INTRODUCCION A LA ING. DE MATERIALES

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE MATERIALES

1. Evaluar el comportamiento de los materiales a través de la historia.

1.1. Evolución de los materiales utilizados en la Ingeniería.

A través de la historia de la humanidad, los materiales disponibles en cada momento han limitado las posibilidades de diseño. La sociedad ha nombrado los periodos pasados en base a los materiales: edad de piedra, edad de bronce, edad de hierro y ahora la edad de los materiales diseñados. No ha existido una era como la actual, donde la evolución de los materiales es tan rápida y el rango de sus propiedades tan variadas, que origina una situación bastante difícil y crítica la tarea de seleccionar un material óptimo o combinación de materiales óptimos, unido a ello, las consecuencias económicas de tales decisiones son mayores.

Figura 1

Los materiales de la prehistoria (edad de piedra, >10000 AC.) fueron las cerámicas, vidrios, polímeros y compuestos naturales. Las armas, que siempre es el punto máximo de la tecnología de la época, fueron hechas de madera y pedernal; sus edificaciones y puentes hechos de piedra y madera. El oro y la plata fueron aprovechados, pero jugaron un rol de menos importancia en la tecnología de la época. El descubrimiento del cobre y bronce (edad de bronce, 4000 AC – 1000 AC) y del hierro (edad de hierro 1000 AC-1620 DC) generaron un gran avance, las antiguas armas y herramientas fabricadas de madera y piedra fueron reemplazadas por estos materiales. La tecnología del hierro fundido (1620-1850) estableció e dominio de los metales en la ingeniería; y se fortaleció su posición con la evolución del acero, aleaciones ligeras y aleaciones especiales. En la década de los años 60 hablar de los “materiales de ingeniería” significaba “metales”, y en las Escuelas de Ingeniería las disciplinas trataban el estudio de los materiales se reducía a la Ingeniería Metalúrgica, otros tipos de materiales eran apenas mencionados. En las décadas de los 60 y 70, la industria de las superaleaciones observó un rápido desarrollo, algunas tecnologías de esa época fueron: la fundición por inducción al vacío, la fundición por arco de vacío, la solidificación direccional, la tecnología de monocristales y el procesamiento mediante pulvimetalurgia.

En la actualidad, la situación ha cambiado radicalmente, el desarrollo de nuevas aleaciones metálicas es ahora lento; la demanda del acero y las fundiciones ha disminuido. Por otro lado las industrias de polímeros y compuestos están creciendo rápidamente, y las proyecciones del crecimiento de la producción de nuevos cerámicos de alto rendimiento sugieren también una rápida extensión. Esta tendencia parece apuntar que se mantendrá en el futuro.

1.2. Materiales de Ingeniería

Es convencional clasificar los materiales de ingeniería dentro de seis clases amplias: materiales metálicos, polímeros, elastómeros, cerámicos, vidrios y compuestos. Los materiales pertenecientes a cada clase tienen características en común, propiedades afines, métodos de procesamiento similares, y, frecuentemente, aplicaciones semejantes, esto permite su diferenciación.

Otra forma de clasificar los materiales de ingeniería, es mediante materiales estructurales y materiales funcionales. El término “estructural” se aplica a los materiales con propiedades fundamentalmente mecánicas (rigidez, resistencia mecánica, tenacidad, etc.) y de superficie (resistencia a la fricción, desgaste, oxidación, corrosión, etc.) que son importantes para la construcción de componentes. Se reserva el nombre de materiales “funcionales” para aquellos requeridos por sus propiedades eléctricas (conductividad, resistividad, superconductividad, semiconductividad), magnéticas, radioactivas, termoiónicas, etc.

1.2.1. Materiales Metálicos

Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestos de uno o más elementos metálicos (metal compuesto por más de un elemento, constituye una aleación), pudiendo contener también algunos elementos no metálicos. Ejemplo, de elementos metálicos tenemos al hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio. Elementos no metálicos, como el carbono, oxígeno y nitrógeno pueden también estar presentes en los materiales metálicos.

Normalmente los metales y aleaciones se clasifican en: metales y aleaciones ferrosas que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y las fundiciones; y metales y aleaciones no ferrosas que carecen de hierro o sólo contienen cantidades relativamente pequeñas. Ejemplo de metales no ferrosos son aluminio, cobre, zinc, titanio y níquel.

El material metálico que es conocido por cualquier persona común, por su amplio uso en la ingeniería, es el acero. Esta aleación está constituida por hierro con adiciones de carbono menores a 2.11% en peso, adiciones mayores a este porcentaje constituyen las fundiciones. El acero, después del hormigón, es el material estructural más utilizado; esto debido a sus diversos mecanismos de endurecimiento que presenta, lo que le permite usos diversos como:

• Aceros de bajo carbono (suaves) - Usos para tensiones bajas: aceros de construcción en general, aprobado para procesos de soldadura.

• Aceros de medio carbono - Usos para tensiones medias: partes de maquinaria como tuercas y tornillos, ejes, engranajes, etc.

• Aceros de alto carbono - Usos para las tensiones altas: resortes, herramientas de corte, troque, etc.

• Aceros de baja aleación - Usos para tensiones altas: recipientes a presión, partes de aviones, etc.

• Aceros de alta tensión (“inoxidables”) - Usos para altas temperaturas-medios expuestos alta corrosión, plantas químicas o generadoras de vapor.

• Fundiciones de hierro - Usos para tensiones bajas: cajas de motores, tubos de drenaje, etc.

Un importante grupo de aleaciones son aquellas de base cobre. El cobre presenta aplicaciones diversas entre las cuales la industria eléctrica consume alrededor de 50% en peso y la construcción el 23%. La importante propiedad intrínseca del cobre, que determina la mitad de su consumo, es su alta conductividad eléctrica. Tiene una moderada resistencia mecánica que puede mejorar por endurecimiento estructural mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos aleantes (Ejemplo, 2%Be). La resistencia del cobre aumenta considerablemente por deformación en frío, esto lo demuestra su relación tensión de fluencia/tensión de tracción que es aproximadamente 0.35.

Metal Composición Típica Usos Comunes

Cobre 100%Cu Dúctil, resistente a la corrosión y un buen conductor eléctrico: tuberías de agua, alambre eléctrico, etc.

Latone Cu-30%Zn Más resistente que el cobre, buena maquinabilidad, razonable resistencia la corrosión: tubos de unión para agua, tornillos, componentes, eléctricos, etc.

Bronces Cu-10-30%Sn Buena resistencia a la corrosión: cojinetes, hélices de barcos, campanas, etc.

Cuproníquel Cu-30%Ni Buena resistencia a la corrosión, acuñación, etc.

Entre las aleaciones de cobre más importantes tenemos: latones (Cu-Zn), bronces (Cu-Sn), cuproníqueles (Cu-Ni), cuproaluminios (Cu-Al), alpacas (Cu-Ni-Zn), etc., que se emplean ampliamente en la industria naval, aprovechando sus buena resistencia a la corrosión.

El níquel y sus aleaciones forman otra importante clase de metales no ferrosos. El principal consumo del níquel es como elemento de aleación de los aceros (45%), debido a que le proporciona a los aceros ciertas propiedades como: templabilidad, resistencia a temperaturas criogénicas, resistencia a la corrosión acuosa, etc. El níquel, debido a su alta resistencia elevadas temperaturas y buena resistencia a la oxidación a estas temperaturas, es el metal base de las denominadas superaleaciones; esto ha permitido la fabricación de modernos motores de turbinas para avión. Aproximadamente un 8% de la producción de níquel se emplea en la fabricación de superaleaciones. Además, sus buenas propiedades magnéticas del níquel permite la fabricación de imanes permanentes, como es el caso de la aleación Alnico (30%Ni-12%Al, resto Fe) y el Permaloy (66-90% Ni y el resto Fe). Algunas aleaciones de níquel, como el Invar (36%Ni-resto Fe), son de interés debido a su bajo coeficiente de dilatación.

El aluminio es uno de los metales más consumido en el mundo, tiene una densidad de 2.69 g/cm3, alrededor de la tercera parte del hierro; por lo que sus aleaciones reciben el nombre de aleaciones ligeras. Con adición de elementos de aleación y después de un tratamiento térmico apropiado, se consigue mejorar la resistencia mecánica del aluminio por endurecimiento estructural. Por ejemplo, la resistencia a la tracción del duraluminio Al-4%Cu-1%Mg (serie 2000), es cinco veces mayor al aluminio; de manera similar el Al-6%Zn-1%Mg (serie 7000) es seis veces mayor. Las principales familias convencionales de las aleaciones ligeras, además de mejorar su resistencia mecánica, tienen por objeto mejorar su resistencia a la corrosión (aleaciones Al-Mg), y su aptitud para el moldeo (siluminios, aleaciones Al-Si).

El titanio se presenta como un material estructural importante debido a su baja densidad (4.75 g/cm3), su alta temperatura de fusión (1668°C), y su resistencia a la oxidación. Sus características mecánicas son buenas, comercialmente puro presenta una tensión de fluencia de 170 MPa y una tensión a la tracción de 240 MPa. Esta característica puede mejorarse con la adición de elementos de aleación y tratamientos térmicos; por ejemplo, la aleación Ti-6% Al-4% V presenta una tensión de fluencia

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