1 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Los Primeros Materiales
El hombre primitivo utilizaba instrumentos naturales tal como los encontraba. Una rama podía ser un excelente garrote y una piedra, un inmejorable proyectil. Con el tiempo, descubrió nuevos materiales y aprendió a tallarlos y a pulirlos. Sin embargo, las piedras y maderas no modificaban su composición.
Por otra parte, observando aprendió que en la naturaleza se producían cambios profundos: un rayo era capaz de incendiar un bosque, el jugo de frutas se fermentaba, convirtiéndose en una bebida estimulante. La posibilidad de beneficiarse con estos fenómenos se hizo realidad cuando el hombre fue capaz de producir y mantener el fuego. Así, y sin quererlo, se convirtió en un químico apto para quemar la madera y producir con el calor generado nuevos cambios (cocinar la comida, etc.)
Los primeros materiales que usó el hombre eran universales, en el sentido de que se encontraban en cualquier parte: maderas, huesos, pieles, piedras... De todos ellos, la piedra era el más duradero, por eso los instrumentos de piedra tallada son los documentos más claros de que se dispone en la actualidad, para conocer aquel período llamado, precisamente, Edad de la Piedra.
Hacia el año 8000 a.C. se produjeron otros cambios: el hombre aprendió a criar animales y a cultivar las plantas, dejó de ser nómade y se hizo sedentario, considerándose este hecho el comienzo de la civilización. El hombre aprendió a preparar cerveza y vino, así como ahumar las carnes para conservarlas. También, atraído por el color o el brillo que tenían y a pesar de que buscarlos y obtenerlos resultaba complicado, el hombre descubrió los primeros metales.
Las ventajas de estos materiales fueron aprovechadas con rapidez: el cobre, que fue el primer metal explotado, resultaba un material maleable y resistente. Comprobó también, que al calentarlo con otro metal, el estaño, obtuvo una mezcla sorprendente: el bronce, que le dio nombre a la etapa siguiente:
Edad del Bronce.
Luego, hace aproximadamente 3700 años, un pueblo de Asia Menor, los hititas, comenzaron a utilizar masivamente el hierro, que aunque escaso resultaba más duro que el bronce. Se inicia así la Edad del Hierro. En esta etapa el desafío fue el perfeccionamiento de las técnicas de fundición, a través de las cuales se pudo extraer hierro de las “piedras” que lo contenían. Más tarde aparecen los materiales férricos que son los que tienen como elemento básico constitutivo el hierro, combinado con distintos porcentajes de otros elementos que modifican sus propiedades.
A partir de allí y hasta fines de la Edad Media, no hubo grandes avances en la tecnología siderúrgica.
Sólo a partir del siglo XIX se comenzaron a inventar los procesos de fabricación que permitieron la producción de estos materiales en gran escala y de mejor calidad, hecho que coincide con la Revolución Industrial.
Los metales no férricos fueron usados por el hombre aún antes de que se descubriera el hierro. Las aleaciones cobraron mucha importancia en la fabricación de utensilios. El valor que le otorgaron los aborígenes americanos a los metales fue principalmente ritual y decorativo, y con ese fin prefirieron trabajar el oro.
Avances Recientes
El rápido desarrollo de los semiconductores para la industria electrónica, que comenzó a principios de
la década de 1960, dio el primer gran impulso a la ciencia de materiales. Después de descubrir que se
podía conseguir que materiales no metálicos como el silicio condujeran la electricidad de un modo
2 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
imposible en los metales, científicos e ingenieros diseñaron métodos para fabricar miles de minúsculos circuitos integrados en un pequeño chip de silicio. Esto hizo posible la miniaturización de los componentes de aparatos electrónicos.
A finales de la década de 1980, la ciencia de los materiales tomó un nuevo auge con el descubrimiento de materiales cerámicos que presentan superconductividad a temperaturas más elevadas que los metales. Si se consigue encontrar nuevos materiales que sean superconductores a temperaturas suficientemente altas, serán posibles nuevas aplicaciones, como trenes de levitación magnética o computadoras ultrarrápidas.
Aunque los últimos avances de la ciencia de materiales se han centrado sobre todo en las propiedades eléctricas, las propiedades mecánicas siguen teniendo una gran importancia. En la industria aeronáutica, por ejemplo, los científicos han desarrollado —y los ingenieros han probado— materiales compuestos no metálicos, más ligeros, resistentes y fáciles de fabricar que las aleaciones de aluminio y los demás metales actualmente empleados para los fuselajes de los aviones
Materiales e Ingeniería
Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto.
Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida.
Como los productos están fabricados a base de materiales, éstos se encuentran en todas partes alrededor nuestro.
Los más comúnmente encontrados son: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel. Debido a los programas de investigación y desarrollo, se están creando continuamente nuevos materiales.
La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los procesos necesarios para su fabricación.
Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de procesado.
Para lograr este desarrollo existen dos disciplinas que se complementan:
La Ciencia de Materiales:
Que es la búsqueda de conocimientos básicos acerca de la estructura interna, propiedades y procesado de los materiales y
La Ingeniería de Materiales:
Que es el uso de los conocimientos fundamentales y aplicados sobre los materiales, de modo que los materiales puedan ser convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.
No hay una frontera clara entre ambas
Tipos de Materiales
Están divididos en tres grupos principales: materiales metálicos, poliméricos y cerámicos.
Materiales metálicos
Son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos (como hierro, cobre, aluminio, níquel o titanio, por ejemplo), pudiendo contener también algunos elementos no metálicos (como carbono, nitrógeno u oxígeno, por ejemplo).
Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada.
Son en general buenos conductores eléctricos y térmicos. Muchos metales son relativamente
3 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
resistentes y dúctiles a temperatura ambiente y otros mantienen alta resistencia, incluso a elevadas temperaturas.
Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga.
Las aleaciones se dividen normalmente en dos clases: aleaciones férreas que contienen un alto porcentaje de Fe, como el acero y el hierro fundido y aleaciones no férreas, que carecen de Fe o sólo contienen cantidades relativamente pequeñas, como aleaciones de aluminio o cobre por ejemplo.
Materiales poliméricos
Están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. Estructuralmente, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La rigidez y ductilidad de los materiales poliméricos varía ostensiblemente.
En éstos se incluyen el caucho (o hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas, en un proceso conocido como polimerización.
Debido a la naturaleza de su estructura interna los polímeros tienen baja conductividad eléctrica y térmica, escasa resistencia mecánica y no se recomiendan para aplicaciones en temperaturas elevadas (temperaturas de fluencia o ablandamiento y de descomposición relativamente bajas). Algunos polímeros (los termoplásticos) presentan excelente ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto, mientras otros (los termoestables) tienen las propiedades opuestas.
Los polímeros son ligeros y con frecuencia cuentan con excelente resistencia a la corrosión.
Materiales cerámicos
Son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente, como los ladrillos, el vidrio, la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa conductividad tanto eléctrica como térmica, y aunque pueden tener buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados que los metales en aplicaciones estructurales. Presentan en su mayoría una excelente resistencia a las altas temperaturas y a ciertas condiciones de corrosión. Muchos de ellos tienen propiedades ópticas, eléctricas y térmicas excepcionales.
Las ventajas de los materiales cerámicos para su uso en motores son: bajo peso, alta rigidez y dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes. Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos de los cerámicos, los hace útiles en revestimientos de hornos para metales líquidos a alta temperatura como el acero.
Una importante aplicación de los cerámicos son las placas cerámicas del trasbordador espacial. Estos materiales cerámicos protegen térmicamente la estructura interna de aluminio del trasbordador durante el lanzamiento y la reentrada a la atmósfera terrestre.
Materiales compuestos
Son mezclas de dos o más materiales que generan propiedades no obtenibles mediante uno solo (ejemplos típicos, aunque burdos: hormigón amado, madera contrachapada y fibra de vidrio)
Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a las altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo, o bien se elaboran herramientas de corte muy resistentes al impacto que de otra manera serían quebradizas.
La mayoría de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible aglomerante con objeto de obtener las características específicas y propiedades deseadas.
Normalmente, los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente gracias a la interfase entre los componentes.
Pueden ser de muchos tipos. Algunos de los tipos predominantes son fibrosos (compuestos de fibras
en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices que se pueden usar
para producirles. Dos destacados tipos de materiales compuestos modernos son la fibra de vidrio
4 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
reforzada en matriz de poliéster o de epoxi, y las fibras de carbono en una matriz epoxídica. Otro ejemplo de materiales compuestos es el sulfuro de polifenilo (PPS) reforzado con fibra de vidrio para instalaciones en campos petrolíferos. Esta aplicación hace uso de la excelente resistencia a la corrosión de este material.
EJEMPLOS REPRESENTATIVOS, APLICACIONES Y PROPIEDADES DE CADA CATEGORÍA DE MATERIALES
MATERIALES APLICACIONES PROPIEDADES
M
ETALESCobre Alambre para conductores
eléctricos
Alta conductividad eléctrica, conformabilidad aceptable
Hierro fundido gris Bloques para motores de automóviles
Moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones
Fe-30%Si Motores y generadores Excelentes propiedades ferromagnéticas Aceros aleados Llaves para tuercas Tratables térmicamente para aumentar su
resistencia mecánica C
ERÁMICOSSiO
2-Na
2O-CaO Vidrios planos para ventanas Propiedades ópticas adecuadas (transparencia) y aislante térmico
Al
2O
3, MgO,SiO
2Refractarios para contener metal fundido
Aislantes térmicos, alto punto de fusión, relativamente inertes ante el metal fundido
Titanato de bario Transductores para reproductores de sonido(tocadiscos)
Comportamiento piezoeléctrico que convierte las vibraciones (sonido) en electricidad
P
OLÍMEROSPolietileno Empacado de alimentos Fácilmente conformable en delgadas películas flexibles e impermeables
Epóxicos Encapsulado de circuitos
integrados
Buenos aislantes eléctricos y resistentes a la humedad
Fenólicos Adhesivos para madera
contrachapada de uso marítimo Resistencia a las cargas y a la humedad C
OMPUESTOSGrafito en matriz
epóxica Componentes aeronáuticos Adecuada relación resistencia-peso
Carburo de
Tungsteno en matriz de cobalto
Herramientas de corte para
maquinado Alta dureza y buena resistencia al impacto Acero revestido de
titanio Alojamientos de reactores
Bajo costo y alta resistencia del acero, adecuada resistencia a la corrosión proporcionada por el titanio
¿Cómo elegir un material?
Planteo de la relación entre la estructura interna de los materiales, sus propiedades, sus usos y los métodos de procesado.
El aspecto fundamental que debe tomarse en cuenta cuando se requiere producir un componente con
una geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría durante su vida útil. Para
5 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
poder hacer la mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la compleja relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando alguno de los tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se ven afectados. Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relación que existe entre estos tres aspectos a fin de obtener el producto requerido.
En los procesos de diseño y construcción de objetos técnicos, nos vemos obligados a elegir entre varios materiales para el desempeño de una determinada tarea.
Factores a considerar para la selección de un material:
1) Factibilidad de fabricación 2) Estabilidad dimensional
3) Compatibilidad con los demás materiales 4) Reciclabilidad
5) Impacto ambiental durante su fabricación y desecho 6) Costo de fabricación
Durante el proceso de diseño debemos considerar cómo afectará nuestro objeto al medio ambiente, durante la construcción, la utilización y el desecho. El abuso de materiales no reciclables puede acabar con los recursos y convertir nuestro entorno en un vertedero. Es por ello que debemos plantearnos reciclar materiales disponibles para nuestros diseños, siempre que esto sea posible.
Estructura
La estructura de un material puede considerarse en varios niveles, todos los cuales afectan el comportamiento final del producto.
En el nivel más fundamental está la estructura de los átomos que componen el material. La distribución de los electrones alrededor del núcleo atómico afecta de manera significativa los comportamientos eléctrico, magnético, óptico y aún la resistencia a la corrosión. Además, el arreglo electrónico influye en cómo se unen los átomos entre sí, lo cual determina que el material sea un metal, cerámico o un polímero.
En el siguiente nivel se considera la organización de los átomos en el espacio. Los metales, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen una estructura atómica muy regular denominada estructura cristalina. Tal configuración influye en las propiedades mecánicas de los metales, como la ductilidad, la resistencia mecánica y la resistencia al impacto. Otros materiales como los polímeros y ciertos cerámicos, no presentan una estructura atómica ordenada, por lo que estos materiales amorfos o vítreos se comportan de manera diferente de los materiales cristalinos. Por ejemplo el polietileno vítreo es transparente, mientras que el polietileno cristalino es traslúcido.
Existe una estructura granular en la mayoría de los metales, en algunos cerámicos y ocasionalmente en polímero. Entre los granos, el arreglo atómico cambia su orientación influyendo así en las propiedades. El tamaño y la forma de los granos desempeñan una función primordial en este nivel.
Finalmente, 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 de tipo, tamaño, distribución y cantidad de estas fases dentro del cuerpo principal del material, proporciona una manera adicional de controlar las propiedades
Procesamiento
El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de éste. Por ejemplo, una barra de
cobre o acero fabricada por fundición tendrá una microestructura diferente a la de una barra obtenida
por conformado mecánico. La forma, tamaño y orientación de los granos puede ser diferente. En las
fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a la contracción del metal durante la
solidificación, burbujas de gas; partículas no metálicas (inclusiones) y granos columnares o estructuras
dendríticas desarrolladas en la pared del molde hacia el centro de la pieza.
6 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
En el material conformado mecánicamente las partículas no metálicas se deforman en la dirección del flujo al igual que los granos, la estructura cristalina sufre deformaciones (texturizado).
La estructura y propiedades originales determinan la manera de procesar el material. Las piezas de fundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante un conformado mecánico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por alteraciones de la estructura cristalina se vuelven "frágiles" y pueden fracturarse durante un conformado posterior.
En el caso de los polímeros, sus propiedades mecánicas están determinadas por su estructura química y peso molecular. Propiedades como la resistencia a la tensión, módulo de Young, dureza y facilidad de proceso requieren un valor de peso molecular mínimo para alcanzar el óptimo. Si bien la resistencia mecánica aumenta con el peso molecular, la facilidad de procesamiento disminuye. Las variables más importantes que determinan el estado físico de un polímero son la magnitud y naturaleza de las restricciones al movimiento de sus cadenas moleculares, principalmente en el estado amorfo; en cambio cuando existe cierto grado de cristalinidad el material se endurece, aumentando su punto de fusión y propiedades mecánicas.
Los polímeros clasificados como termoestables o termofijos no pueden deformarse plásticamente, mientras que los termoplásticos son fácilmente deformables
La viscosidad, que es una de las propiedades más importantes de los polímeros, se ve afectada por el
grado de ramificación de sus moléculas.
7 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Propiedades de los materiales
El primero de los factores a tener en cuenta son las propiedades, en función de la misión que tiene que desempeñar el objeto que estamos diseñando. Estas propiedades se refieren a varios aspectos:
a. Propiedades físicas b. Propiedades químicas.
c. Propiedades mecánicas.
d. Propiedades eléctricas e. Propiedades magnéticas.
f. Propiedades ópticas.
g. Propiedades estéticas h. Propiedades ecológicas.
Propiedades físicas.
Las propiedades físicas se refieren a aspectos relacionadas con los fenómenos físicos que afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.
Densidad, conductividad térmica, dilatación térmica, etc.
Propiedades químicas
Las fundamentales son: la estabilidad química y la corrosividad Estabilidad química
Con esta propiedad se define si determinada sustancia tiende a reaccionar o a descomponerse de manera espontánea al entrar en contacto con otra o si, por el contrario, para que reaccione es necesario una acción exterior.
Corrosividad
Es el deterioro de las propiedades de un material como consecuencia de la acción de agentes externos
como el agua, el oxígeno, los ácidos, etc. Puede deberse a reacciones químicas o al efecto de la
solubilidad con el agente externo de alguna de las sustancias que componen el material (lixiviación).
8 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales Propiedades mecánicas.
Las propiedades mecánicas tienen que ver con el comportamiento que tienen los materiales frente a los distintos esfuerzos mecánicos a los que son sometidos. Generalmente el material se deforma temporal o permanentemente o se rompe; por lo tanto decimos que un material resiste un determinado esfuerzo, cuando no se deforma excesivamente o no se rompe.
Ante un esfuerzo un material pude tener tres respuestas: deformarse elásticamente (deformación reversible), deformarse plásticamente (deformación permanente) o romperse.
Estas son: Plasticidad (ductilidad y maleabilidad), resistencia a la tracción, a la compresión, a la flexión, torsión, cizalladura o cortadura, dureza, tenacidad, fatiga, etc.
Propiedades eléctricas y magnéticas.
Las propiedades eléctricas definen el comportamiento de los materiales frente a la corriente eléctrica y a los campos magnéticos respectivamente (Resistencia eléctrica; Magnetismo).
Propiedades ópticas.
Las propiedades ópticas hacen referencia al comportamiento de los materiales con respecto a la luz (transparencia, opacidad, translucidez, etc.).
Propiedades estéticas.
La estética es muy importante cuando realizamos un diseño, ya que no solo elegimos las cosas por su funcionalidad, si no que también consideramos su aspecto. Hay artículos en los que el aspecto es muy importante como en la ropa, y otros en los que es menos importante, como el motor de un coche.
(Textura Color)
Propiedades ecológicas
Tienen en cuenta, fundamentalmente, el daño ambiental que puede producir tanto el uso como la obtención de un material y su posterior eliminación: la contaminación atmosférica, la generación de residuos no aprovechables, la utilización de energías no renovables, etc. Asimismo, se procura que, una vez terminada la vida útil de un producto, éste pueda ser recuperado y reciclado.
En anexos encontraremos más información sobre propiedades ecológicas, estudiadas actualmente teóricamente pero desgraciadamente muchas veces olvidadas a la hora de obtener mayores beneficios.
Efectos ambientales sobre los materiales
La mayoría de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y climáticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones atmosféricas; pero en algunos casos las mismas condiciones de servicio requieren materiales expuestos a condiciones extremas como es el caso particular de los álabes de turbinas de avión. Se puede hablar también de medio circundante para que tengan cabida situaciones en las que un material está dentro de por ejemplo un reactor, un aparato, etc.
Carga:
El tipo de fuerza o carga que actúa en el material puede cambiar radicalmente su comportamiento. Por
lo común el esfuerzo de fluencia, por arriba del cual el material experimenta un cambio permanente
en sus dimensiones, es la propiedad más crítica y suele ser la consideración más importante en el diseño
de un componente. De cualquier modo, un material con alto esfuerzo de fluencia puede fallar
fácilmente con cargas menores si la carga es cíclica (fatiga) o se aplica súbitamente (impacto). El
ingeniero debe reconocer el tipo de carga a la que se somete el material
9 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales Temperatura
Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades de los materiales, debidos principalmente a:
Reblandecimiento
Degradación
Transformaciones de fases
Fragilización
La resistencia de la mayoría de los materiales disminuye conforme la temperatura aumenta. Además, pueden ocurrir cambios súbitos desastrosos cuando se calientan por encima de sus temperaturas
críticas. Los metales que han sido endurecidos por cierto tratamiento térmico o mediante alguna técnica de conformado, pueden perder repentinamente su resistencia cuando son calentados. Las temperaturas muy bajas pueden causar que el metal falle por fragilidad aun cuando la carga aplicada sea baja. Las temperaturas altas también pueden modificar la estructura de las sustancias cerámicas o provocar que los polímeros se derritan o carbonicen.
Atmósfera
La mayoría de los polímeros y de los metales reaccionan con el oxígeno y otros gases particularmente a temperaturas elevadas. Algunos metales y cerámicos pueden desintegrarse severamente, o ser atacados químicamente, mientras otros se pueden autoproteger. Los polímeros suelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o quemarse. Los aceros pueden reaccionar con el hidrógeno y volverse frágiles.
Corrosión
Los metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendo degradados uniforme o selectivamente, pudiendo desarrollar grietas o picaduras que conducen a una falla prematura. Las sustancias cerámicas son atacadas por cerámicos en estado líquido, mientras que los polímeros pueden ser disueltos por solventes orgánicos.
Radiación
La radiación de alta energía, como la de los neutrones producidos en un reactor nuclear, puede atacar
la estructura interna de los materiales ocasionando pérdida de resistencia, fragilidad o alteración crítica
de las propiedades físicas. La dilatación producida por cavidades y burbujas de origen radiactivo,
puede ocasionar cambios en las dimensiones externas y aún agrietamiento.
10 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Competición entre materiales
Los materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos mercados. De unos a otros períodos de tiempo, aparecen muchos factores que hacen posible la sustitución de un material por otro para ciertas aplicaciones. Evidentemente, el costo es un factor. Si se hace un descubrimiento importante en el procesado de un cierto tipo de material, de manera que su costo se abarate sustancialmente, este material puede reemplazar a otro en ciertas aplicaciones. Otro factor que da lugar a reemplazamiento de los materiales es el desarrollo de un nuevo material con propiedades especiales para algunas aplicaciones. Como resultado, a la vuelta de un cierto período de tiempo, encontramos que los materiales han cambiado.
La figura nos muestra gráficamente cómo la producción de materiales en los Estados Unidos ha variado a lo largo de los últimos años. El aluminio y los polímeros muestran un aumento significativo en la producción desde 1930. La razón de que el volumen de producción se haya incrementado para el aluminio, y aún más para los polímeros, es que se trata de materiales ligeros.
La competición entre materiales es evidente en la composición del automóvil americano. En 1978 el automóvil americano medio pesaba 4000 libras (1800 kg) y estaba compuesto aproximadamente por un 60% de hierro y acero, un 10 a 20% de plásticos y un 3 a 5% de aluminio. En comparación, el automóvil americano de 1985 pesaba una media de 3100 libras (1400 kg) y constaba de un 50 a 60%
de hierro y acero, un 10 a 20% de plásticos y un 5 a 10% de aluminio. Así, en el período 1978- 1985 el porcentaje de acero descendió, el de aluminio se incrementó, y el de los plásticos permaneció aproximadamente constante. El automóvil americano de la década de los 90 se espera que pese una media de 2500 libras (1130 kg), de los cuales está previsto que su contenido en plásticos represente el 30% de su peso, según algunos analistas. Predicciones posteriores a 1992 para el uso de materiales en los automóviles americanos, indican una disminución sustancial en el uso del hierro y el acero, y un moderado aumento en el uso de los plásticos.
En algunas aplicaciones sólo ciertos materiales satisfacen los requerimientos de la ingeniería para un diseño, y estos materiales pueden ser relativamente caros. Por ejemplo, un motor de avión moderno requiere, para funcionar, superaleaciones de alta temperatura con base níquel. Estos materiales son caros y no se ha encontrado ningún sustituto barato para reemplazarlos. De este modo, aunque el costo sea un factor importante en el diseño de determinados objetos, los materiales utilizados deben reunir también características específicas. La sustitución de un material por otro continuará en el futuro, ya que se descubrirán otros materiales y nuevos procesos se desarrollarán.
Competición de los seis materiales más importantes de los Estados Unidos sobre una
base en peso
Predicciones de materiales utilizados en automóviles en los Estados Unidos para los
años 1992 y 2000
Es evidente el rápido aumento en el uso de aluminio y polímeros.
11 Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Futuras Tendencias en el Uso de Materiales.
Materiales metálicos.
La producción en los Estados Unidos de metales básicos tales como hierro, acero, aluminio, cobre, cinc y magnesio, se espera siga fielmente la evolución de la economía en ese país. Sin embargo, las aleaciones existentes pueden ser mejoradas por una química más optimizada y un mayor control de la composición y técnicas de procesamiento.
Nuevas y mejoradas aleaciones aerospaciales, tales como las superaleaciones de base níquel a alta temperatura, están siendo constantemente reformadas para aumentar su tenacidad a altas temperaturas y su resistencia a la corrosión. Estas aleaciones se usan para motores de aviones y se puede obtener un aumento en la eficiencia del motor operando a temperaturas más altas. Nuevas técnicas de procesado como la presión isostática en caliente y la forja isotérmica pueden conducir a mejorar la fatigosa vida de las aleaciones de aviones. Asimismo, las técnicas de pulvimetalurgia continuarán siendo importantes, ya que se pueden optimizar las propiedades de ciertas aleaciones con costes más reducidos en los productos elaborados. La tecnología de solidificación rápida ya puede producir aleaciones metálicas en polvo susceptibles de enfriamiento rápido, desde la fusión a velocidades tan altas como un millón de grados centígrados por segundo. Estos polvos son consolidados en barras por varios procesos, incluyendo la presión isostática en caliente. Por ejemplo, han sido producidas por este nuevo proceso nuevas superaleaciones de base de níquel a alta temperatura, aleaciones de aluminio y de titanio.
Materiales poliméricos (materiales plásticos)
Históricamente, los materiales plásticos han sido el material básico de más rápido crecimiento en los Estados Unidos durante los pasados años, con un índice de crecimiento del 9% por año en peso. Sin embargo, el índice de crecimiento para los plásticos hasta 1995 se espera que baje por debajo del 5%, lo cual supone una disminución significativa. Esta caída es esperada, porque los plásticos ya han sustituido a metales, vidrios y papel en la mayoría de los mercados de volumen importante, tales como el empaquetamiento y la construcción, para la que los plásticos son considerablemente útiles.
Teniendo en cuenta los costos competitivos, se espera que, con excepción del acero laminado en caliente, los plásticos de ingeniería sean el material menos caro. Una importante tendencia en el desarrollo de los plásticos de ingeniería es mezclar o alear diferentes materiales poliméricos, así como producir nuevas aleaciones plásticas sinergísticas
1Por ejemplo, en el período de junio de 1987 a junio de 1988, aproximadamente mil nuevas resinas termoplásticas, aleaciones y componentes se introdujeron a nivel mundial. Las nuevas aleaciones y mezclas plásticas supusieron el 10% de estas.
Materiales cerámicos.
El crecimiento histórico de los materiales cerámicos tradicionales tales como el barro, el vidrio y la piedra en los Estados Unidos ha sido del 3,6% (1966 a 1980). El índice de crecimiento esperado de estos materiales desde 1982 a 1995, se estima será de un 2% aproximadamente.
En la pasada década, ha hecho su aparición una nueva familia de cerámicos de ingeniería a base de nitruros, carburos y óxidos. Se están encontrando constantemente nuevas aplicaciones para estos materiales, particularmente para usos a alta temperatura y para cerámicos electrónicos.
Los materiales cerámicos son bajos en coste, pero su procesado hasta productos terminados es normalmente lento y laborioso. Además, la mayoría de los materiales cerámicos se daña fácilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad. Si se pudieran encontrar nuevas técnicas para el
1
