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Universidad Politecnica De Texcoco (UPTex) INGENIERIA DE MATERIALES

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UNIVERSIDAD POLITECNICA DE TEXCOCO (UPTex) INGENIERIA DE MATERIALES ALUMNOS:LUIS HORACIO HERNANDEZ DIAZ Y JOSE HORACIO HERNANDEZ DIAZ EXPOCISION DE LA MATERIA DE LA INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE MATERIALES
PROFESOR: ING: JACINTO RICARDO MENDEZ BANDA TERCER CUATRIMESTRE
3VIRO
INGENIERIA ROBOTICA
VESPERTINO
MAYO-AGOSTO 2013.

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Universidad Politecnica De Texcoco (UPTex) INGENIERIA DE MATERIALES

  1. 1. UNIVERSIDAD POLITECNICA DE TEXCOCO (UPTEX) INGENIERIA DE MATERIALES ALUMNOS:LUIS HORACIO HERNANDEZ DIAZ Y JOSE HORACIO HERNANDEZ DIAZ EXPOCISION DE LA MATERIA DE LA INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE MATERIALES PROFESOR: ING: JACINTO RICARDO MENDEZ BANDA TERCER CUATRIMESTRE 3VIRO INGENIERIA ROBOTICA VESPERTINO MAYO-AGOSTO 2013.
  2. 2. CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES (CIM)  La ciencia e ingeniería de materiales (CIM) es un campo interdisciplinario que trata con la  invención de nuevos materiales y el mejoramiento de materiales conocidos anteriormente  desarrollando una comprensión más profunda de las relaciones de la microestructura- composición-  síntesis-procesamiento. El término composición se refi ere a la constitución química  de un material. El término estructura se refi ere a la descripción de los arreglos de los átomos,  como se observan en los diferentes niveles de detalle. Los científi cos e ingenieros de materiales  no sólo tratan con el desarrollo de materiales, también con la síntesis y procesamiento  de materiales y los procesos de fabricación relacionados con la producción de componentes.  El término “síntesis” se refi ere a cómo se fabrican materiales a partir de sustancias químicas  de estado natural o hechos por el hombre. El término “procesamiento” se refi ere a cómo se  transforman los materiales en componentes útiles. Una de las funciones más importantes de  los científi cos e ingenieros de materiales es establecer las relaciones entre las propiedades  de un material y su desempeño.
  3. 3.  la ciencia de materiales, el énfasis está en las relaciones  básicas entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales.  ingeniería de materiales, el enfoque está en cómo convertir o transformar materiales en  dispositivos o estructuras útiles.
  4. 4.  Estos son requerimientos un tanto contradictorios.  Por tanto, en este caso, los científicos de materiales se interesan en la  ■ composición;  ■ resistencia;  ■ densidad;  ■ propiedades absorbentes de energía; y  ■ ductilidad (conformabilidad) de las láminas de acero.  Los científi cos de materiales examinarían el acero a un nivel microscópico para determinar  si sus propiedades pueden alterarse para cumplir todos estos requerimientos.  También tendrían que procesar este material
  5. 5. Clasificación de materiales  Existen varias formas para clasifi car materiales. Una es describir cinco grupos  1. metales y aleaciones;  2. cerámicas, vidrios y vitrocerámicas;  3. polímeros (plásticos);  4. semiconductores; y  5. materiales compuestos.
  6. 6.  Metales y aleaciones Estos incluyen aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio,  cobre y níquel. En general, los metales tienen buenas conductividades eléctricas y térmicas.  Los metales y las aleaciones tienen resistencias relativamente altas, rigidez alta, ductilidad o conformabilidad  y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o  de carga.
  7. 7.  Cerámicas Las cerámicas pueden defi nirse como materiales cristalinos inorgánicos. Las cerámicas  son probablemente los materiales más “naturales”. La arena de la playa y las rocas  son ejemplos de cerámicas de procedencia natural. Las cerámicas avanzadas son materiales  preparados por la refi nación de cerámicas de procedencia natural y otros procesos especiales.  Las cerámicas avanzadas se utilizan en los sustratos que albergan chips de computadora, sensores  y activadores, capacitores, bujías de motores, inductores y aislantes eléctricos. Algunas  cerámicas se utilizan como recubrimientos de barrera térmica para proteger los sustratos metálicos  en motores de turbinas.
  8. 8.  Vidrios y vitrocerámicas El vidrio es un material amorfo, aunque no siempre, derivado de la  sílice fundida. El término “amorfo” se refi ere a materiales que no tienen un arreglo regular y periódico  de átomos.  Los vidrios también se utilizan en casas, automóviles, pantallas de computadoras, televisores y  cientos de otras aplicaciones. Los vidrios pueden tratarse de manera térmica (templarse) para  hacerlos más resistentes. La formación de vidrios y la nucleación (creación) de cristales pequeños  dentro de ellos por medio de un proceso térmico especial crea materiales que se conocen como  vitrocerámicas. ZerodurTM es un ejemplo de un material vitrocerámico que se utilizan para  construir los sustratos de espejos para telescopios grandes (por ejemplo, los telescopios Chandra y  Hubble). Los vidrios y las vitrocerámicas se procesan por lo general por fusión y colado.
  9. 9.  Polímeros Los polímeros son por lo regular materiales orgánicos producidos utilizando un  proceso conocido como polimerización. Los materiales poliméricos incluyen al caucho (elastómeros)  y varios tipos de adhesivos. Varios polímeros tienen muy buena resistencia eléctrica.  También proveen buen aislamiento térmico.
  10. 10.  tienen una razón resistencia-peso muy buena. Por lo regular no son adecuados para el uso a altas  temperaturas. Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a químicos corrosivos. Los  polímeros tienen miles de aplicaciones que van de chalecos antibalas, discos compactos (CDs),  cuerdas y pantallas de cristal líquido (LCDs) hasta ropa y tazas para café. Los polímeros termoplásticos,  en los que las cadenas moleculares grandes no están conectadas de manera rígida,  tienen buena ductilidad y conformabilidad; los polímeros termofi jos son más resistentes pero  más quebradizos debido a que las cadenas moleculares están enlazadas
  11. 11.  El término plástico se utiliza para describir materiales poliméricos  que contienen aditivos para mejorar sus propiedades  Semiconductores Los semiconductores a base de silicio, germanio y arseniuro de galio son  parte de una amplia clase de materiales conocidos como materiales electrónicos. La conductividad  eléctrica de los materiales semiconductores está entre la de los aislantes cerámicos y  los conductores metálicos.
  12. 12.  han permitido la era de la información  los semiconductores, el nivel de conductividad se controla para permitir su uso en dispositivos  electrónicos tales como transistores, diodos, etc., se utilizan para construir circuitos integrados.  En muchas aplicaciones, se necesitan monocristales grandes de semiconductores. Éstos  se cultivan a partir de materiales fundidos. Con frecuencia, también se elaboran películas delgadas  de materiales semiconductores utilizando procesos especializados.
  13. 13.  Materiales compuestos La idea principal en el desarrollo de compuestos es combinar las  propiedades de distintos materiales. Los compuestos se forman a partir de dos o más materiales,  produciendo propiedades que no se encuentran en un solo material. El concreto, la  madera laminada y fi bra de vidrio son ejemplos de materiales compuestos. La fi bra de vidrio  se prepara dispersando fi bras de vidrio en una matriz de polímero. Las fibras de vidrio hacen  más rígida la matriz de polímero, sin aumentar de manera significativa su densidad. Con los  compuestos se pueden producir materiales ligeros, resistentes, dúctiles y resistentes a altas  temperaturas o pueden producirse herramientas de corte rígidas, pero resistentes al impacto  que de otra manera se romperían. Los aviones avanzados y los vehículos aeroespaciales dependen  en gran medida de compuestos tales como polímeros reforzados con fibra de carbono.  El equipamiento deportivo tal como bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis y similares también  hacen uso de distintos tipos de materiales compuestos que son ligeros y rígidos.
  14. 14. CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE LOS MATERIALES  Aeroespaciales Materiales ligeros tales como madera y una aleación de aluminio (que de  manera accidental endurece la aleación utilizada para hacer al motor aun más resistente recogiendo  cobre del molde utilizado para la fundición) fueron utilizados en el vuelo histórico  de los hermanos Wright. Las aleaciones de aluminio, los plásticos, la sílice para losetas para  transbordadores espaciales, los materiales compuestos de carbono-carbono y muchos otros  materiales pertenecen a esta categoría.  Biomédicos Los huesos y dientes están hechos, en parte, de una cerámica formada de manera  natural conocida como hidroxiapatita. Varios órganos artifi ciales, partes de remplazo  de huesos, cánulas cardiovasculares, aparatos de ortodoncia y otros componentes se fabrican  utilizando diferentes plásticos, aleaciones de titanio y aceros inoxidables no magnéticos. Los  sistemas de imágenes ultrasónicas hacen uso de cerámicas conocidas como PZT (titanato de  zirconio y plomo). Los imanes utilizados para la imagen de resonancia magnética hacen uso  de superconductores metálicos de niobio con base de estaño.  Materiales electrónicos Como se mencionó anteriormente, los semiconductores, tales  como los hechos de silicio, se utilizan para fabricar circuitos integrados para chips de computadoras.  El titanato de bario (BaTiO3), el óxido de tantalio (Ta2O5) y muchos otros materiales  dieléctricos se utilizan para fabricar capacitores cerámicos y otros dispositivos. Los superconductores  se utilizan en la fabricación de imanes poderosos. El cobre, el aluminio y otros metales  se utilizan como conductores en la transmisión de energía y en la microelectrónica.  Tecnología de energía y tecnología ambiental La industria nuclear utiliza materiales tales  como dióxido de uranio y plutonio como combustibles. Otros numerosos materiales, tales como  vidrios y aceros inoxidables, se utilizan en el manejo de materiales nucleares y desechos radiactivos.  Las nuevas tecnologías relacionadas con las baterías y las celdas de combustible hacen
  15. 15.  uso de muchos materiales cerámicos tales como la zirconia (ZrO2) y polímeros. La tecnología  de las baterías ha ganado una importancia significativa debido a la necesidad de muchos dispositivos  electrónicos que requieren energía portable y más duradera. Las celdas de combustible  también se están utilizando en algunos automóviles. La industria de la gasolina y el petróleo  utiliza extensamente zeolitas, alúmina y otros materiales como sustratos catalizadores. Utilizan  Pt, PtRh y varios otros metales como catalizadores. Muchas tecnologías de membranas para la  purificación de líquidos y gases hacen uso de cerámicas y plásticos. La energía solar se genera  utilizando materiales como Si cristalino y silicio amorfo (a:Si:H).  Materiales magnéticos Los discos duros de las computadoras y los casetes de audio y video  utilizan varios materiales cerámicos, metálicos y poliméricos. Por ejemplo, las partículas de  una forma especial de óxido de hierro, conocido como óxido de hierro gamma (γ-Fe2O3) se
  16. 16.  depositan en un sustrato de polímero para fabricar casetes de audio. Se utilizan partículas  de hierro de alta pureza para fabricar cintas de video. Los discos duros de las computadoras  se elaboran utilizando mezclas basadas en aleaciones de cobalto-platino-tantalio-cromo  (Co-Pt-Ta-Cr). Se utilizan muchas ferritas magnéticas para fabricar inductores y componentes  para comunicaciones inalámbricas. Los aceros basados en hierro y silicio se utilizan para producir  núcleos de transformadores.  Materiales fotónicos u ópticos La sílice se utiliza ampliamente para fabricar fi bras ópticas.  Se han instalado casi 10 millones de kilómetros de fi bra óptica alrededor del mundo. Los  materiales ópticos se usan para producir detectores semiconductores y láseres empleados en  los sistemas de comunicación de fi bra óptica y otras aplicaciones. De manera similar, la alúmina  (Al2O3) y los granates de itrio y aluminio (YAG, por sus siglas en inglés) se utilizan para elaborar  láseres. El silicio amorfo se usa para fabricar celdas solares y módulos fotovoltaicos. Se  utilizan polímeros para fabricar pantallas de cristal líquido (LCDs).  Materiales inteligentes Un material inteligente puede detectar y responder a un estímulo  externo tal como un cambio en la temperatura, la aplicación de un esfuerzo o un cambio en  la humedad o ambiente químico. Por lo regular un sistema basado en materiales inteligentes  consiste en sensores y activadores que leen los cambios e inician una acción. Un ejemplo de un  material inteligente de manera pasiva es el titanato de zirconio y plomo (PZT) y las aleaciones  con memoria de forma. Cuando se procesa de manera apropiada, el PZT puede someterse a  un esfuerzo y se genera un voltaje. Este efecto se utiliza para fabricar dispositivos tales como  generadores de chispas para parrillas de gas y sensores que detectan objetos bajo el agua tales  como peces y submarinos. Otros ejemplos de materiales inteligentes incluyen los fl uidos magnetoreológicos  o MR. Éstas son pinturas magnéticas que responden a campos magnéticos y se  están utilizando en los sistemas de suspensión de automóviles. Otros ejemplos de materiales  y sistemas inteligentes son los vidrios fotocrómicos y los espejos con opacidad automática  basados en materiales electrocrómicos.
  17. 17.  Materiales estructurales Estos materiales están diseñados para soportar algún tipo de esfuerzo.  Se utilizan aceros, concreto y compuestos para construir edifi cios y puentes. Los aceros,  vidrios, plásticos y materiales compuestos también se utilizan ampliamente para fabricar  automóviles. En estas aplicaciones, se necesitan con frecuencia combinaciones de resistencia,  rigidez y tenacidad bajo distintas condiciones de temperatura y carga.
  18. 18. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CON BASE EN SU ESTRUCTURA  Como se mencionó con anterioridad, el término “estructura” se refi ere al arreglo de los átomos  de un material; a la estructura a una escala microscópica se le conoce como “microestructura”.  Se pueden ver estos arreglos a diferentes escalas, que van de unas cuantas unidades  angstrom a un milímetro.  Micrografía de acero inoxidable que muestra  granos y límites del grano
  19. 19. Efectos ambientales y de otra índole  Las relaciones estructura-propiedad en materiales fabricados para formar componentes con  frecuencia están infl uidas por el entorno al que el material está sujeto durante el uso. Esto  puede incluir la exposición a altas o bajas temperaturas, esfuerzos cíclicos, impacto súbito,  corrosión u oxidación. Estos efectos deben tomarse en cuenta en el diseño para asegurar que  los componentes no fallen inesperadamente.
  20. 20.  Temperatura Los cambios en temperatura alteran drásticamente las propiedades de los materiales  Los metales y las aleaciones que se han reforzado por medio de ciertos  tratamientos térmicos o técnicas de formación perderán su resistencia cuando se calienten.  Un recordatorio trágico de esto es el colapso de las vigas de acero utilizadas en las torres del  World Trade Center el 11 de septiembre del 2001.  Las altas temperaturas cambian la estructura de las cerámicas y ocasionan que los polímeros  se fundan o carbonicen. En el otro extremo, las temperaturas muy bajas pueden ocasionar  que un metal o un polímero fallen de manera quebradiza, aun cuando las cargas aplicadas  sean bajas. Este resquebrajamiento a baja temperatura fue un factor que ocasionó que el
  21. 21.  Titanic se fracturara y se hundiera. De manera similar, el accidente del Challenger en 1986 se  debió en parte al resquebrajamiento de las juntas de obturación “o” de caucho. Las razones del  porqué algunos polímeros y materiales metálicos se vuelven quebradizos son diferentes. Estos  conceptos se explicarán en capítulos posteriores.  El diseño de materiales con resistencia mejorada a temperaturas extremas es esencial en  varias tecnologías relacionadas con la aeronáutica. A medida que se alcanzan velocidades más  altas, ocurre más calentamiento de la cubierta del vehículo debido a la fricción con el aire. Al  mismo tiempo, los motores operan de manera más efi ciente a temperaturas más altas. Por lo  que, para lograr mayor velocidad y mejor rendimiento de combustible, nuevos materiales han  aumentado de forma gradual las temperaturas permisibles para la cubierta y el motor. Pero  los ingenieros de materiales se enfrentan continuamente con nuevos retos. El X-33 y el Venturestar  son ejemplos de vehículos reutilizables avanzados que pretenden llevar pasajeros al  espacio utilizando motores de cohetes de una sola etapa.
  22. 22.  Corrosión La mayoría de las veces, la falla de materiales sucede como resultado de la corrosión  y de alguna forma de sobrecarga de tensión. La mayoría de los metales y polímeros reaccionan  con el oxígeno u otros gases, particularmente a temperaturas elevadas. Los metales y  las cerámicas pueden desintegrarse y los polímeros y las cerámicas no provenientes de óxidos  pueden oxidarse. Los materiales también son atacados por líquidos corrosivos, lo que lleva a  la falla prematura. El ingeniero se enfrenta al reto de seleccionar materiales o recubrimientos  que prevengan estas reacciones y permitan la operación en ambientes extremos. En aplicaciones  espaciales, se pueden tener que considerar los efectos de la presencia de la radiación, la  presencia de oxígeno atómico y del impacto con escombros.  Figura 1-9 Esquema de la aeronave prototipo X-33. Observe el uso de distintos materiales para diferentes  partes. Este tipo de vehículo probará varios componentes para el Venturestar (De “A Simpler Ride  into Space”, por T. K. Mattingly, octubre, 1997, Scientifi c American, p. 125, Copyright © 1997 Slim Films).  Estructuras térmicas  de titanio  Superficie de vuelo  operada eléctricamente  Forma del fuselaje aerodinámico  Motores  aerospike  integrados  Losetas metálicas  de protección  térmica metálicas  Aerocubierta  de material compuesto  Tanque de combustible  de material compuesto
  23. 23.  Fatiga En muchas aplicaciones, los componentes deben diseñarse de tal manera que la carga  sobre el material no pueda ser la suficiente como para ocasionar una deformación permanente.  Sin embargo, cuando se carga y descarga el material miles de veces, pueden comenzar a  desarrollarse pequeñas fi suras y el material falla a medida que estas fi suras crecen. A esto se  le conoce como falla por fatiga. Al diseñar componentes de soporte de carga, debe tenerse en  cuenta la posibilidad de fatiga.  Velocidad de deformación Puede conocer el hecho de que la Silly Putty®, un plástico basado  en la silicona (no en silicio), puede estirarse de manera significativa si se jala lentamente  (velocidad de deformación pequeña). Si se jala rápido (velocidad de deformación alta) se  rompe. Puede ocurrir un comportamiento similar con varios materiales metálicos. Por tanto,  en varias aplicaciones, debe considerarse el nivel y la velocidad de la deformación.  En muchos casos, los efectos, de la temperatura, fatiga, esfuerzo y corrosión pueden interrelacionarse,  y otros efectos externos podrian afectar el desempeño del material.
  24. 24. DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES  Cuando se diseña un material para una aplicación dada, deben considerarse un número de  factores. El material debe poseer las propiedades físicas y mecánicas deseadas. Debe ser capaz  de ser procesado o fabricado en la forma deseada y debe proveer una solución económica  al problema de diseño. La satisfacción de estos requerimientos de una manera que proteja al  ambiente, quizás alentando el reciclaje de los materiales, también es esencial. Al cumplir con  estos requerimientos de diseño, el ingeniero debe tener que hacer una variedad de compensaciones  para poder generar un producto útil, pero comercial.
  25. 25.  Como ejemplo, el costo del material se calcula por lo general con base en el costo por  kg. Debe considerarse la densidad del material, o su peso por unidad de volumen, en el diseño  y selección (tabla 1-2). El aluminio puede costar más por kg que el acero, pero sólo pesa  un tercio del peso del acero. Aunque las partes hechas de aluminio deberán ser más gruesas,  la parte de aluminio puede ser menos costosa que la hecha de acero debido a la diferencia  de peso.
  26. 26.  TABLA 1-2 ■ Razones resistencia-peso de varios materiales  Material  Resistencia  (kg/m2)  Densidad  (g/cm3)  Razon resistencia-peso  (cm)  Polietileno 70 × 104 0.83 8.43 × 104  Aluminio puro 455 × 104 2.71 16.79 × 104  Al2O3 21 × 106 3.16 0.66 × 106  Epoxi 105 × 105 1.38 7.61 × 105  Acero aleado tratado térmicamente 17 × 107 7.75 0.22 × 107  Aleación de aluminio tratada térmicamente 60 × 106 2.71 2.21 × 106  Compuesto carbono-carbono 42 × 106 1.80 2.33 × 106  Aleación de titanio tratada térmicamente 12 × 107 4.43 0.27 × 107  Compuesto de kevlar-epoxi 46 × 106 1.47 3.13 × 106  Compuesto de carbono-epoxi 56 × 106 1.38 4.06 × 106
  27. 27.  En algunos casos, particularmente en aplicaciones aeroespaciales, el peso es un tema crítico,  dado que el peso adicional del vehículo aumenta el consumo de combustible y reduce su  alcance. Con el uso de materiales que sean ligeros pero resistentes, pueden diseñarse vehículos  automotrices o aeroespaciales para mejorar el rendimiento del combustible. Muchos vehículos  aeroespaciales avanzados utilizan materiales compuestos en lugar de aleaciones de aluminio.  Estos compuestos, tales como los de carbono-epoxi, son más costosos que las aleaciones  de aluminio tradicionales; sin embargo, el ahorro de combustible que se obtiene por la razón  resistencia-peso mayor del compuesto (tabla 1-2) puede compensar el costo inicial mayor de  la aeronave. El cuerpo de uno de los últimos aviones Boeing conocido como Dreamliner está  hecho casi por completo de materiales compuestos de carbono-carbono. Existen literalmente  miles de aplicaciones en las que se aplican consideraciones similares. Por lo regular la selección  de materiales involucra compensaciones entre varias propiedades.  En este punto de la explicación se espera que pueda apreciar que las propiedades de los  materiales no sólo dependen de su composición, sino también en cómo se preparan los materiales  (síntesis y procesamiento) y, más importante, de su estructura interna. Esto es el porqué  no es una buena idea que un ingeniero simplemente consulte un manual y seleccione un material  para una aplicación dada. Los manuales pueden ser un buen punto de inicio. Un buen  ingeniero considerará: los efectos de cómo se hizo el material, cuál es la composición exacta  del material propuesto para la aplicación que se está considerando, cualquier procesamiento  que debe realizarse para modelar el material o para fabricar un componente, la estructura del  material después del procesamiento en un componente o dispositivo, el ambiente en el que se  utilizará el material y la razón costo-desempeño. El conocimiento de los principios de la ciencia  e ingeniería de materiales lo capacitarán en los conceptos fundamentales. Esto le permitirá  tomar buenas decisiones técnicas en el diseño con materiales de ingeniería.
  28. 28. EJEMPLO 1-1 Materiales para un marco de  bicicleta  Los marcos para bicicletas se fabrican utilizando acero, aleaciones de aluminio, aleaciones  de titanio que contienen aluminio y vanadio y compuestos de fibra de  carbono (figura 1-10). a) Si una bicicleta con marco de acero pesa 14 kg, ¿cuál será el  peso del marco suponiendo que se utiliza aluminio, titanio y un compuesto de fi bra de  carbono para fabricar el marco de tal manera que el volumen del marco (el diámetro  de los tubos) sea constante? b) ¿Qué otras consideraciones pueden tomarse en el  diseño de marcos para bicicletas?
  29. 29.  Figura 1-10  Los marcos para bicicletas  necesitan ser ligeros, rígidos y  resistentes a la corrosión (para  el ejemplo 1-1) (cortesía de Chris  harve/StockXpert).
  30. 30. BIBLIOGRAFIA  Fundamentos de ingeniería  y ciencia de materiales  segunda edición  Autor: Donald R Askeland  por Cengage Learning Editores, S.A.  de C.V.,  2010.

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