Tema 1 - Ciencia de Ingeniería de Materiales

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  • 1. TEMA 1: Ciencia e ingeniería de materiales – estructura atómica Introducción Como introducción al campo de la ciencia e ingeniería de los materiales revisaremos diferente ejemplos del mundo real. Un conocimiento a profundidad de la ciencia e ingeniería de los materiales nos hará mejores ingenieros, pues podrás seleccionar materiales innovadores para una aplicación particular. La habilidad de innovar e incorporar materiales de manera segura en un diseño tiene sus orígenes en una compresión de como manipular las propiedades y la funcionalidad de los materiales a través del control de la estructura y de las técnicas de procesamiento del material. Según nos muestra el tetraedro de la ingeniería de materiales relacionando la estructura, la composición y las propiedades de los materiales un ingeniero puede tener buenos criterios de selección para una aplicación en particular. Es importante conocer los principales materiales de ingeniería y por lo tanto veremos las distintas formas de clasificarlos, y remarcaremos sus principales propiedades que los caracterizan. Tendremos en cuenta como las propiedades de los materiales pueden ser afectadas por el medio ambiente, la fatiga, la corrosión y otros factores. Analizaremos que factores se debe tener en cuenta para un buen diseño y selección de materiales de ingeniera. Terminamos describiendo la estructura del átomo, los enlaces atómicos lo que nos ayudara a comprender como las propiedades más importantes de los materiales sólidos dependen de la disposición geométrica de los átomos y de las interacciones que existen entre los átomos y las moléculas constituyentes.
  • 2. Mapa conceptual referido al tema 1.1. ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? La ciencia e ingeniería de materiales es un campo interdisciplinario de la ciencia e ingeniería que estudia y manipula la composición y la estructura de los materiales a diferentes escalas de longitud para controlar las propiedades de los materiales a través de la síntesis y el procesamiento. Cuando hablamos de composiciónnos referimos a la constitución química de un material. El terminoestructura se refiere a la descripción del arreglo de los átomos, como se observa a diferentes niveles de detalle. Los científicos e ingenieros de materiales no solo tratan con el desarrollo de materiales, sino también con la síntesis y el procesamiento de los materiales y los procesos de fabricación relacionados con la producción de componentes. El término “síntesis” se refiere a cómo se fabrican materiales a partir de sustancias químicas de estado natural o hechas por el hombre. El término “procesamiento” se refiere a cómo se transforman materiales en componentes útiles para causar cambios en las propiedades de diferentes materiales. En la ciencia de materiales, el énfasis
  • 3. está en las relaciones básicas entre las síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales. En la ingeniería de materiales, el enfoque está en cómo convertir o transformar los materiales en dispositivos o estructuras útiles. “Estructura” es un término confuso que necesita alguna explicación. Normalmente la estructura de un material se relaciona con la disposición de sus componentes internos. La estructura subatómica implica a los electrones dentro de los átomos individuales y a las interacciones con su núcleo. A nivel atómico, la estructura se refiere a la organización de átomos o moléculas entre sí. El próximo gran dominio estructural, que contiene grandes grupos de átomos enlazados entre sí, se denomina “microscópico” y significa que se puede observar algún tipo de microscopio. Finalmente, los elementos estructurales susceptibles de apreciarse a simple vista se denominan “macroscópicos”. Uno de los aspectos más fascinantes de la ciencia de materiales involucra la investigación de la estructura del material. La estructura de los materiales tiene una influencia profunda sobre muchas propiedades de los materiales, a pesar de que la composición puede ser la misma. Por ejemplo, si tomas un alambre de cobre puro y lo doblas de manera repetida, ¡el alambre no sólo se vuelve más duro sino también se vuelve cada vez más quebradizo! Con el tiempo, el alambre de cobre puro se vuelve tan duro y quebradizo ¡que se romperá! La resistividad eléctrica del alambre también aumentará a medida que se doble de manera repetida. En este ejemplo sencillo, observa que no se cambió la composición del material (es decir, su constitución química). Los cambios en las propiedades se deben a un cambio en estructura interna. Si examinas el alambre después de doblarse observarás lo mismo que antes; sin embargo, su estructura ha cambiado a escala microscópica. La estructura a escala microscópica se conoce como microestructura. Si es posible comprender lo que ha cambiado de manera microscópica, se comenzaran a descubrir maneras de controlar las propiedades de los materiales. (Askeland D.; et al; 2011) Finalmente, debemos decir que la ciencia e ingeniería de materiales es un puente entre el conocimiento de la ciencias básicas (y las matemáticas) y las disciplinas de ingeniería (mecánica, eléctrica, civil, industrial, química, aeronáutica, etc.) que tienen que ver con los materiales de ingeniería. Debemos considerar que los desastres de ingeniería con frecuencia están causados por un mal uso de los materiales. Cuando un objeto u estructura falla, se debe a que los ingenieros que lo diseñaron emplearon materiales equivocados o no entendieron las propiedades de estos. Por ello es vital que un estudiante de ingeniería industrial conozca cómo se selecciona los materiales y sepa cual se ajusta a las demandas del diseño – demandas económicas y estéticas, así como de resistencia y durabilidad. Por lo tanto, el diseñador debe comprender las propiedades de los materiales y sus limitaciones. 1.2. El tetraedro de la ingeniería de materiales.
  • 4. Examina el ejemplo utilizando el tetraedro de la ciencia e ingeniería de los materiales presentados en la Figura 1.2. Observa las “hojas de acero" utilizadas en la fabricación de chasis de automóviles. Los aceros, como puedes saber, han sido utilizados en la fabricación durante más de 100 años. En la fabricación de chasis de automóviles, se necesita un material que posea una resistencia extremadamente alta pero que se transforme con facilidad en contornos aerodinámicos. Otra consideración es la eficiencia del combustible, por lo que la hoja de acero debe ser delgada y ligera. Las hojas de acero también deben ser capaces de absorber cantidades significativas de energía en el caso de un choque. Por lo tanto, queremos algo delgado y ligero, pero al mismo tiempo resistente al choque. Entonces, en este caso del chasis del carro, los científicos de materiales se preocupan por:  La composición;  La resistencia;  El peso;  Las propiedades de absorción de energía, y  La maleabilidad (formabilidad de las hojas de acero.) Los científicos de materiales examinarían el acero a un nivel microscópico a fin de determinar si sus propiedades pueden alterarse para que cumplan todos estos requerimientos. También tendrían que estimar el costo del procesamiento del acero junto con otras consideraciones. ¿Cómo se moldea tal acero en un chasis de automóviles de manera efectiva con relación al costo? ¿El proceso de moldeado afecta las propiedades mecánicas del acero? ¿Qué tipo de recubrimientos pueden desarrollarse para hacer al acero resistente a la corrosión? En algunas aplicaciones, es necesario saber si estos aceros pudieran soldarse con facilidad. A partir de esta explicación, usted puede ver que se necesitan considerar varios aspectos durante el diseño y la selección de materiales para cualquier producto. En la Figura 1.3 se hace un resumen de la aplicación del tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales a la elaboración de un chasis de automóvil. (Askeland D.; et al; 2011)
  • 5. 1.3. Clasificación de los materiales. Por comodidad, la mayoría de los materiales utilizados en ingeniería se dividen en cinco grupos principales: materiales metálicos, poliméricos, cerámicos, compuestos y los electrónicos. En este capítulo se distinguirá entre ellos con base en algunas de sus propiedades mecánicas, eléctricas y físicas más importantes. En capítulos posteriores se estudiarán las diferencias en cuanto a estructura interna entre estos tipos de materiales. A. Materiales Metálicos Estos materiales son sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos y pueden contener algunos elementos no metálicos como carbono, nitrógeno y oxígeno. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. En general, los metales son buenos conductores térmicos y eléctricos. Muchos metales son relativamente resistentes y dúctiles a la temperatura ambiente y presentan alta resistencia, incluso a altas temperaturas. Los metales y las aleaciones suelen dividirse en dos clases: aleaciones y metales ferrosos que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y el hierro fundido, y aleaciones y metales no ferrosos que carecen de hierro o contienen sólo cantidades relativamente pequeñas de éste como por ejemplo el aluminio, el cobre, el zinc, el titanio y el níquel. Ya sea en aleación o puros, los metales se emplean en numerosas industrias; entre otras, la aeronáutica, la biomédica, de los semiconductores, electrónica, energética, de estructuras civiles y del transporte. Desde 1961, están disponibles nuevas y mejores superaleaciones basadas en níquel y en hierro níquel y cobalto. Se empleó el término superaleación debido a su mejor rendimiento a temperaturas elevadas de aproximadamente540°C y a sus altos niveles de esfuerzo. En la actualidad, muchas aleaciones metálicas como las de titanio, acero inoxidable y las basadas en cobalto se emplean también en aplicaciones biomédicas debido a que ofrecen gran resistencia, dureza y biocompatibilidad. (Smith W.F.& Hashemi J., 2006) B. Materiales Poliméricos Según Smith W.F. & Hashemi J., (2006) nos indican que Los polímeros se clasifican en: termoplásticos, termoestables y elastómeros. Estos lo veremos con más detalle en la semana 5. Ver Figura 1.6 la mayoría de los materiales poliméricos consta de largas cadenas o redes moleculares que frecuentemente se basan en compuestos orgánicos (precursores que contienen carbono).
  • 6. Desde un punto de vista estructural, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La resistencia y ductibilidad de los materiales poliméricos varía considerablemente. Dada la naturaleza de su estructura interna, la mayoría de los materiales poliméricos son malos conductores de electricidad y por lo tanto se emplean como aislantes eléctricos. Una de las aplicaciones más recientes de materiales poliméricos ha sido en la fabricación de discos de video digitales (DVD) (figura 1.5). En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de descomposición relativamente bajas. Las industrias proveedoras de polímeros se centran cada vez más en la creación de mezclas de polímeros con otros polímeros, para ajustarlas a aplicaciones específicas para las cuales ningún otro polímero es adecuado por sí solo. Esas mezclas tienen un empleo importante en parachoques automotores, alojamientos de las herramientas motorizadas, artículos deportivos y componentes sintéticos de muchas instalaciones de pistas de atletismo techadas, que suelen estar fabricadas con una combinación de caucho y poliuretano. Los revestimientos acrílicos mezclados con varias fibras y materiales de refuerzo y colores brillantes se emplean como material de revestimiento para pistas de tenis y patios de juegos (gras sintético). Sin embargo, otros materiales de revestimiento fabricados con polímeros se están empleando para proteger de la corrosión, ambientes químicos amenazantes, choque térmico, impacto, desgaste y abrasión. C. Materiales Cerámicos Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. La mayoría de los materiales cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a ser frágiles. Destacan entre las ventajas de los materiales cerámicos para aplicaciones industriales su peso ligero, gran resistencia y dureza, buena resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes (véanse la Figura 1.7). Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos materiales cerámicos, los vuelve útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero. Los cerámicos tradicionales incluyen la arcilla, vidrio y piedra. En las últimas décadas, se ha producido toda una nueva familia de materiales cerámicos de óxidos, nitruros y carburos que tienen mejores propiedades. La nueva generación de materiales cerámicos llamados cerámicos de ingeniería, cerámicos estructurales o cerámicos avanzados tienen mayor resistencia, mejor resistencia al desgaste y a la corrosión (aun a temperaturas altas) y al choque térmico. Entre los materiales cerámicos avanzados establecidos están la alúmina (óxido), el nitruro de silicio (nitruro) y el carburo de silicio (carburo).
  • 7. Una aplicación de los cerámicos avanzados que apunta a la versatilidad, importancia y crecimiento futuro de esta clase de materiales es su empleo como material para herramientas de corte. Por ejemplo, el nitruro de silicio, que tiene alta resistencia al choque térmico y resistencia a la fractura, es un excelente material para herramientas de corte. Las aplicaciones de los materiales cerámicos son en verdad ilimitadas, dado que se hacen en las industrias aeronáutica, metalúrgica, biomédica, automotriz y muchas más. Las dos principales desventajas de este tipo de materiales son 1) la dificultad para elaborar con ellos productos terminados, y por tanto su alto costo, y 2) son frágiles y, comparados con los metales, tienen baja tenacidad. Si avanzan más las técnicas para fabricar materiales cerámicos de gran resistencia a la tenacidad, estos materiales podrían tener un enorme repunte en el campo de las aplicaciones de ingeniería. (Smith W.F.& Hashemi J., 2006) D. Materiales Compuestos Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales (fases o constituyentes) integrados para formar un material nuevo, pero debemos tomar en cuenta que no están combinados químicamente. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos. La mayoría de los materiales compuestos están formados por un material específico de relleno que a su vez sirve de refuerzo, y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas conocida como matriz. Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente gracias a la interfaz que existe entre ellos. Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Una clasificación abreviada podemos observar en la Figura 1.8.
  • 8. Las combinaciones de materiales empleados en el diseño de compuestos dependen principalmente del tipo de aplicación y ambiente en el que el material habrá de emplearse. Los materiales compuestos han sustituido a numerosos componentes mecánicos, en particular en las industrias aeronáutica, electrónica de la aviación, automotriz, de estructuras civiles y de equipo deportivo. Algunos materiales compuestos avanzados tienen una rigidez y resistencia similar a la de algunos metales, pero con una densidad considerablemente menor y, por lo tanto, menor peso general de los componentes. Por regla general, de manera similar a los materiales cerámicos, las principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos son su fragilidad y baja tenacidad. Algunos de los inconvenientes pueden superarse, en determinadas situaciones, mediante la selección adecuada del material dela matriz. Dos tipos sobresalientes de materiales compuestos modernos empleados en aplicaciones industriales son el refuerzo de fibra de vidrio en una matriz de poliéster o de resina epóxica y fibras de carbono en una matriz de resina epóxica. La figura 1.9muestra el empleo de un material compuesto por fibras de carbono y resina epóxica en el casco de un motociclista. (Smith W.F.& Hashemi J., 2006) E. Materiales Electrónicos Los materiales electrónicos no son importantes por su volumen de producción, pero sí lo son extremadamente por su avanzada tecnología. El material electrónico más importante es el siliciopuro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Otros materiales semiconductores utilizados son germanio y arseniuro. La conductividad eléctrica de los materiales semiconductores está entre la de los aislantes cerámicos y los conductores metálicos. Muchísimos circuitos electrónicos complejos se pueden miniaturizar en un chip de silicio de aproximadamente 1.90 cm2 (Figura 1.10). Los dispositivos microelectrónicos han hecho posibles nuevos productos, como los satélites de comunicaciones, las computadoras avanzadas, las calculadoras de bolsillo, los relojes digitales y los robots. El empleo del silicio y otros materiales semiconductores en la electrónica de estado sólido y en la microelectrónica, ha demostrado un enorme crecimiento desde 1970, y se espera que esta tendencia continúe. Sin duda, los materiales electrónicos tendrán un papel fundamental en las “fábricas del futuro”, en las que casi toda la fabricación la realizarán robots asistidos por herramientas controladas por computadora. En muchas aplicaciones, se necesitan monocristales grandes de semiconductores. Éstos se producen a partir de materiales fundidos. Con frecuencia, también se fabrican películas delgadas de materiales semiconductores utilizando procesos especializados. Estos se llaman obleas. (Smith W.F.& Hashemi J., 2006). En el siguiente video conocerás nuevos materiales que se están elaborando para un futuro muy cercano. No se trata de buscar materiales solo resistentes como se hizo en la edad de piedra, o en la edad del cobre o del hierro, sino materiales de ingeniería que resuelvan los problemas actuales del mundo. 1.4. Efectos ambientales y diversos Las relaciones estructura-propiedad en los materiales fabricados en componentes con frecuencia están influenciados por el entorno al que el material está sometido durante su uso. Esto puede incluir la exposición a altas o bajas temperaturas, esfuerzos cíclicos, impacto súbito, corrosión u oxidación.
  • 9. Estos efectos deben tomarse en cuenta en el diseño para asegurar que los componentes no fallen de manera inesperada Temperatura: Los cambios en temperatura alteran de manera drástica las propiedades de los materiales (Figura 1.11). El acero común y las cerámicas se debilitan por altas temperaturas. En el otro extremo, las temperaturas muy bajas pueden ocasionar que un metal o un polímero fallen de manera quebradiza, aun cuando las cargas aplicadas sean bajas. El diseño de materiales con resistencia mejorada a las temperaturas extremas es esencial en muchas tecnologías, como por ejemplo los aviones hipersónicos emplean losetas refractarias y compuestas de carbono-carbono. En si las temperaturas extremas pueden ocasionar que los materiales se reblandezcan, se degraden, se transformen las fases o se vuelvan frágiles. Corrosión La mayoría de los metales y polímeros reaccionan con el oxígeno u otros gases, en particular a temperaturas elevadas. Los metales y las cerámicas pueden desintegrarse y los polímeros y las cerámicas sin oxido pueden oxidarse. Los materiales también son atacados por líquidos corrosivos, lo que conduce a la falla prematura. El ingeniero se enfrenta al reto de seleccionar materiales o recubrimientos que prevengan estas reacciones y permitan la operación en entornos extremos. Fatiga En muchas aplicaciones, los compuestos deben diseñarse de tal manera que la carga sobre el material no pueda ser suficiente como para ocasionar una deformación permanente. Cuando se carga (someter a un esfuerzo) y descarga el material miles de veces, incluso a cargas bajas, pueden comenzar a presentarse pequeñas fisuras y el material falla a medida que estas fisuras crecen. A esto se le conoce como falla por fatiga. Al diseñar componentes que van a soportar cargas cíclicas, se debe tener en cuenta la posibilidad de fatiga. En muchos casos, los efectos de la temperatura, la fatiga, el esfuerzo y la corrosión pueden interrelacionarse y otros efectos externos pudieran afectar el desempeño del material. (Askeland D.; et al; 2011) 1.5. Diseño y selección de materiales de ingeniería Los ingenieros especialistas en materiales deben conocer varias clases de éstos, sus propiedades, estructuras, los métodos de fabricación pertinentes, las cuestiones ambientales y económicas, y muchas otras cosas. A medida que aumenta la complejidad de un componente que se esté estudiando, aumenta también la complejidad del análisis y los factores que se incluyen en el procedimiento de selección de materiales. Cuando diseñes un material para una aplicación dada, debes considerar varios factores. El material debe adquirir las propiedades físicas y mecánicas deseadas, debe ser capaz de ser procesado o fabricado en la forma deseada y debe proveer una solución económica al problema de diseño. La
  • 10. satisfacción de estos requerimientos de una manera que proteja al ambiente (por ejemplo promoviendo el reciclaje de los materiales) también es esencial. Al cumplir estos requerimientos de diseño, el ingeniero puede tener que hacer un número de compensaciones para poder generar un producto final, pero comercial. A esta altura, se espera que puedas apreciar que las propiedades de los materiales no sólo dependen de la composición, sino también de cómo se preparan los materiales (síntesis y procesamiento) y, más importante, de su estructura interna. Para un correcta selección del material para una aplicación en particular un buen ingeniero considerará: los efectos de como se hizo el material, la composición exacta del material candidato para la aplicación que se está pretendiendo, cualquier procesamiento que pueda tener que realizarse para moldear el material o para fabricar un componente, la estructura del material después del procesamiento en un componente o dispositivo, el entorno en el que se utilizará el material y la razón costo a desempeño. 1.6. Estructura de materiales: relevancia tecnológica Los materiales se eligen porque tienen propiedades adecuadas para una función determinada, y estas propiedades determinan si un material es adecuado o no. El comprender las estructuras de los materiales abre el portal al entendimiento de las propiedades del material que estas estructuras generan y los procedimientos de los procedimientos que se utilizan para alterar las estructuras y, como resultado, las propiedades del material. En el mundo actual, la tecnología de la información (TI), la biotecnología, la tecnología energética, la tecnología ambiental y varias otras áreas requieren dispositivos más pequeños, ligeros, rápidos, portátiles, eficientes, confiables, duraderos y económicos. Se desean dispositivos de almacenamiento de energía que sean más pequeñas, ligeras y de mayor duración. Se necesitan automóviles que sean relativamente asequibles, ligeros, seguros, con alto rendimiento de combustible y “llenos” de varias características avanzadas, que van de sistemas de posicionamiento global (GPS) a sensores sofisticados para la apertura de bolsas de aire. En estructuras mecánicas y civiles se necesita materiales ligeros pero más resistentes que el acero normal. Estas necesidades del mundo han generado que se preste una gran atención a la comprensión de la nanoestructura y la microestructura de los materiales, pues definitivamente las propiedades y el
  • 11. comportamiento de los materiales a niveles “micro” pueden variar en gran medida cuando se comparan con aquellos en su estado “macro” o voluminoso. En la Figura 1.13 se observa como las propiedades y la performance de una aleación de aluminio fundido para la construcción de motor es afectada por las diferentes estructuras a escala macro, micro, nano y atómico. El desarrollo de la estructura de los materiales proporciona un punto perfecto de ingreso a un reino más amplio de la ciencia de materiales e ingeniería. Los cuatro niveles diferentes de estructuras determinan las propiedades de cualquier material, estas estructuras son las siguientes: 1. Estructura atómica. ¿Qué átomos están presentes y que propiedades poseen? 2. Arreglo atómico. ¿Cómo están posicionado los átomos entre si y qué tipo de enlacen, si lo hubiera, existe entre ellos? 3. Microestructura. ¿Qué secuencia de cristales existen en un nivel tan pequeño que no es visible al ojo humano? 4. Marcoestructura. ¿Cómo las microestructuras se ajustan para hacer un material más grande? 1.7. Estructura del átomo Las propiedades de los materiales están determinadas por los tipos de átomos presentes, su orientación relativa y la naturaleza del enlace entre estos; Desde la antigüedad inquietaba al ser humano el origen del universo, pero además, el descifrar cómo estaba constituida la materia era uno de los retos.
  • 12. Las primeras ideas de que la materia es de naturaleza discontinua y que está formada por átomos, se remonta al siglo V a de C., con las ideas de Leucipo y Demócrito. Ideas de Demócrito 1. La materia está constituida de pequeñas partículas denominadas «átomos». 2. Los átomos son sólidos, indivisibles e indestructibles. 3. Entre los átomos hay vacío. 4. Las propiedades de la materia se deben al tamaño, forma y movimiento de los átomos. Actualmente y en los próximos años se está utilizando la nanotecnología como tecnología para desarrollar nuevos materiales de ingeniería asombrosos de todo tipo: cerámicos, polímeros, compuestos, metales y aleaciones, y electrónicos. En 1959, Feynman en forma premonitoria dijo: “Los principios de la física, tal y como yo los entiendo, no niegan la posibilidad de manipular las cosas átomo por átomo... Los problemas de la química y la biología podrían evitarse si desarrollamos nuestra habilidad para ver lo que estamos haciendo, y para hacer cosas al nivel atómico”, Además sabemos que los materiales que nos rodean todos están finalmente constituidos por átomos; en conclusión es necesario conocer más sobre la estructura del átomo 1.8. Enlaces atómicos La materia está formada por átomos enlazados entre sí que de acuerdo a estos enlaces confieren propiedades específicas para cada material conformado, por lo que es necesario revisar los principios básicos de química para comentar el rol del enlace.