UNIDAD 1
MATERIALES PARA
INGENIERÍA
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
MATERIALES PARA INGENIERÍA
Material: sustancia de la que cualquier cosa está compuesta o hecha
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Clasificación “clasica” de los materiales
Materiales metálicos
Buenas propiedades mecánicas,
mala resistencia a la corrosión
Materiales poliméricos
Buena maleabilidad y
deformabilidad, se degradan
Materiales cerámicos
Alta dureza, alta fragilidad
Materiales compuestos
Propiedades que dependen de
los materiales mixtos utilizados
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales
Aplicaciones
Propiedades
Metales
Alambres, tubos, piezas
de automóviles
Alta conductividad eléctrica,
Resistentes y dúctiles a
temperatura ambiente
Cerámicos
Vidrios, ladrillos, loza
Aislante térmico y eléctrico ,
frágiles, alta dureza, alta
resistencia
Polímeros
Recipientes plásticos,
carcasas teléfonos
Bajo peso, baja resistencia, alta
resistencia a la corrosión
Compuestos
herramientas de corte,
recipiente para reactores
Ligeros, resistentes, dúctiles,
con resistencia a las altas
temperaturas
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Otras clasificaciones de los materiales
En función de sus aplicaciones
Materiales para la energía
Materiales para la salud
Materiales para microelectrónica
Materiales para aplicaciones aeronáutica
En función de nueva propiedades físicas o químicas
Biomateriales
Materiales magnéticos
Nanomateriales
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales metálicos
Sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos
metálicos (aleaciones)

Tabla periódica de los elementos
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales metálicos

Buenos conductores eléctricos
y térmicos
Los
átomos están dispuestos de
manera ordenada
 Resistentes y dúctiles a temperatura
ambiente (pueden ser conformados con
facilidad)
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales metálicos

Son opacos a la luz visible

La superficie pulida tiene apariencia lustrosa

Los metales se dilatan y se contraen con la diferencia de temperatura

Tiene una elevada capacidad de oxidación
Ej.: Acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel, etc.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales metálicos
Aceros (Fe, C, Ni, Cu..)
Metales ferrosos
Fundiciones (Fe, Si, C, Mn..)
Aluminio y sus aleaciones
Cobre y sus aleaciones
Magnesio y sus aleaciones
Metales no ferrosos
Níquel y aleaciones base níquel
Aleaciones de zinc, plomo y estaño
Titanio y aleaciones de titanio
etc
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Usos
Materiales metálicos
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales cerámicos
Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no
metálicos cohesionados químicamente

Tabla periódica de los elementos que forman compuestos cerámicos
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Tipos de materiales cerámicos
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales cerámicos
Propiedades
La
Cristalinos, no cristalinos o
mezcla de ambos

mayoría de los cerámicos tienen
elevada dureza y alta resistencia a la
compresión
Se
caracterizan por tener escasa
conductividad, tanto eléctrica como
térmica.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales cerámicos
Son
frágiles, tiene escasa resistencia al impacto

Bajo peso, alta resistencia al calor, a la corrosión y al desgaste

Propiedades aislantes
Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Polímeros
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Polímeros
Materia prima de los polímeros
Petróleo
Sustancias naturales
Carbón mineral
Caucho
Celulosa
Gas natural
C
H
Cl
N
O
S
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Tabla periódica donde se indican los elementos asociados a los
principales polímeros comerciales
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Polímeros
Características
Baja densidad y
Alta resistencia eléctrica
y térmica
extraordinaria flexibilidad
Muy buena resistencia a las
Tienen buena relación
resistencia peso
sustancias corrosivas.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Polímeros
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
La polimerización se
produce cuando las
moléculas
pequeñas
llamadas monómeros,
se
combinan
para
producir
moléculas
más largas (polímeros)
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Según sus aplicación y su comportamiento a temperatura, se
clasifican en:
 Termoplásticos
 Termoestables
 Elastómeros
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Polímeros termoplásticos
Los plásticos termoplásticos se obtienen
de compuestos derivados del petróleo,
estos materiales se ablandan cuando se
calientan y se pueden moldear, dándoles
nuevas formas que se mantienen al
enfriarse.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Polímeros termoestables
Los plásticos termoestables proceden de
descompuestos derivados del petróleo. Al
someterlos al calor, se vuelven rígidos, por
lo que solo se les puede calentar una sola
vez. En general presentan una superficie
dura y resistente y son más frágiles que
los termoplásticos.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Elastómeros
Polímeros (termoplásticos
o
termoestables,
con
pocos enlaces cruzados)
que
tienen
deformación
una
elástica
mayor al 200%.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Ventajas y desventajas de los polímeros frente a los metales
Ventajas
• Livianos
• Mayor resistencia a la corrosión y a los agentes químicos
Desventajas
 Baja resistencia mecánica
 Baja resistencia al calor
 Baja resistencia a la degradación
 No son reciclables
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales compuestos
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales Compuestos
 Constan de dos o mas materiales físicamente distintos y separables
mecánicamente (difieren en forma y composición química y son
insolubles entre sí)
 Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal
forma que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse de
manera controlada
 Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún
aspecto especifico, a las propiedades de los componentes por
separado
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Con los compuestos se fabrican
materiales ligeros, resistentes,
dúctiles, con resistencia a las altas
temperaturas que no pueden
obtenerse de otro modo.
También se pueden fabricar
herramientas de corte muy
resistentes al impacto que de
otra manera serían quebradizas.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Para ingeniería, los materiales compuestos más
importantes son:
-
Plásticos reforzados con fibras
-
Hormigón
-
Asfalto
-
Madera
Materiales compuestos de matriz metálica y matriz
cerámica
-
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
La era de los nuevos materiales
¿De qué están hechos los autos?
Aquellos tiempos en los que el hierro y la madera eran los materiales
predominantes en la construcción de un coche han pasado a la historia. Ahora
hablamos del magnesio, del aluminio o de las fibras de carbono.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Materiales electrónicos o semiconductores
Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias
entre los conductores y los aislantes eléctricos.
•
No son importantes por su volumen pero sí
extremadamente importantes por su avanzada tecnología.
•
son
La información hoy día se transmite por luz a través de
sistemas de fibras ópticas, los semiconductores convierten las
señales eléctricas en luz y viceversa.
•
El más importante de los materiales electrónicos es el silicio
puro, al que se puede modificar para cambiar sus características
eléctricas. Con estos materiales se han podido crear fabricar los
circuitos integrados que han revolucionado la industria
electrónica y de ordenadores
•
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Tabla periódica donde se indica los elementos semiconductores y los
elementos que forman compuestos semiconductores (columnas III/V y II/VI)
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Relación entre estructura, propiedades y procesamiento
Procesamiento
Producto
Final
Estructura
Propiedades
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Propiedades de los materiales
Propiedades mecánicas

Determinan como responde un material al aplicársele una fuerza o
esfuerzo.

Influyen en la facilidad con que puede ser conformando.

Las más comunes son:
 resistencia mecánica
 ductilidad
 rigidez del material
 resistencia al impacto
 fatiga
 termofluencia
 desgaste
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Propiedades físicas
Determinan como se comporta un material desde el punto de vista
eléctrico, magnético, óptico, térmico y elástico.
Dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los
materiales.
Propiedades químicas
Comprenden las fuerzas de enlace (debido a la composición) y su
comportamiento ante medios agresivos (corrosividad).
Pequeños cambios en la composición pueden alterar fuertemente las
propiedades físicas.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Importancia de las propiedades físicas
Aislantes
Instrumentos ópticos
Almacenamiento
de datos
Conductores
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Estructura
Estructura atómica
Estructura granular de hierro (x100)
Estructura cristalina
Estructura multifasica del hierro
(perlita x400)
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Estructura
Estructura
atómica:
La
distribución
de
los
electrones
alrededor del núcleo atómico afecta los comportamientos
eléctricos, magnéticos, térmicos, ópticos y la resistencia a la
corrosión También determina que un material sea un metal, un
cerámico o un polímero.
Arreglo atómico o estructura cristalina: se refiere a la
organización de los átomos en el espacio e influye en las
propiedades mecánicas de los materiales como la ductilidad, la
resistencia mecánica y la resistencia al impacto .
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Estructura
Estructura de granos: Existe una estructura granular en la
mayoría de los metales, en algunos cerámicos, y ocasionalmente en
polímeros.
Entre
los
granos,
el
arreglo
atómico
cambia
su
orientación influyendo así en las propiedades, así como el tamaño y
la forma de los granos desempeña una función primordial sobre
éstas.
Fase: En la mayoría de los materiales se presenta más de una fase,
cada una de las cuales tiene su propio arreglo atómico y
propiedades. El control del tipo, tamaño, distribución y cantidad de
estas fases dentro del material, proporciona una manera adicional
de controlar las propiedades.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Procesamiento
Metales:
Laminado
(rolado)
Forjado
Trefilado
Doblado
Estirado
Extrusión
Embutido
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Efectos ambientales en el comportamiento
de los materiales
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Las relaciones entre estructura - propiedades - procesamiento recibe
además la influencia del medio circundante al que está expuesto el material
durante su uso





Temperatura
Humedad
Corrosión
Radiación
Carga
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Temperatura
Los
cambios
considerables
en
de
la
temperatura
pueden
causar
las
propiedades
de
materiales,
los
alteraciones
debidos
principalmente a:
• Reblandecimiento (La resistencia de la mayoría de los metales
disminuye conforme la temperatura aumenta)
• Degradación (Las temperaturas altas también pueden modificar la
estructura de las sustancias cerámicas o provocar que los polímeros se
derritan o carbonicen
• Transformaciones de fases
• Fragilización (Las temperaturas muy bajas pueden causar que el
metal falle por fragilidad aún cuando la carga aplicada sea baja)
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Variación de la resistencia con la temperatura de los materiales
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Corrosión
 Los metales son atacados por
diversos líquidos corrosivos siendo
degradados uniforme o selectivamente.
 Pueden
desarrollar
grietas
o
picaduras que conducen a falla
prematura.
 Las sustancias cerámicas son
atacadas por cerámicos en estado
líquido.
 Los polímeros pueden ser disueltos
por sustancias disolventes.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Radiación
 La radiación nuclear puede afectar la estructura interna de
todos los materiales.
 Puede ocasionar pérdida de resistencia, fragilidad o alteración
crítica de las propiedades físicas.
 La dilatación, producida por cavidades y burbujas de origen
radiactivo, pueden causar cambios en las dimensiones
externas y aun agrietamiento.
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
La radiación produce
-EN MATERIALES ESTRUCTURALES:
- Cambios dimensionales
- Cambios de las propiedades mecánicas
- Cambios de composición a nivel local
- EN MATERIALES NO ESTRUCTURALES:
- Cambios en propiedades física
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Carga
 El tipo de fuerza, o carga, que actúa en el material puede cambiar
radicalmente su comportamiento.
 Se debe diseñar los componentes de forma tal que la carga en el
material no sea suficiente para causar su deformación permanente
 El esfuerzo a la fluencia (limite elástico) es la propiedad más crítica y
suele ser una de las propiedades más importantes para el diseño.
 Un material con alto esfuerzo de fluencia puede fallar fácilmente si la
carga es cíclica (fatiga) o se aplica súbitamente (impacto).
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Necesidad de materiales modernos
Es necesario desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables y
con menos impacto ambiental… un fascinante reto para los ingenieros y
científicos de materiales
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Descargar

Diapositiva 1 - METALURGIA-UDA