1.1 Materiales en Ingeniería En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es gracias a la gran cantidad de información disponible y a las herramientas que permiten predecir el comportamiento mecánico de un material. Factores a considerar para la selección de un material: 1.-Factibilidad de fabricación 2.-Estabilidad dimensional 3.-Compatibilidad con los demás materiales 4.-Reciclabilidad 5.-Impacto ambiental durante su fabricación y desecho 6.-Costo de fabricación Figura 1.1: Ciudad de Querétaro principios de sigloxx
1.2 Tipos de Materiales 1.-Metáles 2.-Cerámicos 3.-Polímeros 4.-Semiconductores 5.-Vidrios 6.-Cemento y Concreto 7.-Compósitos Cerámicos Polímeros Metales Cerámicos Polímeros Compósitos
Auditorio Josefa Ortiz de Domínguez Querétaro. Estructura de Concreto y Acero METALES Ferrosos (Aceros y Fundiciones) No-Ferrosos (Bronces, Latones, Inconel etc..) CERÁMICOS Oxidos (Al 2 O 3, ZrO) Nitruros (Si 3 N 4 ) Carburos (WC, TiC, Fe 3 C) Compuestos Complejos VIDRIOS (BASE SILICE Y SILICATOS) Aplicaciones ópticas Resistentes al calor POLÍMEROS (COMPUESTOS ORGANICOS)/RESINAS: Termofijos: redes poliméricas con enlaces cruzados Termoplasticos: enredamiento de moléculas de peso molecular alto CEMENTO Y CONCRETO COMPOSITOS (MATERIALES COMPUESTOS) Metal + Cerámico = Compuestos de matriz metálica (MMC) o matriz cerámica (CERMET) Cerámico 1 + Cerámico 2 = Composito cerámico o Cerámico reforzado (Fibras, hojuelas o partículas)
Vidrio + Fibra de cerámico = Vidrio cerámico Fibra de Carbon + Resina (Termofija) Fibra de Vidrio + Resina (Termofija) Fibra de Polímero + Resina (Termofija) Figura 1.1a Comparacion de los valores de limite de cedencia para diferentes materiales Atributos de los Diferentes Materiales (25 C)
E=Excelente, A=Alta, M=Media, B=Baja, N=Nula Propiedad\ Metales Cerámicos Vidrios Polímeros Cemento ycompósitos Concreto Resistencia a la Tensión E M B M B A-M-B Resistencia a la Compresión M A B A A A-M-B Resistencia a la Flexión A M B A M A-M-B Resistencia al Desgaste A A B M B A-M-B Dureza A-M A M B M A-M-B Tenacidad A A B A B A-M-B Plasticidad A B N A N A-M-B Densidad A-M M-B M-B M-B M-B A-M-B Conductividad térmica A B B N B A-M-B Conductividad eléctrica A M-B N N N A-M-B Propiedades Magnéticas E E N N N A-M-B
Figura 1.2: Clases de materiales de ingeníeria y su constitución 1.3 Relación entre estructura, propiedades y procesamiento El aspecto fundamental que debe tomarse cuando se requiere producir un componente con una geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría durante su vida útil. Para poder hacer la mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la compleja relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando alguno de los tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se ven afectados. Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relación que existe entre estos tres aspectos a fin de obtener el producto requerido.
Estructuras Figura 1.3: Átomo (distribución de electrones) Figura 1.4: Arreglo atómico (tipo de enlace, tamaño relativo de iones o átomos) Figura 1.5: Granos (forma y tamaño de los granos). Bronce C86300 Figura 1.6: Aleaciones multifásicas (tipo, distribución y cantidad).composito fibra epoxíca/vidrio
Figura 1.7: Fotografía mostrando dendritas en un rechupe en una aleación Al-Ti. La fotografía fue tomada usando un microscopio electrónico de barrido El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de éste. Por ejemplo, una barra de cobre o acero fabricada por fundición tendrá una microestructura diferente a la de una barra obtenida por conformado mecánico. La forma, tamaño y orientación de los granos puede ser diferente. En las fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a la contracción del metal durante la solidificación, burbujas de gas; partículas no metálicas (inclusiones) y granos columnares o estructuras dendríticas desarrolladas en la pared del molde hacia el centro de la pieza. En el material conformado mecánicamente las partículas no metálicas se deforman en la dirección del flujo al igual que los granos, la estructura cristalina sufre deformaciones (texturizado). La estructura y propiedades originales determinan la manera de procesar el material. Las piezas de fundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante un conformado mecánico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por alteraciones de la estructura cristalina se vuelven "fragiles" y pueden fracturarse durante un conformado posterior. En el caso de los polímeros, sus propiedades mecánicas están determinadas por su estructura química y peso molecular. Propiedades como la resistencia a la tensión, módulo de Young, dureza y facilidad de proceso requieren un valor de peso molecular mínimo para alcanzar el óptimo. Si bien la resistencia mecánica aumenta con el peso molecular, la facilidad de procesamiento disminuye. Las variables más importantes que determinan el estado físico de un polímero son la magnitud y naturalea de las restricciones al movimiento de sus cadenas moleculares, principalmente en el estado amorfo; en cambio cuando existe cierto grado de
cristalinidad el material se endurece, aumentando su punto de fusión y propiedades mecánicas. Los polímeros clasificados como termoestables o termofijos no pueden deformarse plásticamente, mientras que los termoplásticos son fácilmente deformables. Figura 1.8: Diagrama esquematico de una molécula polímerica. La viscosidad, que es una de la propiedades más importantes de los polímeros, se ve afectada por el grado de ramificación de sus moléculas. PROPIEDADES Propiedades mecánicas.-éstas propiedades determinan cómo responde un material al aplicársele una fuerza o un esfuerzo. Las propiedades más comunes son la resistencia mecánica, la ductilidad, y la rigidez del material aunque también son importantes la resistencia al impacto, resistencia a la fatiga, termofluencia y desgaste. Las propiedades mecánicas no sólo determinan el comportamiento del material en operación, si no que influyen en la facilidad con que puede ser conformado en un producto. Propiedades físicas.-en éstas se incluyen el comportamiento eléctronico, magnético, óptico, térmico y elástico. Las propiedades físicas dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los materiales.
PROCESAMIENTO El procesamiento de los materiales genera la forma deseada del componente a partir de un material uniforme. Metales Fundición Soldadura Forjado, Trefilado, Laminado, Doblado Metalurgía de polvos Maquinado Cerámicos Compactación Colada en pasta fluida Colado continuo de suspensión Conformado rotatorio de pasta Extrusión Moldeo por inyección Polímeros Moldeo por inyección Moldeo rotatorio Vidrios Moldeo por soplo Extrusión Conformado Extrusión 1.4 Efectos ambientales sobre los materiales La mayoria de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y climáticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones atmósfericas; pero en algunos caso las mismas condiciones de servicio requieren materiales expuestos a condiciones extremas como es el caso partícular de las álabes de turbinas de avión.
Temperatura Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades de los materiales, debidos principalmente a: Reblandecimiento Degradación Transformaciones de fases Fragilización Figura 1.9: Efecto de la temperatura sobre la resistencia mecánica CorrosiónReacción de un material con el oxígeno u otros gases, particularmente a alta temperatura. Los líquidos corrosivos también atacan a algunos materiales. De todos los problemas metalúrgicos que conciernen a un ingeniero, el más importante desde el
punto de vista económico es la corrosión. Los metales no se corroen en lugares donde no hay atmósferas. La camara Hasselblad que dejaron los astronautas estadounidenses en La Luna permanece en perfectas condiciones en lo que a partes metálicas concierne, ya que debido a efectos de la radiación algunos de sus componentes no metálicos pueden dañarse. Figura 1.10: Astronauta portando una camara Hasselbland en la superficie lunar Oxidación o Corrosión en Seco Los metales del grupo I y II de la Tabla Periodíca reaccionan imediatamente con el oxígeno por lo que tienen un uso muy limitado en el área de la construcción. Así, la mayoria de los metales que se utilizan son aquellos que se encuentran en la denominada zona de transición y se caracterizan por tener menor afinidad por el oxígeno. La oxídación es muy lenta en estos metales a temperatura ambiente, pero se ve incrementada con el aumento de la temperatura. Cuando el Fierro se calienta en una atmósfera rica en oxígeno, es cubierto por una capa negra de FeO:
2Fe + O 2 2FeO 2 Corrosión Electrolítica o Corrosión en Húmedo La corrosión eletrolítica es de alguna manera la responsable de la mayoría de la corrosión, que ocurre en los metáles a temperatura ambiente. Este tipo de corrosión ocurre cuando dos metales con diferentes potenciales de electrodo, que estan en contacto eléctrico uno con otro y en presencia de un electrólito. Figura 1.11: Sección de tuberia de un sistema de agua, presentando corrosión localizada Este tipo de corrosión es muy parecida a lo que ocurre en una celda galvánica, que consiste en una placa de cobre (Cu) y una de zinc (Zn), inmersas en una solución de ácido sulfúrico (electrólito). Cuando el circuito es cerrado la corriente empieza a fluir en el amperímetro, ésta corriente esta compuesta de los electrones que se producen en la placa de Zn, como su concentración se ve aumentada ahí, los iones Zn ++ tienden a fluir hacia la placa de Cu. Los electrones que fluyen hacia la placa de Cu reducen a los iones H + produciendo gas H 2.
Figura 1.12 Celda electrolítica Zn/Cu.