MATERIALES DE FABRICACIÓN TEMA 4: LOS MATERIALES Y SU CLASIFICACIÓN DOCENTE: ING. JONATHAN SÁNCHEZ PAREDES OBJETIVOS: a) Conocer la clasificación de los diversos materiales. b) Describir la utilidad de materiales en la ingeniería. distintos c) Reconocer y agrupar materiales de acuerdo a su afinidad física o química. CONTENIDO: 1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES. 2. MATERIALES METÁLICOS. 3. MATERIALES NO METÁLICOS. 3.1 CERÁMICOS. 3.2 POLÍMEROS. 3.3 SEMICONDUCTORES. 4. MATERIALES COMBINADOS. 1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES. La pregunta más obvia que formulará el estudiante al comenzar un curso de introducción a los materiales es: «¿Cuáles son los materiales de los que se dispone?». Para contestar a esta pregunta con generalidad es posible dar varias clasificaciones. El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo. El mundo actual es de cambios dinámicos y los materiales no son la excepción. A través de la historia, el progreso ha dependido de las mejoras de los materiales con los que se trabaja. El trabajo del hombre prehistórico estaba limitado a los materiales disponibles en la naturaleza como la piedra, madera, huesos y pieles. Con el transcurso del tiempo, pasaron de la Edad de Piedra a las nuevas edades de cobre (bronce) y de hierro. Debe mencionarse que este adelanto no sucedió de manera uniforme ni simultánea en todas partes (se verá que esto ocurre en la naturaleza, incluso a escala microscópica). Aun hoy día existe esa limitación respecto a los materiales que se obtienen de la corteza terrestre y la atmósfera (tabla sig.). De acuerdo con el diccionario Webster, los materiales son sustancias con las que algo está compuesto o hecho. Aunque esta definición es amplia, desde una perspectiva de aplicación de la ingeniería, cubre casi todas las situaciones que interesan en este texto. La producción y elaboración de los materiales hasta convertirlos en productos terminados constituyen una parte importante de la economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los sistemas de elaboración necesarios para su producción. Dado que los materiales son necesarios para fabricar productos, los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades de los materiales, de tal manera que puedan elegir los más adecuados para cada aplicación y crear los mejores métodos para procesarlos. Los ingenieros expertos en investigación y desarrollo crean nuevos materiales o modifican las propiedades de los existentes. Los ingenieros de diseño usan materiales actuales, modificados o nuevos para diseñar y crear nuevos productos y sistemas. En ocasiones los ingenieros requieren de un nuevo material para su diseño, y la tarea de crearlo será encomendada a científicos e ingenieros especialistas en investigación. En esta presentación se distinguirán cinco categorías que abarcan los materiales disponibles por los ingenieros en su práctica profesional: metales, cerámicos y vidrios, polímeros, compuestos y semiconductores. 2. MATERIALES METÁLICOS Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución. La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores. El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero y el bronce. Si existe un material «característico» que el público en general asocia con la ingeniería es el acero estructural. Este versátil material de construcción posee varias características, o propiedades, consideradas como metálicas: en primer lugar es resistente y puede ser conformado fácilmente. En segundo lugar, su gran capacidad de deformación permanente, o ductilidad, es un factor importante que le permite deformarse poco frente a cargas súbitas y elevadas. 3. MATERIALES NO METÁLICOS Se denomina no metales, a los elementos químicos opuestos a los metales pues sus características son totalmente diferentes. Los no metales, excepto el hidrógeno, están situados en la tabla periódica de los elementos en el bloque p. Tienden a formar aniones u oxianiones en solución acuosa, y forma óxidos ácidos con los metales, ganando electrones, o enlaces covalentes oc, con otros no metales, compartiendo electrones. Los principales materiales industriales no metálicos son los Cerámicos, Polímeros, Semiconductores y Materiales Compuestos. 3.1 CERÁMICOS Y VIDRIOS Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también elevado, además presentan un modo de rotura frágil. El aluminio (Al) es un metal común, pero el óxido de aluminio, un compuesto de aluminio y oxígeno (Al203), es característico de una familia completamente distinta de materiales para ingeniería: los materiales cerámicos. El óxido de aluminio tiene dos ventajas sobre el aluminio metálico: No se oxida y resiste altas temperaturas. 3.2 POLÍMEROS El mayor impacto de la moderna tecnología sobre la vida cotidiana ha sido realizado por la categoría de materiales denominados polímeros . Un nombre alternativo para esta categoría es el de plásticos, que describe la gran conformabilidad de muchos polímeros durante su fabricación. Los polímeros (del Griego: poly: muchos y mero: parte, segmento) son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Tipos de polímeros: 3.3 SEMICONDUCTORES La tecnología ha revolucionado claramente la sociedad, pero a su vez la electrónica de estado sólido está revolucionando la propia tecnología Un grupo relativamente pequeño de elementos y compuestos tiene una importante propiedad eléctrica, la semiconductividad, de manera que no son ni buenos conductores eléctricos ni buenos aislantes eléctricos. En lugar de ello, su capacidad para conducir la electricidad es intermedia. 4. MATERIALES COMBINADOS O COMPUESTOS Existe además un importante conjunto de materiales obtenidos por una combinación de materiales individuales pertenecientes a las categorías previas. Este grupo es el de los materiales compuestos, y quizá el mejor ejemplo lo constituya el plástico reforzado con fibra de vidrio. Este material compuesto, formado por una serie de fibras de vidrio embebidas en una matriz polimérica, es bastante común. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Fibra de Carbono Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:  Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.  Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.  Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).  No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes. Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas. La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza. Materiales inteligentes Algunos materiales han estado presentes durante años pero hoy día se están encontrando más aplicaciones para ellos. Tienen la capacidad de detectar estímulos ambientales externos (temperatura, esfuerzo, luz, humedad y campos eléctricos y magnéticos) y como respuesta a éstos modifican sus propiedades (mecánicas, eléctricas o su aspecto), su estructura o sus funciones. Estos materiales se denominan genéricamente materiales inteligentes. Aleaciones con memoria de forma empleadas como endoprótesis vasculares para expandir arterias obstruidas o dar soporte a arterias débiles: a) endoprótesis de prueba, b) endopróteis posicionada en una arteria dañada para soportarla. (Fuente: http :// www . designinsite . dk / htmsider / inspmat . htm.) Por cortesía de Nitinol Devices & Components © Sovereign/Phototake NYC Nanomateriales Suelen definirse como aquellos que tienen una escala de longitudes característica (esto es, diámetro de las partículas, tamaño de los granos, el espesor de las capas, etc.) menor a 100 nm (1 nm = 10−9 m). Fuentes: GRACIAS POR SU ATENCIÓN  Internet – Wikipedia.  Introducción a la Ciencia de materiales para Ingenieros – James Shackelford.  Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de Materiales – William Smith, Javad Hashemi.  Ciencia e Ingeniería de los Materiales – Askeland, 6ta Edición.  Química la ciencia central – Brown, LeMay, Bursten.