternativas tales como los pellets o sinter que

Propiedades

• Temperaturas de fusión y solidificación

• Variaciones alotrópicas (posibilidad de presentarse en más de un tipo de estructura cristalina a diferentes condiciones de T)

Respuestas

• Dilatación, contracción

• Reacciones en función de la temperatura (evaporaciones, sublimaciones, deshidratación, desgasificación, difusión, etc)

Variaciones estructurales

• Transformaciones estructurales: precipitaciones, transformacionesde fase en estado sólido en general


representan aglomerados de finos procedentes de los yacimientos o de los mismos

procesos industriales. Esto representa un modo de reciclado de residuos industriales y

un ahorro de recursos no renovables.

Figura 23. Etapas de procesamiento que se incluyen para la obtención de productos

finales de acero

Una vez obtenido el arrabio, que es una aleación de hierro con un alto contenido de

carbono cuyas propiedades no son aptas para ninguna aplicación, resulta necesario

continuar con el proceso de aceración que puede realizarse a través de un convertidor

al oxígeno.

Otra alternativa para obtener acero es partir del procesamiento de materias primas

ferrosas procesadas en un módulo de reducción directa, a partir del cual se obtiene el

hierro esponja o utilizar chatarra de hierro que se procesan en un horno eléctrico.

Obtenido el acero por cualquiera de las vías mencionadas es necesario realizar un afino

secundario (metalurgia secundaria) para ajustar la composición química de cada tipo de

grado de aleación. Finalmente tendremos que lograr solidificar esta aleación a través de

un proceso de colada continua, obteniendo productos planos o planchones que

finalmente se procesan para la obtención de chapas o productos largos tochos o


palanquillas de diferentes secciones y geometrías para elaborar otro tipo de productos

finales tales como perfiles, alambres, etc.

Algunos productos de aleaciones ferrosas o no ferrosas se logran directamente por un

proceso de fundición. En estos casos se funde la aleación de Al, Ti, bronces, latones, etc,

en hornos de diferentes características y una vez obtenido el metal líquido se realiza el

colado en moldes para lograr la pieza o producto final. Figura 24

Figura 24. Procesos de fundición.

Las piezas se obtienen a través de diferentes procesos de moldeo: moldes de arena

tradicionales, moldes acorazados, por inversión, por presión, centrífugos, etc.

Se obtienen piezas finales con geometrías muy variadas tales como los ejemplos que

pueden observarse en la figura 25.


Figura 25. Piezas finales obtenidas por procesos de fundición

Procesos hidrometalúrgicos. La hidrometalurgia permite también procesar minerales

para obtener productos finales metálicos. Un ejemplo de etapas de un proceso

hidrometalúrgico puede observarse en la figura 26.

Figura 26. Etapas de un proceso hidrometalúrgico.

Tal como puede observarse la alta temperatura no es el eje principal de la obtención del

metal. En este caso se trabaja fundamentalmente con fluidos.

Electrometalurgia. Las aleaciones de alta pureza tales como el cobre 99,9%, aluminio

niquel, etc., pueden obtenerse a partir de este tipo de procesos en el cual se aplica la

electrólisis. En la figura 27 se presenta un ejemplo esquemático de la obtención del

cobre por este método.


Figura 27. Proceso de electrólisis para la obtención del cobre electrolítico de máxima

pureza.

Luego de obtenidos los metales o las aleaciones, en muchos casos se requiere

procesarlos para lograr un producto final: chapas, alambres, tubos, etc. Esto implica

conformarlos a través de procesos como:

• Laminación (chapas, perfiles,etc) • Trefilado (alambrones, alambres, perfilería) • Extrusión (perfilería) • Forja (piezas finales) • Pulvimetalurgia (se obtienen piezas pero a partir de polvos de metales por

compactación y sinterización con temperatura) En los casos que se requiera unir piezas se recurre al proceso de soldadura. Durante estos procesos de deformación, la estructura del metal se modifica en cuanto

a la morfología de los granos internos, se incrementa la presencia de defectos internos

y esto provoca el desarrollo de las propiedades particulares de cada producto. Figura 28

Figura 28. Evolución del material durante los procesos de conformado.

En muchos casos, se requiere realizar procesos de tratamientos térmicos finales para

lograr optimizar las propiedades mecánicas. Estos procesos incluyen a los recocidos,

normalizados, temples, etc. A través de ciclos de calentamientos a diferentes

temperaturas, mantenimientos y enfriamientos a diferentes velocidades se logran

ajustar las propiedades finales de la pieza o producto.

c. Materiales poliméricos. Los materiales poliméricos constituyen otro de los grandes

grupos de materiales que involucra la ciencia de materiales.

¿Qué es un polímero? Poli: muchos mero: unidad constitutiva

Fundición Precalentamiento Laminación en caliente Laminación en frío y recocido


Esto es polímero → muchos meros unidos constituyendo cadenas. Esto hace que

formen macromoléculas de alto peso molecular.

Dentro de sus aplicaciones cotidianas podemos citar algunos ejemplos:

• Domésticas: electrodomésticos, dispositivos eléctricos, computadoras, teléfonos, etc

• Salud: lentes, prótesis, sustrato para el cultivo de piel, etc • Elementos de seguridad: lentes, cascos, etc • Estructurales: techos, reemplazan vidrios en aberturas, puertas, etc • Aislantes eléctricos y del calor • Medios de temple de aleaciones ferrosas y no ferrosas • Partes de automóviles • Deportes Si bien se consideran materiales modernos, los aborígenes utilizaban el caucho, el

hombre primitivo la madera y otras fibras vegetales.

En general están constituidos por C, O, N, H como elementos principales pero pueden

contener otros elementos como: S, Br, Cl, etc. Sus enlaces atómicos son covalentes

(átomos que comparten electrones) y pueden tener asociados enlaces secundarios más

débiles tales como las fuerzas de Van der Waals. Este tipo de uniones atómicas hace

que los polímeros presenten propiedades muy diferentes a otros materiales. Figura 29

Constituyen numerosos grupos o familias tales como: polietileno, polipropileno, PVC,

policarbonatos, etc. Cada uno de estos grupos o familias poseen numerosos polímeros

que las integran. Sus fórmulas químicas se expresan a través de la estructura de sus

meros por simplicidad.


Figura 29. Tipos de cadenas poliméricas

Sus materias primas originales son: el benceno, metano, etileno, propileno, etc. Todos

ellos se procesan por destilación y diferentes etapas de procesos químicos para obtener

las materias primas para la fabricación de productos plásticos finales.

Se pueden clasificar desde diferentes puntos de vista:

Reciclables: aquellos que pueden volver a procesarse sin sufrir degradación de sus

propiedades (polietileno)

No reciclables: los que se degradan por ejemplo con la temperatura (baquelita)

Otro modo de clasificarlos es a través de su estructura interna:

Amorfos o vítreos (con una estructura interna desordenada)

Cristalinos (estructura interna ordenada)

Semicristalinos o mixtos

También se los puede identificar como:

Termoplásticos (poseen aptitudes para la deformación plástica)

Termoestables (son rígidos y frágiles)

Elastómeros (alta capacidad de deformación elástica)

Cada tipo de polímero presenta propiedades físicas y mecánicas muy diferentes. Los

materiales termoplásticos por ejemplo se caracterizan por:


• Baja densidad • baja resistencia a la tracción (-) • claridad óptica en muchos casos • buenos aislantes (calor, electricidad) • límites de temperaturas de uso (250 - 280ºC) • resistentes a agentes químicos En el caso de los polímeros semicristalinos poseen zonas en las cuales las cadenas

poliméricas se hallan plegadas y ordenadas y otras zonas donde se presentan en forma

desordenada o enmarañada. Figura 30

Figura 30. Aspecto de la estructura de cristal en un polímero semicristalino o mixto

En el caso de los materiales termoestables:

• No son productos totalmente polimerizados • Necesidad de reacciones químicas de entrecruzamiento para formar las cadenas • Condiciones: Temperatura, Presión y uso de catalizadores (aceleradores de

reacción)

Por esta razón sus propiedades son:

• Alta estabilidad térmica • alta rigidez • alta estabilidad dimensional • resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga • bajo peso • buenos aislantes En síntesis, según sean las cadenas: largas, cortas, entrecruzadas, con presencia de

anillos (figura 29), serán las propiedades finales del polímero. Las cadenas lineales

Zona amorfa

(sin orden)

Zona cristalina

(con orden)


cortas pueden dar lugar a polímeros líquidos, cuando las cadenas presentan

ramificaciones o se tornan muy largas, forman plásticos de mayor viscosidad. Las

moléculas de mayor entrecruzamiento y complejidad constituyen a los polímeros más

duros y frágiles.

d.Polímeros y procesos industriales. En la figura 31, se presenta una síntesis del

procesamiento de los polímeros.

Figura 31. Síntesis de procesos de obtención de productos poliméricos

En general, las materias primas se deben someter a calentamientos suaves, luego el

conformado, esperar un tiempo de consolidación y luego proceder al desmolde de la

pieza. Figura 32

Figura 32. Etapas del proceso de conformado de productos plásticos

Existen bajo las etapas mencionadas diferentes procesos industriales. Es importante

considerar que dado sus enlaces covalentes las temperaturas de fusión de los materiales

poliméricos no superan los 480 ºC. El procesamiento requiere conocer con precisión la


temperatura de transición vítrea que es aquella temperatura por sobre la cual el

polímero se comporta como un líquido viscoso y por debajo de la cual se consolida como

un sólido.

Los procesos industriales más habituales contemplan:

Moldeo por soplado: en el cual la materia prima se vuelca a la máquina a través

de una tolva, un tornillo sinfín la trasporta mientras es calefaccionada hasta

lograr un estado plástico de viscosidad adecuada, luego a través de una boquilla

se inyecta el plástico y mediante el soplado de aire se hace que el material se

adhiera a las paredes del molde o matriz, se deja enfriar hasta consolidar la pieza

y finalmente se desmolda. Figura 33

Figura 33. Moldeo por soplado

Moldeo por alta presión: se parte también de un material cargado en una tolva,

el tornillo sinfín lo transporta mientras se calienta hasta obtener la adecuada

plasticidad y se inyecta por presión en un molde. Se espera el tiempo adecuado

para el enfriamiento de la pieza y se procede al desmolde. Figura 34

Figura 34. Proceso de moldeo por alta presión


Fabricación de láminas: el plástico en estado viscoso adecuado alcanza la

boquilla a través de la cual recibe una inyección de aire a presión que provoca la

formación de una burbuja de aire que es capturada por los rodillos que laminan

el material para obtener la lámina. Figura 35

Figura 35. Obtención de láminas de polímeros.

Las instalaciones para la fabricación de productos plásticos no requieren una

infraestructura demasiado grande en comparación con las industrias de procesamiento

de metales. Las máquinas son de tamaño limitado, producen en serie y logran piezas

con una buena terminación final. Esto hace que se pueden producir gran cantidad de

piezas en poco tiempo y con costos poco elevados.

Se obtienen todo tipo de productos: tubos, perfiles, láminas, chapas, barras y

configuraciones especiales.

Moldeo por compresión: En el moldeo por compresión, el material granulado se

coloca en el molde, se cierra el mismo y se comprime mientras se calienta para

obtener la pieza final, luego se permite el enfriamiento y se desmolda. Por este

método se fabrican piezas de plásticos termoestables. Figura 36

Figura 36. Moldeo por compresión


Se puede a través de este proceso obtener piezas de geometría compleja. Los productos

poliméricos contemplan una amplia gama de propiedades y requerimientos y se suman día

a día sus aplicaciones.

Elastómeros. Dentro de estos polímeros se engloba a los cauchos, cauchos sintéticos y

siliconas. Estas últimas en lugar de poseer cadenas carbonadas como el resto de los

polímeros presentan cadenas constituidas por átomos de Si.

Las características estructurales hacen que puedan someterse y soportar altas

deformaciones elásticas y una vez desaparecido el esfuerzo se recuperan hasta su estado

original.

Los productos plásticos se hallan en desarrollo permanente y su acumulación en el

medioambiente es alta, razón por la cual se debe avanzar cada día más hacia el desarrollo

de polímeros biodegradables.

e. Materiales cerámicos y vitrocerámicos. Los materiales cerámicos son compuestos o

soluciones inorgánicas de elementos metálicos y no metálicos. Debido a sus enlaces iónicos

y covalentes son duros, frágiles, tienen baja conductividad eléctrica y térmica. Son buenos

aislantes eléctricos y térmicos debido a la falta de electrones conductores. Podemos

observar en la figura 37, diferentes tipos de materiales cerámicos.

Figura 37. Productos cerámicos

Desde el punto de vista estructural, están constituidos por granos del mismo o diferentes

óxidos o compuestos unidos entre sí por un material de liga. Pueden presentar diferentes

proporciones de poros, que pueden resultar favorables o desfavorables para diferentes

aplicaciones o propiedades del cerámico. La porosidad puede ser abierta e interconectada

o cerrada. Por ejemplo, si se requieren cerámicos aislantes es necesario que presenten alto

porcentaje de poros. En la figura 38, se esquematiza la estructura general de un cerámico.


Figura 38. Estructura general de un cerámico.

Los materiales cerámicos pueden tener estructura interna ordenada total (cristalina) o

parcialmente (parte desordenada, amorfa o vítrea).

Sus enlaces atómicos son covalentes – iónicos razón por la cual presentan muy alto punto

de fusión y son materiales que pueden soportar altas temperaturas. Por ejemplo: los

cerámicos refractarios.

Los materiales cerámicos se pueden clasificar según los tipos de productos, figura 39:

Figura 39. Clasificación de los materiales cerámicos

También pueden identificarse por su aplicación, figura 40:


Figura 40. Clasificación de los materiales cerámicos de acuerdo a su uso

Los materiales cerámicos, vidrios y vitrocerámicos, se caracterizan por ser muy frágiles, esto

es soportan poca deformación. En particular los vidrios tienen excelentes propiedades

ópticas, fundamentalmente su transparencia.

Los materiales cerámicos y vítreos presentan una composición química muy compleja, dado

que están constituidos por numerosos óxidos y según sean los óxidos presentes serán sus

propiedades mecánicas, físicas y frente a la temperatura. La estructura de los vidrios carece

de orden, sin embargo en los vitrocerámicos pueden generarse cristales dispersos, dando

lugar a una estructura de matriz amorfa o vítrea con cristales dispersos en su interior.

f. Materiales cerámicos y procesos industriales. Dentro de los procesos de fabricación se

contemplan diversas etapas de procesamiento tales como las que se pueden observar en el

diagrama de la figura 41.


Figura 41. Diagrama de procesamiento de productos cerámicos

Dentro de las etapas se incluye el procesamiento de las materias primas para lograr

materiales de granulometría adecuada. A tal fin, se requiere la trituración y molienda

que puede realizarse mediante diferentes tipos de equipos. Figura 42

Figura 42. Diferentes equipos utilizados para la obtención de materias primas en

granulometría requerida

En los procesos de obtención de cerámicas policristalinas también se requieren distintas

etapas. Figura 43

vidrios

materias primas

mezcla

conformado en frío fusión

sinterizado conformado en caliente

tratamientos

posteriores

terminado

cerámicas policristalinas

Triturador de mandíbulas Triturador rotativo Triturador de rodillos

Molino de martillos

Molino de bolas

cilindro bolas

recubrimiento

rodillos

barbotina


Figura 43. Diferentes etapas para el procesamiento de cerámicas policristalinas

Proceso de colado en barbotina: representa uno de los procesos de fabricación

de piezas cerámicas o porcelanas más antiguos, se prepara la mezcla del material

cerámico en suspensión y luego se llena el molde, se espera un cierto tiempo

hasta que se consolide una capa de espesor requerido y el líquido remanente se

vuelca. Finalmente se desmolda la pieza final. Un esquema del proceso se puede

observar en la figura 44

polvo cerámic

o

compactación

(uniaxial-isostática

)

moldeado

en cinta

extrusión

moldeo por inyecc

ión

colado en

barbotina

secado

mezcla – molienda - secado spray

(adición de ligantes, plastificantes,

surfactantes, etc.)

maquinado

(opcional)

degasificación

calcinación

sinterización

prensado

(isostático) en

caliente

maquinado secundario

u otras operaciones

producto cerámico final


Figura 44. Esquema del colado en barbotina

Existen otros métodos tales como el moldeo por compactación en el cual se deben

utilizar prensas, el colado por cintas, entre otros. Mayores detalles de estos procesos se

pueden hallar en el material adjunto correspondientes a las clases.

La fabricación de lozas, cerámicos, etc, requieren de diversas etapas de procesamiento,

figura 45. Se parte de materias primas tales como el caolín, el cuarzo y el feldespato.

Desde luego deben ser previamente trituradas y molidas, luego mezcladas y preparada

en suspensión para luego proceder al colado, secado y horneado. Otra vía es la de la

aplicación de prensado, amasado, torneado y luego secado y horneado. Se utilizan

diferentes tipos de hornos, para alta producción los hornos túnel son los más habituales,

se trabaja a temperaturas superiores a los 900ºC. Se puede finalizar con esmaltados

para protección o decoración, pero esta etapa requiere un nuevo horneado a

temperaturas superiores a los 1000ºC.

llenado del molde extracción de líquido

por capilari

dad vaciado por drenaje extracci

ón de la

pieza seca


Figura 45. Etapas de la fabricación de lozas y porcelanas

Otro material cerámico de gran aplicación en la construcción es el cemento portland y

sus etapas de fabricación se describen en el diagrama de la figura 46. En este caso las

materias primas incluyen a la caliza, la arcilla, el yeso y diversos aditivos. Luego de

molidos los constituyentes y mezclados, se introducen en un horno de clinkerización

que es rotativo, en el se forman pequeñas esferas que son procesadas a temperaturas

superiores a los 1300ºC. El producto obtenido o clinker se muele y se almacena para su

posterior embasado y transporte.

EJEMPLO 2: fabricación de lozas y porcelana molienda

mezcla y humectación

filtro, prensa

amasado

colado prensado torneado

secado

horno túnel (bizcochado)

esmaltado

caolín, cuarzo,

agua,

segunda cocción

1000-1100ºC

Decorado

Aplicación y cocción

depósito

materias primas

tratamiento

materias

primas

tratamient

os posteriores

tratamiento

térmico principal (sinteriza

ción)

conformado


Figura 46. Etapas de fabricación del cemento Portland

Vidrios. Dentro de estos tipos de materiales podemos mencionar a los vidrios que

constituyen materiales de gran aplicación cotidiana. Sus etapas de fabricación se

sintetizan en la figura 47.

Figura 47. Etapas del procesamiento de vidrios

EJEMPLO 3: fabricación de cemento portland

arcilla

caliza

yeso aditivos

molienda mezclado

horno rotativo

(clinkerización) 1300-1550ºC

enfriamiento

molienda

del clinker

depósito

tratamiento

materias primas

tratamiento térmico principal

(reacción fase sólida)

tratamientos

posteriores

materias primas

EJEMPLO 4: fabricación de productos de vidrio

MINERALES

arena

caliza

feldespato

molienda

mezcla

horno de fusión

1400-1550ºC

soplado, prensado

colado, estirado, flotado

fibrado otros

procesosrecocido

corte, pulido, decorado, etc.

depósito

tratamiento de materias

primas

tratamiento

térmico principal (fusión)

tratamient

os posteriores

materias primas


Tal como puede observarse, las materias primas para la obtención de vidrios incluyen:

arena, caliza, feldespato, bórax, entre otros aditivos que se utilizan para darle color o

conferirle propiedades de resistencia mecánica o térmica (vidrio pyrex). Estas materias

primas luego de molidas y mezcladas se funden en hornos a temperaturas entre 1400ºC

y 1500ºC. A partir de aquí el líquido obtenido se introduce en procesos de diferentes

tipos para obtener los productos finales.

Un esquema de los diferentes procesos de vidrios se puede observar en los esquemas

de la figura 48.

Estaño líquido

Vidrio fundido

Al horno de recocido

Al horno de recocido

Zona fría

Zona caliente

(a) laminado

(b) vidrio flotado


Figura 48. Esquema de los procesos de obtención de productos de vidrios (a)

laminado, (b) flotado, (c) moldeo por presión, (d) por prensado y soplado y (e) por

estirado de fibras

g. Materiales compuestos. Los materiales compuestos se caracterizan como la palabra

lo indica por estar constituidos por más de un material. Uno que actúa como contenedor

o matriz y otros que actúa como refuerzo. Ambos materiales unidos logran propiedades

que ninguno de los materiales por separado podría lograr.

Los materiales compuestos constituyen un gran grupo de materiales que cubren una

amplia gama de aplicaciones. La variedad se debe a que pueden utilizarse diferentes

combinaciones de materiales cerámicos, metálicos y poliméricos entre sí. Figura 49

Matriz (material A transparente o blanco): cerámica, polimérica, metálica

Refuerzo (material B, indicado con rojo): cerámicos, fibras, metales, etc

Figura 49

Estirado de fibras Prensado y soplado

Moldeo a presión

Grumo caliente

Grumo caliente

Vidrio fundido

Dados de Pt

mandril


No obstante, además de acuerdo a la proporción, distribución y geometría del refuerzo

se logran también gran variedad de comportamientos físicos y mecánicos de los

materiales compuestos. Figura 50

Figura 50. Materiales compuestos, disposición de refuerzos en una matriz

Ejemplos de materiales compuestos se pueden observar en la figura 51.

Figura 51. Ejemplos de materiales compuestos

Las propiedades finales del compuesto siempre son intermedias respecto al refuerzo y

la matriz. En la figura 52, se puede observar una curva de tensión – deformación de un

material compuesto.


Figura 52. Comportamiento mecánico del material compuesto en relación a sus

constituyentes

Las principales aplicaciones de estos materiales se pueden resumir en (ver figura 53):

Figura 53. Principales aplicaciones de los materiales compuestos

Los procesos de fabricación son muy variados dado que depende del tipo de

constituyentes que se ensamblen. Se pueden fabricar por capas de los diferentes

integrantes, por impregnación, por colado, por laminación simultánea, etc.

9. Nanociencia y nanotecnología


En término de unidades, el nivel micro está referido a una millonésima. El nano a una

mil millonésima. El meso a una milésima. El macro a un metro. El nivel de sistema a un

kilómetro. Obsérvese que la referencia es a la 3. Tabla 1

Tabla 1. Comparación de la escala física en materiales, estructura e infraestructura.

Ubicados en la escala física, podemos definir a la nanociencia como el estudio de átomos, moléculas y objetos cuyo tamaño se encuadre dentro de la escala nanométrica (1 a 100 nm). Figura 54

Figura 54. Escalas de tamaño Se le entiende a la nanotecnología como el análisis, síntesis, diseño, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas a través del control de la materia a nanoescala, así como el aprovechamiento de fenómenos y propiedades de la materia a ese nivel. La nanotecnología da origen a materiales, aparatos y sistemas novedosos en sí y en sus propiedades, creando nuevas estructuras con precisión atómica. El nivel nano, permite


manipular y trabajar estructuras moleculares y sus átomos. Esto abre nuevas expectativas dado que hasta se hallan en desarrollo remedios que pretenden destruir células cancerosas. Simular mediante software la nanoestructura permite avanzar en el desarrollo de este tipo de materiales. En la figura 55, se puede observar una simulación de un nanotubo de carbono.

Figura 55. Simulación de un nanotubo de carbono para el diseño del material

Los nanotubos de carbón resultan las fibras más fuertes logradas, pudiendo ser de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso, y posee propiedades eléctricas conductivas importantes. La nanociencia y la nanotecnología son nuevas herramientas para la investigación, la innovación y el desarrollo a partir del control de la estructura fundamental y el comportamiento de la materia a nivel atómico. Se utiliza para generar nuevas propiedades y usos, como: la inclusión de nanopartículas para reforzar materiales, la mejora de propiedades de materiales diseñados para trabajar en condiciones extremas, la investigación para detectar y neutralizar la presencia de microorganismos o compuestos químicos adversos. Los nanomateriales tienen características estructurales que hace que al menos una de sus dimensiones esté en el intervalo 1 a 100 nm. Esto significa que puede haber nanomateriales 1D, 2D y 3D dependiendo de las dimensiones en que se cumple tal intervalo (o son nanométricas, según se llaman). También dentro de la nanociencia se hallan en desarrollo los nanobots, que son máquinas a escala nanométrica, también se trabaja en el logro de nanorobots (es una máquina capaz de operar de forma precisa con objetos de escala nanométrica). Un nanorobot de aplicación de aplicación en salud se puede observar en la figura 56.


Figura 56. Nanorobot de aplicación en salud La tecnología que más se emplea es conocida como la bottom-up (o de abajo hacia arriba) construyendo nanoentidades por combinación de elementos más pequeños (átomos y moléculas) guiando el autoensamblaje o bajo estrategias controladas. Los nanocompuestos, se crean introduciendo en bajo porcentaje nanopartículas de un material en otro que actúa como matriz. Las propiedades del nuevo material elaborado resultan muy diferentes a las de los constituyentes por separado. Dada la alta rigidez y resistencia mecánica sus aplicaciones son muy amplias. Ej: existen nanopolímeros que se utilizan como relleno de grietas en estructuras afectadas por sismos. Las nanopartículas, en muchos casos pueden generarse por silicatos (cerámicas) o metálicas. Se incorporan a los polímeros para formar nanocompuestos. Los nanotubos, son estructuras tubulares con diámetro nanométrico. Pueden ser constituidos por silicio o carbono. Resultan tubos concéntricos (multicapa) Las superficies nanomoduladas, son ordenadas o multicapa. También se tienen materiales nanoporosos constituidos por sílice y alúmina, utilizados para la captura de elementos nocivos. Ejemplos de algunos tipos de nanomateriales se pueden observar en la figura 57.

Figura 57. Características estructurales de los nanotubos


Dentro de las propiedades más relevantes de los nanotubos de carbono podemos citar:

Eléctricas

◦ Transportan la corriente eléctrica

◦ Pueden actuar como metales, superconductores y semiconductor Mecánicas

◦ Duros

◦ Alta resistencia mecánica

◦ Alta resistencia a la flexión Por su geometría, se podría pensar que los nanotubos sean duros en la dirección del eje, sin

embargo resultan completamente flexibles. Son materiales altamente inestables pero su

resistencia supera a la de las fibras de carbono.

Síntesis de materiales nanoestructurados.

Los nanomateriales están constituidos por agrupaciones de átomos cuyas disposiciones son

ordenadas, no obstante, sus dimensiones difieren claramente de los materiales

convencionales (metales, cerámicos, etc.). Estos últimos tienen un tamaño de grano que va

desde los micrómetros a cientos de milímetros y contiene cientos de billones de átomos

cada uno. A diferencia, un nanomaterial contiene del orden de 900 átomos por grano. Esto

es, un material nanoestructurado es entre 1000 y 100 veces más pequeño que un material

convencional. Como el tamaño del grano es tan pequeño existe una gran variación de las

propiedades fisico-químicas del material. Usando una variedad de métodos de síntesis, es

posible producir materiales nanoestructurados en forma de películas delgadas, envolturas

de materiales, en polvos y prácticamente con cualquier forma.

Existen diferentes tipos de materiales nanoestructurados. De acuerdo al tipo de material se

han desarrollado diferentes métodos de síntesis [5]:

Síntesis química: tanto metales como las cerámicas pueden ser producidos usando una variedad de enfoque químico en la forma de sol gel (es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla) o. Estos métodos proveen de grandes cantidades de aglomeraciones de tamaño nanométrico a bajo costo. El proceso químico también permite un control efectivo de la estequiometría del producto final. Sin embargo, el precursor químico puede dejar residuos que contaminen la superficie de la partícula, lo que puede llevar a dar problemas en la compactación y sinterización. Por otra parte, los polvos producidos por medio de técnicas químicas en ambiente húmedo a menudo tienen dificultades con aglomerarse.


Otros métodos:

Un método común para producir nanoestructuras en forma de polvos es a través de la deformación mecánica. Este proceso produce materiales nanoestructurados a través de una gran deformación mecánica que produce un alargamiento del grano beta precursor del material. El tamaño final del grano es función de la cantidad de energía aportada durante el proceso, la temperatura y la atmósfera, también influye en el tamaño del grano final. La mayor desventaja de este método es la posibilidad de contaminar durante el proceso por las grandes fuerzas y energías que se ven envueltas.

Los materiales nanoestructurados en tres dimensiones son también sintetizados a través de cristalización térmica de un material amorfo. Mediante el control de la nucleación y crecimiento durante el recocido de un material amorfo, uno puede producir la mayor parte del material con un tamaño de grano menor de 20nm. Este proceso está limitado por la composición del material el cuál en forma de cristal metálico tiene una microestructura amorfa. Aplicaciones: La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y cerámicas estructurales. Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será utilizado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.

El uso de la nanotecnología es cada vez mayor y los nanomateriales se reciben con

beneplácito, sin embargo también con preocupación en relación con el medio ambiente.

Dentro de las aplicaciones que se proponen para este fin se pueden mencionar:

• Membranas mejoradas en porosidad, morfología y superficie para el tratamiento de agua.

• Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2 y nanotubos de carbono actuando con contaminantes (orgánicos e inorgánicos) en agua con fines de adsorción y agregación.

• Muro biológicamente activo de nanotubos de carbón. • Uso de dióxido de titanio en la purificación de agua y aire. • Empleo de hierro a nanoescala para adsorción y destrucción de contaminantes

orgánicos en agua. • Uso de naotubos de carbón para remover plomo en agua, y ensayos respecto a otros

metales.

Cabe mencionar que éstos desarrollos y aplicaciones también involucran preocupaciones

tales como:

• Toxicidades de partículas y fibras provenientes de nanomateriales.

http://www.nanophase.com/catalog/list.asp




• El ciclo de vida de los nanomateriales. • El destino de material contaminante por adsorción desde el agua. • Biodegradabilidad y persistencia de nanomateriales basados en polímeros. • Relanzamiento de nanomateriales tóxicos al ambiente. • La efectividad de los métodos de remoción de nanomateriales tóxicos del ambiente. • Uso mal intencionado de los nanomateriales.

Por esta razón se consideran aspectos positivos: • Reducir los desperdicios, limpieza de contaminación industrial, provisión de agua

potable y mejora de la eficacia de la producción y uso de la energía. • Pese a su escaso tamaño pueden integrarse en grandes superficies o volúmenes de

contaminantes. • Gran capacidad de adsorción o catalización (aumenta la capacidad de reacción

química). • Ofrece un potencial multifuncional como el caso de las membranas para tratamiento

de agua (separa contaminantes y agrega reactivos químicos) • Desarrollos en progreso con nanomagnetita para remoción de arsénico.

El lado negativo puede considerarse debido a la saturación de los productos cotidianos tales como detergentes, cosméticos, etc. Los mismos pueden presentar riesgos de adsorción debido a su tamaño pequeño y resultar perjudiciales para la salud o el medio ambiente.

10. Catalizadores

A medida que el motor quema gasolina, el mismo produce gases tóxicos que afectan el

medio ambiente, estos gases tóxicos son conocidos como hidrocarbono, monóxido de

carbono y óxido nitrógeno. La única forma de prevenir la contaminación ambiental con

estos gases es colocando un convertidor catalítico, los vehículos actuales poseen un

convertidor catalítico en el sistema de emisión de escapes originales de fábrica. Este

convertidor catalítico va instalado en la tubería del sistema de escape entre el camarín y el

silenciador. Figura 58

Figura 58. Aspecto de un catalizador de automóvil


Su función principal es usar estos agentes químicos contaminantes como catalizador, el

catalizador es un químico que hace causar una reacción entre otros químicos sin ser

afectado por si sólo. Los gases contaminantes son transformados en gases menos

contaminantes antes de ser arrojados al medio ambiente a través del silenciador.

También se hallan en desarrollo los catalizadores industriales. La emisión de gases de

efecto invernadero y su influencia en el cambio climático ha pasado a ser a una prioridad

a nivel mundial. Mientras que en Noruega, hace más de diez años que se aplica la

captura de CO2 y su almacenamiento a gran profundidad, recientemente se anunció en

Bruselas que la Comisión Europea financiará un proyecto español para la captura y

almacenamiento geológico de CO2 en León.

De forma paralela, el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en el aprovechamiento

del CO2 para producir combustibles líquidos o policarbonatos con catalizadores abre

nuevas vías hacia procesos más favorables para el medio ambiente. Los catalizadores

pueden ser cerámicos y su estructura puede poseer poros, sin embargo son de tamaño

nanométrico.

11. Materiales con funcionalidad superficial

La ingeniería de superficies incluye una gran variedad de tratamientos y procesos

superficiales, dirigidos a la modificación de las propiedades de superficie de los

materiales. Entre los diferentes tratamientos cabe citar:

Acondicionamiento y funcionalización de superficies mediante plasma o iones (metales,

cauchos, plásticos, textiles), etc.

Difusión superficial de especies atómicas y moleculares (mediante tratamiento térmico

en atmósfera controlada, aplicación de plasmas, radiación láser o implantación iónica)

Deposito de recubrimientos y capas delgadas

Los recubrimientos que pueden lograrse pueden ser de espesor nanométrico pero de

considerable resistencia. Un ejemplo de aplicación son recubrimientos de capas

odontológicas.

Existen diferentes tipos de procesos de deposición o realización de estos

recubrimientos:

Tratamientos de difusión con plasma y láser para modificación de superficies,

incluyendo las técnicas de modelización


Nuevos procesos de deposición mediante técnicas de sputtering de alta potencia, arco pulsado, plasmas de alta presión o implantación por plasma (PIII)

Estructuras multicapa y 'nanocomposite' de ciertos compuestos metálicos, con dureza muy próxima a la del diamante (con aplicación en la protección de herramientas de corte de alta velocidad o para el corte de materiales difíciles de mecanizar)

Nuevos compuestos en capa delgada con estructura metaestable obtenidos mediante técnicas de PVD o CVD, no alcanzables por otras técnicas de preparación convencionales

Técnicas avanzadas de medida de la rugosidad superficial, de caracterización mecánica y tribológica y de resistencia a la corrosión (nanoindentación, tests de adhesión, desgaste, fatigas, métodos electroquímicos, tribocorrosión, etc)

Técnicas de análisis superficial, tales como las modernas microscopías de sonda (AFM, STM), técnicas de plasma (GD-OES), de bombardeo con iones de alta energía (RBS) o de radiación sincrotrón (XANES, EXAFS), no siempre accesibles a los laboratorios de I+D de las empresas

Dentro de los principales campos de aplicación que pueden utilizarlos podemos

mencionar a la industria automotriz, herramientas, industria aeronáutica, química,

electrónica, etc.

Capas delgadas. Muy utilizadas como recubrimientos en aplicaciones electrónicas

(dispositivos integrados). Por ejemplo, la nanoelectrónica orgánica que consiste en

estructuras pentagonales que permiten ensamblar capas para obtener dispositivos

ultrapequeños. Cada capa tiene su función. Figura 59

Figura 59. Sistemas multicapa

Técnicas de deposición. Existen muchas técnicas para la deposición de capas, entre ellas

podemos citar las que son por inmersión en el medio de interés, mediante spray sin y

con temperatura, en cámaras de vacío conocidas como sputtering, etc.

Nanotecnología orgánica. La potencia de cálculo de un determinado tamaño de chip de

computadora se duplica cada dieciocho meses, es un fenómeno conocido como la ley de


Moore. Sin embargo, se espera en breve un fin para este crecimiento. Al mismo tiempo, la

eficiencia de los componentes electrónicos utilizados para la generación de electricidad a

partir de la luz solar o en artefactos de iluminación se encuentra también limitada en cuanto

al desarrollo de técnicas de fabricación a escala nanométrica. Solución: nanoelectrónica

orgánica, que integra componentes orgánicos (como por ejemplo polímeros) capaces de

autoensamblarse permite crear dispositivos ultra diminutos.

12. Técnicas de estudio de materiales

Para definir la técnica de estudio apropiada cuando nos enfrentamos a un problema

asociado a la ciencia de materiales resulta de importancia tener claridad respecto al tipo de

estructura que presenta el material (cristalina o amorfa), a qué nivel de profundidad

necesitamos llegar en el estudio si es simplemente una caracterización básica o profunda,

qué tipo de información necesitamos para dicho estudio, de qué tipo de material nos vamos

a ocupar (metal, cerámico, polímero, compuesto, nanomaterial). En función de estos

requerimientos seleccionaremos técnicas de estudio que puedan proporcionarnos datos

sobre la estructura (microscopía óptica, electrónica de diferentes tipos), identificar

características cristalinas a través de la difracción de rayos X, determinar el comportamiento

durante el calentamiento de materiales o enfriamiento a través de técnicas de análisis

térmico diferencial, determinar comportamientos de materiales a través de la

determinación de sus propiedades mecánicas (dureza, tracción, compresión, etc), físicas

(transparencia óptica, densidad, porosidad,etc), químicas (reactividad, resistencia a la

corrosión, etc). En la figura 60 se sintetiza lo mencionado.

Figura 60. Técnicas de estudio que se aplican para el estudio de materiales

Estructura a nivel atómico

Materiales

ordenados

Materiales entre el orden y el

desorden

Materiales

desordenados Crista

l ideal Cristal real Polímeros y

cristales líquidos

Compuestos

amorfos

Metal

Cerámica

Plástico

Fibras

Capas delgadas

Materiales compuestos Microelectrónica

Diseño y selección de materiales

Difracción y microscopía

de campo próximo

Caracterización

estructural Técnicas de

análisis térmico

Propiedades mecánicas Propiedades térmicas


Las técnicas de estudio involucra tres aspectos a tener presente: la observación de la

estructura a diferentes niveles de magnificación (desde lo macro a lo nano), la

determinación de propiedades (físicas, química, mecánicas) y finalmente realizar la

correlación de los aspectos estructurales con los resultados de las propiedades para

predecir comportamientos. Se debe tener presente también el estado de agregación en que

se encuentra nuestro objeto de estudio, el tipo de enlaces atómicos presentes.

Determinación de propiedades. La determinación de propiedades de un material se realiza

mediante ensayos: físicos, mecánicos, químicos, térmicos, etc. Dentro de los posibles

ensayos podemos citar:

Ensayos físicos (Temperatura de fusión, densidad, porosidad, fluidez,

viscosidad, etc)

Mecánicas Ensayos mecánicos (Tracción, compresión, torsión, dureza,

microdureza, flexión, fatiga, resistencia al choque o Charpy, etc)

Térmicas (análisis térmico diferencial (DTA), termogravimétricos (TG) y

calorimetría diferencial ( DSC) y dilatometría)

Químicas (resistencia a la corrosión, solubilidad, etc)

En el caso de las propiedades físicas, los puntos de fusión (material puro), comportamiento

de fusión (en sistemas complejos) se puede realizar por microscopios de alta temperatura.

En este último caso no puede determinarse una única temperatura de fusión, sino que se

establecen las temperaturas críticas: ablandamiento, hemisferio y fluidez. Figura 61

Figura 61. Microscopio de alta temperatura que establece la temperatura de fusión de un

material.

Los ensayos de densidad y porosidad se realizan tanto mediante ensayos de laboratorio

normalizados como a través de instrumentos que miden porosimetría. En el caso de la fluidez

también existen diferentes ensayos de laboratorio normalizados. En el caso de la viscosidad en

general se realiza mediante viscosímetros de diferentes características. Uno de los más conocidos


es el rotativo. La determinación de propiedades físicas resulta fundamental para comprender

fenómenos vinculados a los materiales durante su uso. Ejemplos que podemos citar serían: cuando

debemos establecer la colabilidad de un cerámico, la penetración de un fundido en un cerámico, la

cobertura de una pintura en un sustrato, la permeabilidad de un sólido, etc.

En diseño de materiales es importante evaluar resistencias mecánicas y en este caso tener presente

cuales son las condiciones en las que los mismos se van a utilizar para poder establecer si el material

cumple con los requerimientos. Cuando se evalúa la calidad del material es también necesario

medir propiedades mecánicas en este caso para calificarlos. Las propiedades mecánicas a medir se

deben vincular a las condiciones en que dichos materiales estarán sometidas durante la aplicación.

Por ejemplo, no tiene sentido caracterizar un material a temperatura ambiente si en su función se

va ha encontrar a 1000ºC. Esta información sólo podría analizarse para comparar burdamente

materiales pero no aportan información de interés real para predecir su comportamiento. Lo mismo

ocurre con la selección de la propiedad a determinar. Si el material estará sometido a compresión a

temperatura ambiente, no tiene mucho sentido determinar como se comporta frente a la torsión

en caliente. En general los ensayos más comunes que se realizan serían:

Tracción

Compresión

Dureza

Microdureza

Torsión

Flexión

Todos ellos se realizan mediante instrumental específico: durómetros, microdurómetros, máquinas de tracción-compresión, máquinas de torsión, etc. Los ensayos son normalizados en su mayoría. En cuanto a las propiedades térmicas, podemos decir que son las que estudian

comportamientos del material en función de la temperatura de calentamiento o enfriamiento.

Miden variaciones que sufre el material en función de la temperatura. Se pueden sintetizar en las

siguientes:

Termogravimétricas, miden la variación de masa con la temperatura

Dilatometría, determinan dilatación o contracción en función de la temperatura,

permitiendo determinar los coeficientes específicos de cada material

Análisis térmico diferencial, establece e identifica las transformaciones o reacciones que

absorven o liberan calor (exotérmicas o endotérmicas) permitiendo predecir los cambios

que sufre el material durante el calentamiento y enfriamiento


Calorimetría diferencial, identifica las transformaciones o reacciones que absorven o liberan

energía

Estos ensayos se realizan mediante instrumental de alta precisión y la evaluación de resultados

requiere expertos en materiales para su interpretación.

Para realizar el estudio a nivel estructural se requiere de observación de muestras a diferentes

niveles de aumentos o magnificaciones. Existen instrumentos específicos para cada rango de

observación.

Bajas magnificaciones (Lupa estereoscópica hasta 60x, microscopio óptico hasta 1000x)

Altas magnificaciones (microscopio electrónico de barrido, microscopio electrónico de

transmisión, microscopios de altas resoluciones, etc pueden llegar y superar los 100000x)

En el caso de la lupa se pueden observar muestras sin y con preparación y las imágenes que se

obtienen pueden ser en 3D o en 2D. Figura 62

Figura 62. Superficie de fractura de una muestra observada mediante lupa estereoscópica.

En el caso de los microscopios ópticos, la observación se puede realizar hasta 1000 x. Estos

microscopios trabajan con luz blanca o polarizada. Su imagen se obtiene siempre sobre el plano. La

muestra requiere de preparación:

Dimensionamiento Embutido Pulido Ataque metalográfico

A modo de ejemplo podemos observar la estructura de un acero inoxidable mediante microscopía

óptica. Figura 63


Figura 63. Aspecto de la estructura de un acero inoxidable observada mediante microscopía óptica

Cuando se requieren magnificaciones superiores se recurre a los microscopios electrónicos. Dichos

microscopios ya no utilizan luz blanca sino haz de electrones. Ellos permiten observar diferentes

aspectos estructurales según sea el tipo de microscopio electrónico. Los más comunes son:

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)

Ambos tipos de microscopios pueden tener asociado accesorios para realizar análisis químico

semicuantitativo. Esto posibilita analizar los detalles que uno quiera dentro de la estructura. En la

actualidad estos microscopios también suman accesorios para determinar orientaciones

cristalográficas generadas sobre un metal por deformación y en este caso la técnica se denomina

EBSD. Figura 64 y 65

Figura 64. Microscopio electrónico y un ejemplo de análisis mediante EDS.


Figura 65. Mapeo de orientaciones cristalinas observado mediante EBSD (SEM)

Los microscopios de transmisión (TEM) permiten evaluar la estructura incluso hasta el nivel de

defectos de la red (dislocaciones), establecer aspectos de la estructura a nivel atómico. Un ejemplo

de una estructura de un metal se puede observar en la figura 66. Donde las imágenes de la izquierda

corresponden a la observación a dos niveles de aumentos distintos, llegando incluso hasta nivel

nanométrico y a la derecha la imagen corresponde a la identificación de posiciones atómicas en la

red cristalina de un sólido.

Difracción de rayos X. Esta otra técnica también aporta información acerca de las fases cristalinas

presentes en un material y de la textura (orientación de los cristales) que puede generarse luego se

someter el material a procesos de deformación. Las determinaciones se realizan mediante

difractómetros de rayos X. Figura 67

Los resultados se deben procesar por especialistas para poder interpretar las fases o texturas

obtenidas.


Figura 66. Imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) en dos modos de observación

(izq, directa y der. Por transmisión)

Figura 67. Difractómetro de rayos X y ejemplo de fases cristalinas identificadas en una arcilla


Referencias

[1] G. L. Liedl, La ciencia de los materiales, Scientific American, Nº 123, (1986)

[2] W.D. Callister, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed.: Reverté

S.A., John Wiley and Sons (1995)

[3] J. Schaeffer, A. Saxena y colaboradores, Ciencia y diseño de ingeniería de los

materiales. 2da edición, Ed.: Compañía Editorial Continental, México (2000)

[4] C. Ferrer Giménez, V. Amigó Borrás, Tecnología de materiales, Ed.: Alfaomega,

Universidad Politécnica de Valencia, (2005)

[5] J. Cazallas, Los materiales nanoestructurados, Comunicación General de la Nanotecnología, (2007)

Documents

Notas de clase - Tecnología de los materiales 2015.pdf