Ciencia de Materiales. Introducción. i

TEMA 1

CAPÍTULO 0 – INTRODUCCIÓN A LA

CIENCIA DE MATERIALES

Ciencia de Materiales. Introducción. ii

Ciencia de Materiales

- La Ciencia de Materiales puede definirse como aquella que se ocupa de la

composición y estructura de los materiales y a la relación existente entre

aquellas y sus propiedades.

- Si se conoce que átomos están presentes en un material y cual es su

ordenamiento dentro del mismo, podremos por tanto deducir cuales serán

sus propiedades.

- Por composición química de un material se entiende el porcentaje de cada

elemento presente en el mismo.

Ciencia de Materiales. Introducción. iii

- La influencia de la composición química en las propiedades de un material

podremos entenderla de una manera intuitiva si comparamos las

propiedades del Fe puro, por ejemplo, con las del oro.

- La importancia de la estructura queda manifiesta si, por ejemplo,

comparamos las propiedades del grafito y el diamante.

- Ambos son carbono puro:

o Grafito: átomos dispuestos en una red cristalina hexagonal.

o Diamante: a en el segundo lo están en una red cubica.

Ciencia de Materiales. Introducción. iv

- El concepto de estructura puede entenderse a distintos niveles:

o Por estructura nuclear entendemos la composición del material en

términos de protones y neutrones.

o Un nivel superior lo constituye la estructura atómica definida como la

disposición electrónica en los átomos y que determina las propiedades

químicas del material.

o La estructura cristalina nos indica el ordenamiento tridimensional de

los átomos o moléculas.

Ciencia de Materiales. Introducción. v

o La microestructura: la estructura de un material visible utilizando el

microscopio óptico o electrónico, proporcinandonos información sobre

los cristales individuales o granos, como normalmente se los denomina,

su tamaño forma y orientación. Esta estructura es de excepcional

importancia en Ciencia de Materiales.

o La macroestructura se define como aquella que se aprecia con el ojo

desnudo, o, a lo sumo, con ayuda de una lupa. La macroestructura

tiene muchos aspectos comunes con la microestructura, pero a escala

diferente.

Ciencia de Materiales. Introducción. vi

En Ciencia de Materiales nos centraremos básicamente en el estudio de la

estructura cristalina, la microestructura y, en un menor grado, de la

macroestructura.

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Ingeniería de Materiales

- La Ciencia de materiales estudia los conocimientos básicos acerca de la

composición, estructura y propiedades de los materiales.

- La Ingeniería de Materiales tiene por objeto la aplicación de los conceptos

básicos sobre los materiales, de modo que estos puedan ser convertidos en

productos útiles a la ingeniería.

- Ambas, Ciencia e Ingeniería de Materiales no están separadas por una

frontera que las delimite, antes al contrario, se encuentran

interrelacionadas.

Ciencia de Materiales. Introducción. viii

- Los ingenieros, sea cual fuere su especialidad, deben adquirir

conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales pues,

posteriormente los utilizarán en su practica profesional para desarrollar su

trabajo de una forma eficaz.

- Los Ingenieros de I+D trabajan para la creación de nuevos materiales o la

mejora de los ya existentes.

- Los Ingenieros de Diseño emplearan estos materiales nuevos, los

existentes, o los ya mejorados, para crear nuevos productos y sistemas.

Ciencia de Materiales. Introducción. ix

En ocasiones, son las exigencias de diseño las que impulsaran la

investigación hacia el logro de materiales que satisfagan las

demandas planteadas.

La búsqueda de nuevos materiales no cesa nunca.

- Los Ingenieros mecánicos demandan continuamente materiales capaces de

soportar temperaturas más elevadas.

- Los Ingenieros Eléctricos necesitan, en cambio, materiales que permitan

dispositivos electrónicos capaces de operar a mayores velocidades y

temperaturas.

Ciencia de Materiales. Introducción. x

- Los Ingenieros Aeronáuticos tratan de lograr materiales con relaciones

Resistencia-Peso mayores para sus aviones y vehículos espaciales.

- Los Ingenieros Químicos requieren materiales mas resistentes a la

corrosión.

- Todas las ramas de la Ingeniería demandan más y más materiales que

satisfagan sus necesidades, lo que conduce a la aparición continua de

nuevos materiales.

Ciencia de Materiales. Introducción. xi

- La competencia entre los distintos materiales para ocupar áreas de

utilización no cesa, primando en ocasiones factores económicos. Basta la

mejora de una técnica de procesado que abarate un material determinado

para que su utilización, a expensas de otro, crezca considerablemente. En

otros casos, en cambio, las exigencias tecnológicas nos impulsan a utilizar

materiales caros inevitablemente, como ocurre en la industria aerospacial.

Ciencia de Materiales. Introducción. xii

Tipos de Materiales

Desde un punto de vista de la Ciencia de Materiales los materiales se agrupan

dentro de los tres grupos siguientes:

MATERIALES METÁLICOS

MATERIALES POLIMÉRICOS

MATERIALES CERÁMICOS

Además de los tipos indicados suelen considerarse otros dos:

MATERIALES COMPUESTOS

MATERIALES ELECTRÓNICOS

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A) MATERIALES METÁLICOS

o Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos como el

Fe, Al, Cu, etc. y, eventualmente elementos no metálicos como el C,

N2 y O2.

o Los metales tienen estructura cristalina (en la actualidad, mediante

técnicas de solidificación rápida, se obtienen vidrios metálicos), son

buenos conductores del calor y de la electricidad, son relativamente

resistentes y dúctiles a temperatura ambiente y tienen un brillo

característico denominado brillo metálico.

Ciencia de Materiales. Introducción. xiv

o Los metales habitualmente no se utilizan puros sino combinados dando

lugar a las aleaciones metálicas, cuyo objetivo es el mejorar las

propiedades de los metales puros, o, en su caso, dotarles de otras

nuevas.

o Los metales y aleaciones suelen dividirse en:

o metales y aleaciones férreas

o y metales y aleaciones no férreas,

según su constituyente principal sea el Fe o no.

Ciencia de Materiales. Introducción. xv

B) MATERIALES POLIMÉRICOS

- Materiales macromoleculares constituidos por largas cadenas de moléculas

orgánicas o redes.

- La mayoría de los polímeros son amorfos si bien algunos tienen cierto grado

de cristalinidad son regiones vítreas y cristalinas.

- Son malos conductores del calor y de la electricidad y resistentes a la

corrosión, de una forma general.

- Son de baja densidad y poseen malas propiedades mecánicas. Su limitación

mas importante es su comportamiento a temperaturas relativamente altas

que los hace inutilizables por encima de 150C.

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MATERIALES CERÁMICOS

o Son materiales inorgánicos y generalmente cristalinos:

constituidos por elementos metálicos y no metálicos.

unidos por enlaces iónicos y covalentes.

Duros y Resistentes.

Por lo general, aislantes térmicos y eléctricos, si bien existen

cerámicas superconductoras.

Ligeros.

Se comportan bien a temperaturas elevadas.

Elevada fragilidad.

Escasa fiabilidad.

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MATERIALES COMPUESTOS

- Constituidos por dos o más materiales diferentes con objeto de conseguir

con ello un material con propiedades intermedias.

- Al constituyente más abundante se le denomina, generalmente, matriz o

constituyente matriz, y al menos abundante refuerzo.

- Por la naturaleza de la matriz se clasifican en Compuestos de matriz:

Metálica

Cerámica,

y Poliédrica, con diferencia los mas abundantes.

- Los refuerzos, según su aspecto, se clasificaran en: Fibras, Partículas y

Whiskers.

Ciencia de Materiales. Introducción. xviii

MATERIALES ELECTRÓNICOS

- Son unos materiales de gran importancia actual constituidos básicamente

por Si y que han posibilitado la fabricación de los robots y computadoras

actuales.

Ciencia de Materiales. Introducción. xix

PROCESADO

Si bien el procesado de los materiales constituye el objeto de otras disciplinas,

si conviene destacar que junto con la microestructura condiciona las

propiedades de un componente, como puede verse reflejado en el diagrama

siguiente:

PROCESO

PROPIEDADESESTRUCTURA

Ciencia de Materiales. Introducción. xx

- Procesado tiene por objeto la obtención de un componente a partir de un

material determinado.

- El procesado abarca un conjunto de técnicas, en su mayoría comunes a

todos los materiales, si bien alguno de ellos requiere un procesado

especifico

Ciencia de Materiales. Introducción. xxi

SELECCION DE MATERIALES

Los materiales, a la hora de diseñar un componente, presentan diferentes

alternativas de entre las que debe seleccionarse como mas adecuada la que

resulte de las consideraciones siguientes:

Que material reúne las propiedades físicas y químicas mas

adecuadas

Que material puede ser procesado con la forma y dimensiones

diseñadas

Que material y proceso son los mas económicos

El material y proceso que más se ajuste a las tres condiciones citadas será el

que el ingeniero debe elegir.