U N I V E R S I D A D N AC I O N AL AB I E R T A Y A D I S T AN C I A - U N AD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología-e Ingeniería Lectura de Reconocimiento general del curso de Materiales de Ingeniería Walberto Roca Bechara

El contenido siguiente tiene el objetivo, de activar los conocimientos básicos o previos necesarios, para facilitar estudio de las tres unidades del curso materiales de ingeniería. Qué es la manufactura El ingeniero industrial observa a la manufactura como un mecanismo para la transformación de materiales en artículos útiles para la sociedad. También es considerada como la estructuración y organización de acciones que permiten a un sistema lograr una tarea determinada. La manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir la materia prima en productos, conjunto de actividades organizadas y programadas para la transformación de materiales, objetos o servicios en artículos o servicios útiles para la sociedad. Incluye el diseño del producto, la selección de la materia prima (Materiales Industriales) y la secuencia de procesos a través de los cuales será manufacturado el producto. El diseño y la manufactura deben estar estrechamente interrelacionados, y no deben nunca verse como disciplinas o actividades por separado. Esta visión ampliada ha sido reconocida como el área de diseño para la manufactura (dfm). Se trata de un procedimiento completo para la producción de bienes, e integra el proceso de diseño con los materiales, métodos de manufactura, planificación de procesos, ensamblaje, prueba y garantía de calidad. En el diseño y en el proceso de manufactura, se debe tener en cuenta el tipo de materiales a utilizar o selección de materiales, según sus características y propiedades especificas: Los tipos generales de materiales empleados hoy en día en la manufactura son los siguientes: –Metales ferrosos: aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, aceros para herramientas y dados. –Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superlaciones, metales refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo punto de fusión y metales preciosos (oro, oro blanco, platino, plata, el paladio, el rodio). –Plásticos: termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros. –Cerámicas, cerámicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamante —y otros materiales semejantes a este último—. –Compuestos: plásticos reforzados, matriz de metal y matriz de cerámica. Algunas veces, a éstos se les denomina también materiales de ingeniería. –Materiales especiales: nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, superconductores y otros materiales diversos con propiedades únicas.

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Las estructuras aeroespaciales y los productos deportivos han ocupado la primera línea en la aplicación de los nuevos materiales. Para las estructuras de las aeronaves comerciales la tendencia es a utilizar más titanio y compuestos, con una reducción gradual en el uso de aluminio y acero. Propiedades Mecánicas de los Materiales Los ingenieros en cargado y responsables de los procesos de manufacturas, como administrador de los inventarios y/o almacenes de las plantas industriales o empresas de servicios debe tener las competencias para identificar las propiedades de los materiales involucrados en los proceso de manufacturas según los diseños de los productos a fabricar: Al seleccionar los materiales para los productos, primero se consideran sus propiedades mecánicas —resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y fluencia—. Las relaciones entre resistencia y peso y entre rigidez y peso también son importantes, particularmente en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los plásticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que los aceros y los hierros fundidos. Las propiedades mecánicas deben valorarse considerando las condiciones específicas en las que el producto deberá funcionar. A continuación deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los materiales —calor específico, dilatación y conductividad térmica, punto de fusión y propiedades eléctricas y magnéticas—. Las propiedades químicas también desempeñan un papel significativo, tanto en entornos hostiles como normales. La oxidación, la corrosión, la degradación general de las propiedades, toxicidad e inflamabilidad están entre los factores que deben considerarse. Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa facilidad. Propiedades de Manufactura Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa facilidad. Los principales procesos de manufactura son los siguientes: –Fundición: de molde desechable y de molde permanente. –Formado y conformado: laminación, forja, extrusión, estirado, formado de Lámina, pulvimetalurgia y moldeo. –Maquinado: torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochado y esmerilado, maquinado ultrasónico, maquinado eléctrico, electroquímico, y maquinado de haz de alta energía.

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–Unión: soldadura con y sin aporte de material, soldadura blanda, unión por difusión, unión adhesiva, y unión mecánica. –Acabado: asentado, lapeado, recubrimiento y depósito.

pulido,

bruñido,

desbarbado,

tratamiento

superficial,

Clasificación de los Procesos de Manufactura De manera general los procesos de manufactura se clasifican en cinco grupos:

Procesos que cambian la forma del material

Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de máquinas

    

Metalurgia extractiva Fundición Formado en frío y caliente Metalurgia de polvos Moldeo de plástico



Métodos de maquinado convencional Métodos de maquinado especial



  

Con desprendimiento de viruta Por pulido Por recubrimiento

Procesos para el ensamblado de materiales

 

Uniones permanentes Uniones temporales

Procesos para cambiar las propiedades físicas

 

Temple de piezas Temple superficial

Procesos que cambian las superficies

Ciencias de Materiales Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de Bronce, Edad del Hierro. Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.

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Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en los últimos 200 años aproximadamente, los ha capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este campo haya sido Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su microestructura. La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión. Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales y, en especial, del acero. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores. La Edad de Bronce La edad de piedra se refiere entonces al periodo en el que un grupo humano en particular empleaba este material junto con otros de origen natural como la madera o el hueso de forma preponderante. Normalmente se asocia a una etapa poco desarrollada tecnológicamente, lo cual no es necesariamente cierto, ya que culturas que lograron importantes avances culturales como los Aztecas o los Mayas no superaron formalmente la edad de piedra, no por falta de avances sino por la enorme variedad de materiales pétreos con los que estas sociedades contaban los cuales suplían ampliamente las necesidades que enfrentaron. La edad de bronce, a la cual algunos se refieren como "edad de los metales" se refiere al uso de metales y aleaciones, cuya importancia radica en que la obtención de ellos requiere de la adquisición de tecnologías metalúrgicas complejas. El bronce es la más famosa de las aleaciones a las que se refiere la historia para referirse a la aparición de culturas clásicas y el acero para la era de la revolución industrial. Ciencias de Materiales Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de Bronce, Edad del Hierro. Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.

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Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en los últimos 200 años aproximadamente, los ha capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este campo haya sido Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su microestructura. La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión. Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales y, en especial, del acero. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores. Categorías de Materiales La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:     

Metales Cerámicos Polímeros Materiales compuestos Semiconductores

Algunos libros hacen una clasificación más exhaustiva, aunque con estas categorías cualquier elemento puede ser clasificado. En realidad en la ciencia de materiales se reconocen como categorías únicamente los Metales, los materiales Cerámicos y los Polímeros, cualquier material puede incluirse en una de estas categorías, así pues los semiconductores pertenecen a los materiales cerámicos y los materiales compuestos no son más que mezclas de materiales pertenecientes a las categorías principales. Aplicaciones de Materiales y la Relación con la Industria Los avances radicales en los materiales pueden conducir a la creación de nuevos productos o nuevas industrias,. Las aplicaciones industriales de la ciencia de materiales incluyen la elección del material, su coste-beneficio para obtener dicho material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis.

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Dejando aparte los metales; los polímeros y cerámicas son también muy importantes en la ciencia de materiales. Los polímeros son un material primario usado para conformar o fabricar plásticos. Los plásticos son el producto final después de que varios polímeros y aditivos hayan sido procesados y conformados en su forma final. El PVC, polietileno, son ejemplos de plásticos. En lo que respecta a los cerámicos, se puede citar la arcilla, así como su modelado, secado y cocido para obtener un material refractario. La estructura cristalina es una parte esencial en esta ciencia. Esta por ejemplo es del sistema ortorrómbico. La ciencia de materiales abarca muchísimos temas, desde la estructura atómica, propiedades de los diferentes materiales, procesos y tratamientos. Este sería un resumen a gran escala:          

Estructura atómica y enlaces interatómicos Estructura de sólidos cristalinos Imperfecciones en estructuras cristalinas Procesos de difusión atómica Propiedades de los materiales Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento Rotura Diagramas de fases Transformaciones de fases Tratamientos térmicos y aleaciones.

TIPOS DE MATERIALES: METALES 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. En este curso se distinguirán cuatro categorías que abarcan los materiales disponibles por los ingenieros en su práctica profesional: metales, cerámicos, polímeros y compuestos. 1. METALES - 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: (1) Es resistente y puede ser conformado fácilmente. (2) Su capacidad para experimentar una gran cantidad de deformación permanente (3) La superficie recién cortada del acero muestra un brillo metálico característico.

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(4) una barra de acero comparte una característica fundamental con otros metales: es una buena conductora de la corriente eléctrica. Si bien el acero estructural es un ejemplo muy común de los metales para la ingeniería, es fácil recordar muchos más: Una aleación es un metal compuesto por más de un elemento químico. Las aleaciones para ingeniería incluyen los hierros y los aceros (base hierro), las aleaciones de aluminio (Al), las de magnesio (Mg), las de titanio (Ti), las de níquel (Ni), las de cinc (Zn) y las de cobre (Cu), incluyendo los latones (aleaciones cobre-cinc) y los bronces (aleaciones cobre-estaño). TIPOS DE MATERIALES: CERAMICOS 2. CERÁMICOS Y VIDRIOS 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 principales sobre el aluminio metálico. La primera es que el Al203 es químicamente estable en una gran variedad de ambientes severos, en los que el aluminio metálico se oxidaría, la segunda ventaja es que el Al203 tiene una temperatura de fusión significativamente mayor (2.020 °C) que el aluminio metálico (660 °C). Esto hace del Al203 un refractario bastante común, esto es, un material resistente alas altas temperaturas, ampliamente utilizado en la construcción de hornos. Puesto que tiene mejores propiedades químicas y mayor resistencia a altas temperaturas, ¿por qué no se utiliza el Al203 en ciertas aplicaciones, como por ejemplo en motores de automóviles, en lugar del aluminio metálico? La respuesta a esta pregunta se encuentra en la propiedad más desfavorable de los cerámicos: su fragilidad. El aluminio y otros metales tienen la propiedad de ser dúctiles, lo cual les permite soportar cargas severas de impacto sin romper, mientras el óxido de aluminio y otros cerámicos no pueden hacerlo. Esto elimina a los cerámicos de la selección en muchas aplicaciones estructurales. Los recientes desarrollos en la tecnología de los cerámicos están haciendo aumentar la utilización de estos materiales en aplicaciones estructurales, no por eliminar su inherente fragilidad, sino incrementando su resistencia a valores lo suficientemente elevados y aumentando su resistencia a la fractura. La mayor parte de los cerámicos con importancia comercial son compuestos químicos constituidos por al menos un elemento metálico y uno de los cinco elementos no metálicos que se indican (C, N, O, P o S). TIPOS DE MATERIALES: POLIMEROS 3. POLÍMEROS Estos materiales constituyen una rama especial de la química orgánica.

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El polímero más común es el polietileno. Muchos polímeros importantes, incluido el polietileno, son simplemente compuestos de carbono e hidrógeno. Otros contienen oxígeno (como los acrílicos), nitrógeno (como los naylons), flúor (como los plásticos fluorados), o silicio (como las siliconas), son materiales artificiales o sintéticos. Como su nombre indica, los «plásticos» comparten, normalmente, con los metales la propiedad mecánica de la ductilidad. Entre las propiedades importantes relacionadas con el enlace químico están la menor resistencia en comparación con los metales, y la menor temperatura de fusión y mayor reactividad química que los no metales de la categoría anterior, cerámicos y vidrios. TIPOS DE MATERIALES: COMPUESTOS 4. MATERIALES COMPUESTOS Las tres categorías anteriores de materiales estructurales para ingeniería (metales, cerámicos y polímeros) contienen varios elementos y compuestos que pueden ser clasificados por su enlace químico. Existe además un importante conjunto de materiales que representa una combinación de materiales individuales pertenecientes a las categorías previas. Este cuarto 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 dentro de una matriz polimérica, es una invención relativamente reciente, pero en muy pocas décadas se ha convertido en un material familiar. El plástico reforzado con fibra de vidrio es un material compuesto característico y bastante bueno, que reúne lo mejor de sus componentes; tiene las mejores propiedades de cada componente y es un producto superior a cualquiera de sus componentes por separado. La alta resistencia de las fibras de vidrio de pequeño diámetro se combina con la ductilidad de la matriz polimérica para producir un material resistente, capaz de soportar la carga normal necesaria en un material estructural. Los tres tipos principales de estructuras compuestas con aplicación en ingeniería; a) Polímero sintético reforzado con fibra de vidrio, b) La madera un compuesto natural, matriz y fibra natural y c) Compuesto granular, hormigón. El plástico reforzado con fibra de vidrio es el prototipo de muchos materiales sintéticos reforzados con fibras. La madera es un excelente ejemplo de un material natural con propiedades mecánicas útiles debido a su estructura reforzada con fibras. El hormigón es un ejemplo bastante común de un material compuesto granular. En él la arena y la grava refuerzan una matriz compleja de cemento de silicato. Además de estos ejemplos relativamente comunes, el campo de los materiales compuestos incluye algunos de los materiales más avanzados que se utilizan en ingeniería.

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Referencia Bibliográfica. Serope Kalpakjian y Steven R. Schmid: Manufactura, ingeniería y tecnología. México, 2002: Pearson Educación. Shackelford James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros

Askeland, donald r. ciencia e Ingeniería de los materiales. México. 1998. International Thomson Editores