Introducción a la Ciencia de los Materiales

Introducción a la Ciencia de los Materiales

• La presentación cubre la clasificación, tendencias, avances y propiedades de los materiales.

Objetivos de Aprendizaje

• Comprender el campo de la Ciencia de los Materiales en Ingeniería.
• Describir las tendencias en el uso de los materiales.
• Seleccionar los materiales óptimos para aplicaciones específicas.

Evolución de los Materiales

• El desarrollo de la sociedad está ligado a la capacidad de producir y transformar materiales.
• Las edades de piedra, bronce y hierro representan etapas clave en la evolución de los materiales.
• Los materiales compuestos son una parte esencial para el presente.
• La nanotecnología representa el futuro de los materiales.

Ciencia de los Materiales en Ingeniería

• La ciencia de los materiales tiene como objetivo investigar las relaciones entre la estructura y las propiedades de los materiales.
• La ingeniería de materiales se centra en el diseño de la estructura de un material para obtener propiedades deseadas.
• También se ocupa de crear nuevos productos utilizando materiales existentes y desarrollando técnicas para su procesamiento.

Selección de Materiales: El Caso del Fuselaje del Boeing 787

• La selección del material implica considerar el costo, el rendimiento y la composición.
• Es menester evaluar la medida en que se puede reducir el peso del fuselaje y cuántos pasajeros caben con fuselaje compuesto.
• Los criterios de composición consisten en identificar qué materiales deben usarse en la matriz y en el refuerzo.
• Tener en cuenta las características de la microestructura que afectan la confiabilidad del material.
• Finalmente definir el proceso que debe emplearse para fabricar el fuselaje.

Términos Clave

• Estructura: Disposición de los componentes internos de un material.
• Estructura subatómica: Considera los electrones en los átomos individuales y sus interacciones.
• Propiedad: La respuesta de un material a un estímulo específico.
• Propiedades relevantes: mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas.
• Procesado y rendimiento: La estructura de un material depende de cómo se procesa, y el rendimiento es función de sus propiedades.

Ejemplo del Principio de Materiales

• Tres especímenes de óxido de aluminio pueden mostrar diferencias en transmitancia de la luz.
• Los especímenes demuestran también diferentes propiedades ópticas y de estructura.
• El grado de perfección (monocristal vs. cristales pequeños y poros) afecta las propiedades.
• La transmitancia óptica influye en el rendimiento.

¿Por Qué Estudiar Ciencia e Ingeniería de Materiales?

• Facilita la investigación y diseño de materiales.
• Permite seleccionar el material adecuado entre miles de opciones.
• Es útil para caracterizar las condiciones de servicio y obtener las propiedades requeridas.

Caso de Estudio: Rotura de Barcos Liberty en la Segunda Guerra Mundial

• Se analizaron fallas para evitar repeticiones.
• Se presentaron fracturas frágiles que se esperaba fueran dúctiles.
• Daños y grietas estructurales fueron identificados como elementos presentes y causa de las fracturas.
• Las causas eran la transición dúctil a frágil por enfriamiento y esquinas de trampillas cuadradas.
• El ensamblaje se realizaba por soldadura en lugar de remaches y operarios de soldadura no eran expertos.
• Las medidas a tomar fueron mejorar el material, redondear esquinas y mejorar el proceso de fabricación.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

• Resistencia: Capacidad de soportar cargas (tensión, compresión, flexión).
• Elasticidad: Capacidad de recuperar la forma al eliminar la carga.
• Plasticidad: Capacidad de deformarse permanentemente bajo tensión.
• Rigidez: Oposición a las deformaciones elásticas.
• Dureza: Resistencia a ser deformado permanentemente.
• Tenacidad: Capacidad de absorber energía antes de fracturarse.
• Fragilidad: Facilidad para fracturarse debido a la baja capacidad de deformación.

Propiedades de Fabricación

• Maleabilidad: Capacidad para formar láminas.
• Forjabilidad: Capacidad para deformarse mediante golpes a alta temperatura.
• Fusibilidad: Capacidad para derretirse o fundirse.
• Maquinabilidad: Capacidad para ser trabajado con herramientas de corte.
• Soldabilidad: Capacidad para unirse con otros materiales mediante temperatura o compresión.

Propiedades Químicas

• Corrosión: Deterioro por ataque químico o electroquímico.
• Oxidación: Degradación por reacción con átomos de oxígeno (especialmente en metales).

Clasificación de los Materiales

• Metales, cerámicos, polímeros y compuestos.
• Materiales avanzados incluyen semiconductores, biomateriales, materiales inteligentes y nanoingeniería.

Metales

• Compuestos principalmente por elementos metálicos y algunos no metálicos.
• Presentan una distribución ordenada de átomos y son relativamente densos.
• Rígidos, resistentes, dúctiles y resistentes a la fractura.
• Con gran número de electrones localizados, buenos conductores de electricidad y calor.
• No transparentes a la luz visible, aunque algunos tienen propiedades magnéticas.

Turbinas de Avión

• Fabricadas con aleaciones metálicas resistentes a altas temperaturas y al calor.
• Usan tecnologías de materiales monocristalinos y pulvimetalurgia.

Cerámicos

• Compuestos de elementos metálicos y no metálicos (óxidos, nitruros, carburos).
• Presentan rigidez y resistencia comparables a los metales, con elevada dureza.
• Son frágiles, tienden a fracturarse, y son aislantes del calor y la electricidad.
• Algunos óxidos cerámicos (como el óxido de hierro) pueden ser magnéticos.

Aplicaciones de Cerámicos

• Aislantes térmicos, abrasivos, resistentes a la compresión y refractarios.
• Utilizados en válvulas, asientos de válvula y colectores de motores de alta tecnología.

Polímeros

• Incluyen plásticos, cauchos y gomas orgánicas.
• Cuentan con estructuras moleculares grandes basadas en carbono e hidrógeno.
• Los polímeros son generalmente dúctiles, flexibles y químicamente inertes.
• Los más comunes son: polietileno (PE), nylon, policloruro de vinilo (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) y gomas de silicona.
• Tienen tendencia a ablandarse/ descomponerse a moderadas temperaturas.
• Poseen baja conductividad eléctrica y no son magnéticos.

Compuestos

• Compuestos por dos o más materiales de categorías como metales, cerámicos o polímeros.
• Combinación de propiedades no vistas en materiales individuales.
• Pueden ser de origen natural o sintético.
• Son utilizados en la aeronáutica, aeroespacial, bicicletas y coches.

Propiedades Comparativas

• Los metales generalmente tienen mayor densidad que los cerámicos y los polímeros.
• Los cerámicos tienen mayor rigidez que los metales, polímeros y que la madera.
• Los compuestos tienen una alta resistencia a la tracción superior.
• Los metales presentan valores más altos de conductividad eléctrica que los semiconductores, cerámicos y polímeros.

Selección de Materiales

• La relación resistencia/peso es un factor clave para la construcción de estructuras resistentes y ligeras.

Materiales Avanzados

• Diseñados para aplicaciones especiales y dispositivos que requieren principios sofisticados.
• Incluyen materiales tradicionales con propiedades mejoradas y productos de nuevo desarrollo.
• Componentes requeridos en equipos electrónicos, sistemas de fibra óptica, naves espaciales y demás.
• Las aplicaciones incluyen láseres, circuitos integrados, pantallas LCD y fibra óptica.

Semiconductores

• Sus propiedades eléctricas son intermedias entre los conductores y los aislantes.
• Son muy sensibles a impurezas, de ahí que se controle con cuidado la presencia de átomos.
• Han revolucionado la electrónica y la informática.

Biomateriales

• Componentes implantados en el cuerpo humano.
• No deben producir sustancias tóxicas y deben ser compatibles con los tejidos.
• Pueden ser metales, cerámicos, polímeros, compuestos y semiconductores.

Materiales Inteligentes

• Capaces de detectar cambios en su entorno y responder de manera predeterminada.
• Incluyen sensores y actuadores que inducen cambios en respuesta a temperatura, campos eléctricos/magnéticos.
• Ejemplos: aleaciones con memoria de forma, cerámicos piezoeléctricos, fluidos magnetoestrictivos y fluidos electro/magnetorreológicos. -Los fluidos electrorreológicos y magnetoreológicos son líquidos que experimentan cambios drásticos en la viscosidad ante a la acción de los campos eléctricos y magnéticos.
• El grafeno tiene alta conductividad, es ligero y flexible y permite que los gases sean impermeables.

Nanomateriales

• Incluyen metales, cerámicos, polímeros y compuestos con dimensiones a nanoescala (menos de 100 nm).
• El procedimiento general utilizado por los científicos para comprender la química y la física de los materiales consistía en comenzar por el estudio de estructuras grandes y complejas para luego investigar los bloques fundamentales.
• Con el desarrollo de los microscopios de fuerza atómica, se ha podido construir nuevas estructuras de constituyentes a nivel atómico.
• Pueden experimentar cambios drásticos en sus características físicas y químicas.
• Presentan propiedades únicas en aplicaciones electrónicas, biomédicas, deportivas y producción de energía.

Algunos Ejemplos de Nanomateriales

• Convertidores catalíticos, nanocarbonos, nanotubos de carbono, grafeno.
• También se utilizan en neumáticos, nanocompuestos, unidades de disco duro y cintas magnéticas.
• Los tipos de NM según su dimensión son OD, ID, 2D y 3D.
• Es menester evaluar la posible toxicidad de los materiales para los seres vivos.

Necesidad de Materiales Modernos

• Se necesita desarrollar materiales sofisticados y especializados que consideren los impactos ambientales.
• Energía nuclear: Necesidad de combustibles, estructuras de contención e instalaciones para la eliminación de residuos.
• El transporte requiere: materiales ligeros y resistentes a altas temperaturas para reducir el consumo de combustible.
• Se necesitan nuevas fuentes de energía económicas y desarrollo de materiales para pilas de combustible muy eficientes.
• Las técnicas de control de la contaminación requieren mejorar los procesos de refinado.
• Análisis del ciclo de vida en la producción para contemplar el impacto ambiental.