FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES
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Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 4th Edition Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales Página 1 de 5 Troud http://libreria-universitaria.blogspot.com
FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES
1. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales Pgina 1
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2. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales Cuarta
edicin William F. Smith Profesor Emrito de Ingeniera University of
Central Florida Javad Hashemi, PhD. Profesor de Ingeniera Mecnica
Texas Tech University Traduccin Gabriel Nagore Czares Pedro
Alejandro Gonzlez Caver Traductores profesionales Revisin tcnica
Leonarda Carrillo Avils Profesora de Ciencia e Ingeniera de
Materiales Universidad Iberoamericana, Ciudad de Mxico Jos A.
Bellido Velasco Doctorado en Qumica Macromolecular Escuela
Politcnica Federal de Zurich, Suiza 9701056388 Director Higher
Education: Miguel ngel Toledo Castellanos Director editorial:
Ricardo A. del Bosque Alayn Editor sponsor: Pablo Eduardo Roig
Vzquez Editora de desarrollo: Paula Montao Gonzlez Supervisor de
produccin: Zeferino Garca Garca Fundamentos de la ciencia e
ingeniera de materials Cuarta edicin Prohibida la reproduccin total
o parcial de esta obra, iii iii iv Fundamentos de la ciencia e
ingeniera de materiales Pgina 2 de 5
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3. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS 2006 respecto de la primera edicin en espaol
por McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S. A. DE C.V. A Subsidiary
of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe
Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia
Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F.
Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana,
Reg. Nm. 736. Imagen de portada: Kelly Fassbinder/Imagine Design
Studio En un momento de descanso, el diseo innovador del palo de
golf que aparece en la portada permite que la pelota descanse en un
punto de 8 mm a partir del centro del palo, hacia el lado de
golpeo. De esta forma el pivote golpea la pelota una fraccin de
segundo antes de que golpee al palo, lo que implica que este ltimo
no afecte la trayectoria. Makrolon 2405 fue seleccionado como el
material para este palo debido a su excelente fluidez y a que
ofrece fuerza suficiente para que en la mayor parte de los casos
los palos no se rompan cuando golpeen al pivote. En lugar de esto,
simplemente salen volando, como se ilustra en la portada. Bayer
MaterialScience produce una amplia gama de materiales probados e
innovadores, incluyendo policarbonatos, poliuretanos, poliuretanos
termoplsticos, coberturas, adhesivos y selladores. Los materiales y
soluciones de Bayer se emplean para disear la siguiente generacin
de productos en las industrias propias del automvil, la
construccin, las tecnologas de informacin, los electrodomsticos, el
mobiliario, los deportes y el entretenimiento. Para obtener ms
informacin acerca de Bayer MaterialScience visite
www.Bayermaterialsciencenafta.com, bien llame al 01-800-662-2927.
Library of Congress Cataloging-in Publication Data ISBN
970-10-5638-8 Traducido de la cuarta edicin de FOUNDATIONS OF
MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Copyright MMVI by The McGraw-Hill
Companies, Inc. All rights reserved. Previous editions 1986, 1990,
1993, and 2004. 0-07-295358-6 1234567890 09875432106 Impreso en
Mxico Printed in Mexico Fundamentos de la ciencia e ingeniera de
materiales Pgina 3 de 5
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4. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales Pgina 4
de 5 http://libreria-universitaria.blogspot.com
5. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Front Matter CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e
ingeniera de los materiales CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace
CAPTULO 3: Estructuras cristalinas y amorfas en los materiales
CAPTULO 4: Solidificacin e imperfecciones cristalinas CAPTULO 5:
Procesos activados por temperatura y difusin en los slidos CAPTULO
6: Propiedades mecnicas de metales I CAPTULO 7: Propiedades
mecnicas de metales II CAPTULO 8: Diagramas de fase CAPTULO 9:
Aleaciones para ingeniera CAPTULO 10: Materiales polimricos CAPTULO
11: Cermicas CAPTULO 12: Materiales compuestos CAPTULO 13: Corrosin
CAPTULO 14: Propiedades elctricas de materiales CAPTULO 15:
Propiedades pticas y materiales superconductores CAPTULO 16:
Propiedades magnticas APENDICE I: Propiedades importantes de
materiales de ingeniera seleccionados APNDICE II: Algunas
propiedades de elementos seleccionados APNDICE III: Radios inicos 1
de los elementos APNDICE IV: Cantidades fsicas selectas y sus
unidades REFERENCIAS PARA ESTUDIOS ADICIONALES POR CAPTULO GLOSARIO
RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS NDICE ANALTICO iv 1
Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales Pgina 5 de 5
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6. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Front Matter ACERCA DE LOS AUTORES William F. Smith es
profesor emrito de ingeniera en el Mechanical and Aerospace
Engineering Department de la University of Central Florida en
Orlando, Florida. Realiz sus estudios en ingeniera metalrgica y
obtuvo una maestra en ciencias de la Universidad de Purdue y un
doctorado en ciencias en metalurgia en el Massachusetts Institute
of Technology. El doctor Smith es ingeniero profesional registrado
en los estados de California y Florida y ha estado impartiendo
cursos de posgrado de ciencia e ingeniera de materiales, y
escribiendo libros de texto durante varios aos. Es el autor de
Structure and Properties of Engineering Alloys, segunda edicin
(McGraw-Hill, 1993). Javad Hashemi es profesor de ingeniera mecnica
en la Texas Tech University, donde ha enseado introduccin a la
ciencia de materiales desde 1991. Obtuvo un doctorado en filosofa
en ingeniera mecnica por la Universidad de Drexel en 1988. El
doctor Hashemi ha estado impartiendo cursos de posgrado de
materiales y mecnica, y tambin de laboratorios en la Texas Tech
University. Adems, es el creador principal de los mdulos de
laboratorio virtuales que acompaan a este libro como parte de un
proyecto piloto realizado con fondos de la National Science
Foundation. El enfoque de las investigaciones actuales del doctor
Hashemi est en el campo de materiales, biomecnica y educacin para
ingenieros. PREFACIO La cuarta edicin de Fundamentos de la ciencia
e ingeniera de materiales est diseada para un primer curso en
ciencia e ingeniera de materiales de estudiantes de esta
especialidad. Tomando en cuenta que esta podra ser la primera
exposicin de la ciencia de materiales a los estudiantes, el libro
presenta los temas esenciales de manera clara y concisa, sin
detalles extraos que agobien a los recin llegados. Se recurre a
ejemplos industriales y fotografas a lo largo del libro para dar a
los estudiantes una visin relativa a las muy diversas maneras en
que la ciencia e ingeniera de materiales se aplica en el mundo
real. NUEVAS CARACTERSTICAS DE LA CUARTA EDICIN Adems de su ya
renombrado estilo de redaccin amigable para los estudiantes y de
las aplicaciones industriales, la cuarta edicin ofrece nuevas
caractersticas que incluyen una cobertura completa de los temas de
la moderna ciencia de materiales que preparan a los estudiantes
para la vida fuera del aula. Las nuevas secciones son: Nuevas
referencias a materiales/dispositivos inteligentes, SMEM y
nanomateriales (1.1) Nueva referencia a superaleaciones y sus
aplicaciones biomdicas (1.3) Discusin aadida de plsticos de
ingeniera y aplicaciones en automviles (1.3.2) Discusin aadida de
cermicas de ingeniera y aplicaciones (1.3.3) Discusin aadida de
materiales compuestos (1.3.4) Nueva cobertura de materiales
inteligentes y nanomateriales (1.5) Nueva seccin acerca de un
estudio de caso simplificado de seleccin de materiales para el
armazn y la horquilla de una bicicleta (1.6) v v xvii Front Matter
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7. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Se agreg una nueva cobertura de materiales amorfos en el
captulo 3 Referencias aadidas de orden de alcance largo y corto
(SRO conocidos tambin como materials amorfos) (3.1) El captulo 4 se
divid en los captulos 4 y 5 en la cuarta edicin para que la difusin
pudiera cubrirse en un solo captulo Se agreg una cobertura de
microscopios al final del captulo 4 Se agreg una cobertura sobre
defectos planos y fronteras gemelas (4.4.3) Nueva seccin acerca de
defectos de volumen (4.4.4) Nueva seccin acerca de tcnicas
experimentales para la identificacin de microestructura y defectos
(4.5) Cobertura aadida de metales de grano fino y la ecuacin de
Hall-Petch en el captulo 6 Nuevo estudio de caso en fallas y
cobertura de avances reciente en el mejoramimento del despeo
mecnico en el captulo 7 Cobertura aadida de fallas y fractura de
metales (7.1) Nueva seccin acerca de la temperatura de transicin de
dctil a quebradizo (7.1.4) Nueva seccin acerca de avances recientes
y direcciones futuras en el mejoramiento del desempeo mecnico de
metales (7.7) Nueva cobertura de curvas de enfriamiento en el
captulo 8 Cobertura agregada de compuestos intermedios (8.11.1) Se
han agregado en el captulo 9 tres nuevas secciones dedicadas a
aleaciones avanzadas y sus aplicaciones en ingeniera biomdica Se
agreg al captulo 10 una nueva seccin dedicada a aplicaciones
biomdicas de materiales polimricos Nueva seccin con cobertura de
balones de fulerenos y nanotubos de carbono (11.2.12) Nueva seccin
acerca de recubrimientos cermicos e ingeniera de superficies (11.9)
Nueva seccin sobre cermicas en aplicaciones biomdicas (11.10) Nueva
seccin sobre nanotecnologa y cermicas (11.11) Nueva seccin sobre
huesos: un material compuesto natural (12.11) Nueva seccin sobre
dao por hidrgeno (13.5.11) Nueva seccin sobre nanoelectrnica (14.9)
Nuevos apndices que destacan amplias referencias de propiedades de
materiales Otras nuevas caractersticas: Se han agregado objetivos
de aprendizaje a cada captulo xvii xviii Front Matter Pgina 2 de 9
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8. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Se han aadido conos para destacar los recursos de medios
suplementarios Se incluyeron muchas nuevas fotos de inicio de
captulo e interiores Caractersticas mantenidas: Se ofrecen ms de 1
200 problemas de fin de captulo y ms de 180 problemas de seleccin
de materiales y diseo Mas de 140 problemas de ejemplo Aplicaciones
modernas de materiales A travs de todo el libro se utiliza un
estilo legible y conciso; a los lectores se les proporcionan
explicaciones comprensibles sin detalles excesivos SUPLEMENTOS Esta
obra cuenta con interesantes suplementos que fortalecen los
procesos de enseanza-aprendizaje, as como la evaluacin de stos,
mismos que se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus
cursos. Para obtener ms informacin y conocer la poltica de entrega
de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill o enve
un correo electrnico a [email protected]. CD-ROM del
estudiante Hay un nuevo CD-ROM del estudiante que acompaa a la
cuarta edicin de Fundamentos de la ciencia e ingeniera de
materiales que muestra una gran cantidad de materiales de
visualizacin y estudio. Se incluyen tres Laboratorios Virtuales,
con videos, preguntas interactivas y procesos detallados de la vida
real (con posibles trampas) para preparar mejor a los estudiantes
en el laboratorio o servir como una simulacin de una experiencia de
laboratorio real para los estudiantes. Temas de laboratorio:
medicin de dureza utilizando la prueba de dureza Rockwell,
metalografa, prueba de tensin. Un amplio manual de laboratorio en
formatos PDF y Word MatVis es un software de visualizacin de
cristales 2.0 que permite a los estudiantes crear diferentes
estructuras y molculas cristalinas, as como observar estructuras ya
creadas. El software de diagramas de fase ICENine permite a los
estudiantes investigar una lista de diagramas de fase y encontrar
la composicin a cualquier temperatura dada. El software
computacional EES (Engineering Equation Solver) ofrece a los
estudiantes la capacidad de resolver problemas de la ciencia de
materiales. Las animaciones abarcan enlaces, fuerzas de enlace,
cristales rotatorios, arreglos de empaques atmicos, planos
cristalinos diferentes y miembros de coordinacin, entre otros
temas. Del mismo modo, se incluyen tutoriales con sonido. Amplias e
investigables bases de datos de propiedades de materiales. xviii
xix Front Matter Pgina 3 de 9
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9. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Captulos de bonificacin sobre materiales para SMEM y
microsistemas, un captulo de MEMS and Microsystems: Design and
Manufacture de Tai-Ran Hsu. Numerosos enlaces web a sitios
profesionales y materiales de referencia. Centro de aprendizaje en
lnea El apoyo Web se proporciona para el libro en el sitio Web
www.mhhe.com/catalogs/rep/. Visite este sitio para informacin sobre
el libro y sus suplementos, erratas, informacin del autor y
recursos para estudios posteriores o referencia. RECONOCIMIENTOS El
coautor, Javad Hashemi, deseara agradecer el eterno amor, apoyo,
estmulo y gua de su madre, Sedigheh, a travs del curso de su vida y
carrera. Dedica este libro a ella, as como a Eva, el amor de su
vida, el ms precioso regalo que le ha dado la vida, a Evan y
Jonathon, sus hermanos y por ltimo, pero no menos importante, a la
memoria de su padre. Los autores desean dar las gracias a los
numerosos y valiosos comentarios, sugerencias, crticas
constructivas y elogios de los siguientes evaluadores y revisores:
Raul Bargiola, University of Virginia Deepak Bhat, University of
Arkansas Nigel Browning, University of California, Davis David
Cann, Iowa State University Nikhilesh Chawla, Arizona State
University Deborah D.L. Chung, University at Buffalo, The State
University of New York James H. Edgar, Kansas State University
Jeffrey W. Fergus, Auburn University Raymond A. Fournelle,
Marquette University Randall M. German, Penn State University Stacy
Gleixner, San Jose State University Brian P. Grady, University of
Oklahoma Richard B. Griffin, Texas A&M University Masanori
Hara, Rutgers University Lee Hornberger, Santa Clara University
Osman T. Inal, New Mexico Tech Stephen Kampe, Virginia Tech Ibrahim
Karaman, Texas A&M University xix xx Front Matter Pgina 4 de 9
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10. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Steve Krause, Arizona State University David Kunz,
University of Wisconsin, Platteville Gladius Lewis, University of
Memphis Robert W. Messler, Jr., Renesselaer Polytechnic Institute
John Mirth, University of Wisconsin, Platteville Devesh Misra,
University of Louisiana at Lafayette Kay Mortensen, Brigham Young
University David Niebuhr, California Polytechnic State University
Kanji Ono, University of California, Los Angeles Martin Pugh,
Concordia University, Canada Susil Putatunda, Wayne State
University Lew Rabenberg, University of Texas at Austin Wayne
Reitz, North Dakota State University James Michael Rigsbee, North
Carolina State University Jay M. Samuel, University of Wisconsin
John Schlup, Kansas State University Yu-Lin Shen, University of New
Mexico Scott Short, Northern Illinois University Susan B. Sinnott,
University of Florida Thomas Staley, Virginia Tech Christopher
Steinbruchel, Renesselaer Polytechnic Institute Alexey Sverdlin,
Bradley University David S. Wilkinson, McMaster University, Canada
Chris Wise, New Mexico State University Henry Daniel Young, Wright
State University Jiaxon Zhao, Indiana UniversityPurdue University
Fort Wayne Naveen ChandrashekarTexas Tech University Javad Hashemi
Visita guiada Se han aadido temas de la moderna ciencia de
materiales a lo largo del texto que incluyen: xx xxi xxi xxii Front
Matter Pgina 5 de 9 http://libreria-universitaria.blogspot.com
11. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Materiales/dispositivos inteligentes, SMEM y nanomateriales
Aplicaciones biomdicas El captulo 4 se ha dividido en dos captulos
para permitir que la difusin se cubra de manera individual Tres
nuevas secciones dedicadas a aleaciones avanzadas y sus
aplicaciones en ingeniera biomdica La cobertura de cermicas se ha
expandido para incluir nanotecnologa y cermicas La seleccin de
materiales y los problemas de diseo siguen a los problemas del fin
de captulo. Estos problemas retan a los estudiantes para crear
soluciones de ingeniera mediante la seleccin de materiales y el
diseo de procesos. Front Matter Pgina 6 de 9
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12. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Se han agregado conos para destacar los recursos
suplementarios de medios. Se han aadido objetivos de aprendizaje a
cada captulo para guiar la comprensin del material por parte de los
estudiantes. xxii Front Matter Pgina 7 de 9
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13. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Suplementos de aprendizaje para el estudiante Un nuevo
CD-ROM del estudiante acompaa a la cuarta edicin de Fundamentos de
la ciencia e ingeniera de materiales. Este CD-ROM incluye una gran
cantidad de materiales de visualizacin y estudio. Laboratorios
Virtuales Se incluyen tres Laboratorios Virtuales, con videos,
preguntas interactivas y procesos detallados de la vida real (con
posibles trampas) para preparar mejor a los estudiantes en el
laboratorio o servir como una simulacin de una experiencia de
laboratorio real para los estudiantes. Temas de laboratorio:
medicin de dureza utilizando la prueba de dureza Rockwell,
metalografa, prueba de tensin. Un amplio manual de laboratorio en
formatos PDF y Word acompaa a los Laboratorios Virtuales. Software
de visualizacin MatVis 2.0 es un software de visualizacin de
cristales que permite a los estudiantes crear diferentes
estructuras y molculas cristalinas, as como observar estructuras ya
creadas. El software de diagramas de fase ICENine permite a los
estudiantes investigar una lista de diagramas de fase y encontrar
la composicin a cualquier temperatura dada. xxii xxiii xxiii Front
Matter Pgina 8 de 9 http://libreria-universitaria.blogspot.com
14. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Suplementos de aprendizaje para el estudiante Animaciones
Las animaciones abarcan enlaces, fuerzas de enlace, cristales
rotatorios, arreglos de empaques atmicos, planos cristalinos
diferentes y miembros de coordinacin, entre otros temas. De igual
modo, se proporcionan tutoriales con sonido. Preguntas Preguntas de
opcin mltiple acerca de nmeros/masas atmicas, estructura
electrnica, celdas/corrosin galvnica, enlace inico y experimento de
Rutherford junto con preguntas de repaso del examen FE. xxiii xxiv
Front Matter Pgina 9 de 9
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15. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los
materiales NASA (Fuente: www.nasa.gov) Opportunity y Spirit, dos
robots gelogos diseados y construidos por la NASA, han
proporcionado pruebas irrefutables de que algunas regiones de Marte
alguna vez estuvieron cubiertas con agua. Los vehculos todo terreno
son obras maestras de la ingeniera, en cuya concepcin y construccin
participaron cientficos, diseadores e ingenieros expertos en
distintos campos. Uno de esos campos es el de la ciencia de los
materiales. Considrense los aspectos de ingeniera y la seleccin de
materiales en la construccin de los vehculos todo terreno,
llevarlos a Marte empleando para ello 2 CAPTULO 1: Introduccin a la
ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 1 de 25
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16. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition vehculos de lanzamiento, lograr que los vehculos se posen
sin contratiempos en la superficie del planeta rojo, dirigir el
movimiento y las actividades de los vehculos, realizar experimentos
cientficos, recopilar y almacenar datos y, finalmente, comunicar
los datos recopilados a la Tierra. Todas las clases principales de
materiales, incluso metales, polmeros, cermicos, compuestos y
electrnicos, se emplean en la estructura de los vehculos todo
terreno. Las misiones a Marte amplan las fronteras del conocimiento
y la capacidad de creacin en el campo de la ciencia y de la
ingeniera de los materiales. Mediante el estudio de la ciencia e
ingeniera de los materiales, es posible percatarse de los desafos y
complejidades que implican esas misiones. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
Al finalizar este captulo, los estudiantes sern capaces de: 1.
Describir el objeto de la ciencia e ingeniera de los materiales
como disciplina cientfica. 2. Mencionar la clasificacin primaria de
los materiales slidos. 3. Enunciar las caractersticas distintivas
de cada grupo de materiales. 4. Mencionar un material perteneciente
a cada grupo. Enunciar algunas aplicaciones de distintos tipos de
materiales. 5. Evaluar sus conocimientos acerca de los materiales.
6. Establecer la importancia de la ciencia e ingeniera de los
materiales en la seleccin de stos para varias aplicaciones. 1.1 LOS
MATERIALES Y LA INGENIERA El hombre, los materiales y la ingeniera
han evolucionado en el transcurso del tiempo y continan hacindolo.
El mundo actual es de cambios dinmicos y los materiales no son la
excepcin. A travs de la historia, el progreso ha dependido de las
mejoras de los materiales con los que se trabaja. El trabajo del
hombre prehistrico 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 sucedi de manera uniforme ni simultnea en todas partes
(se ver que esto ocurre en la naturaleza, incluso a escala
microscpica). Aun hoy da existe esa limitacin respecto a los
materiales que se obtienen de la corteza terrestre y la atmsfera
(tabla 1.1). De acuerdo con el diccionario Webster, los materiales
son sustancias con las que algo est compuesto o hecho. Aunque esta
definicin es amplia, desde una perspectiva de aplicacin de la
ingeniera, cubre casi todas las situaciones que interesan en este
texto. La produccin y elaboracin de los materiales hasta
convertirlos en productos terminados constituyen una parte
importante de la economa actual. Los ingenieros disean la mayora de
los productos manufacturados y los sistemas de elaboracin
necesarios para su produccin. 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 ms adecuados para cada aplicacin y
crear los mejores mtodos para procesarlos. Los ingenieros expertos
en investigacin y desarrollo crean nuevos materiales o modifican
las propiedades de los existentes. Los ingenieros de diseo usan
materiales actuales, modificados o nuevos para disear y crear
nuevos productos y sistemas. En ocasiones los ingenieros requieren
de un nuevo material para su diseo, y la tarea de crearlo ser
encomendada a cientficos e 2 3 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia
e ingeniera de los materiales Pgina 2 de 25
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17. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition ingenieros especialistas en investigacin. Por ejemplo, los
ingenieros que estn proyectando un transporte pblico de alta
velocidad (HSCT, por sus siglas en ingls) (figura 1.1) debern crear
nuevos materiales que soporten temperaturas de hasta 1 800C (3
250F), de modo que puedan alcanzarse velocidades del aire en el
intervalo de 12 a 25 Mach.1 Hay investigaciones Figura 1.1 Imagen
de un avin de transporte civil a alta velocidad con motores que
funcionan a Mach 7. Los anillos indican las velocidades de flujo
superficiales. ( The Boeing Company.) 3 4 4 CAPTULO 1: Introduccin
a la ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 3 de 25
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18. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Figura 1.2 La estacin espacial internacional. ( AFP/CORBIS)
en curso para crear nuevos materiales compuestos de matriz cermica,
compuestos intermetlicos refractarios y superaleaciones
monocristalinas para sta y otras aplicaciones similares. Un rea que
exige un trabajo mximo de cientficos e ingenieros expertos en
materiales es el de la exploracin espacial. El diseo y la
construccin de la Estacin Espacial Internacional (ISS, por sus
siglas en ingls) y las misiones Vehculos todo terreno para la
exploracin de Marte (MER, por sus siglas en ingls) son ejemplos de
actividades de investigacin y exploracin espacial que exigen un
trabajo ptimo de los cientficos e ingenieros especialistas en
materiales. En la construccin de la ISS, un gran laboratorio de
investigacin que se desplaza por el espacio a una velocidad de 27
000 km/h, se utiliz una seleccin de materiales que funcionan en un
ambiente muy diferente al de la Tierra (figura 1.2). Los materiales
deban ser livianos para minimizar el peso de la carga til durante
el despegue. La cubierta exterior del laboratorio deba protegerlo
del impacto de meteoros diminutos y de la chatarra espacial creada
por el hombre. La presin interna del aire en la estacin, de unas 15
psi, somete los mdulos a un esfuerzo constante. Adems, los mdulos
deben soportar las enormes fuerzas generadas durante el
lanzamiento. La seleccin de materiales para construir las MER
representa tambin un desafo, sobre todo si se considera que deben
permanecer en un ambiente en el que las temperaturas nocturnas
pueden llegar a los 96C. stas y otras condiciones hacen necesario
ampliar la se leccin de materiales cuando se disea un sistema
complejo. 4 5 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de
los materiales Pgina 4 de 25
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19. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Se debe tener siempre presente que el empleo de materiales
y los proyectos de ingeniera estn en constante cambio y que este
cambio es acelerado. Nadie puede predecir los adelantos del futuro
lejano en la creacin de los materiales y su empleo. En 1943 se
predijo que las personas afortunadas tendran en Estados Unidos sus
propios autogiros (autoaeroplanos). Qu errada fue esa prediccin! Al
mismo tiempo, se soslayaron las posibilidades futuras del
transistor, el circuito integrado y la televisin (la de color y la
de alta definicin inclusive). Hace 30 aos, muchas personas no
habran credo que algn da las computadoras seran aparatos comunes en
el hogar, similares a un telfono o a un refrigerador. Asimismo, hoy
da an cuesta creer que en alguna fecha dada los viajes espaciales
habrn de comercializarse e incluso se podra colonizar Marte. No
obstante, la ciencia y la ingeniera pueden hacer reales los sueos
ms inalcanzables. La bsqueda de nuevos materiales es permanente.
Por ejemplo, los ingenieros mecnicos requieren de materiales que
resistan altas temperaturas de modo que los motores a reaccin
puedan funcionar con mayor eficacia. Los ingenieros elctricos
requieren de nuevos materiales que permitan que los dispositivos
electrnicos funcionen a mayores velocidades y a mayores
temperaturas. Los ingenieros aeronuticos requieren de materiales
con mayor relacin resistencia-peso para vehculos aeroespaciales.
Los ingenieros qumicos y los expertos en materiales procuran
descubrir materiales ms resistentes a la corrosin. Distintas
industrias buscan materiales y dispositivos inteligentes y sistemas
microelectromecnicos para usarlos como detectores y accionadores en
sus respectivas aplicaciones. Recientemente, el campo de los
nanomateriales ha captado mucho la atencin de cientficos e
ingenieros de todo el mundo. Las novedosas propiedades
estructurales, qumicas y mecnicas de los nanomateriales han abierto
nuevas y emocionantes posibilidades en la aplicacin de estos
materiales a diferentes campos de la ingeniera y la medicina. stos
son tan slo unos ejemplos de la bsqueda de los ingenieros y los
cientficos de nuevos y mejores materiales y procesos para
innumerables aplicaciones. En muchos casos lo que ayer era
imposible hoy es realidad! Los ingenieros de todas las disciplinas
deben tener nociones bsicas sobre los materiales de ingeniera para
poder realizar sus labores con mayor eficiencia. El objeto de este
libro es hacer una introduccin a la estructura interna,
propiedades, elaboracin y aplicaciones de dichos materiales. Dada
la enorme cantidad de informacin disponible sobre los materiales de
ingeniera y las limitaciones de este libro, la presentacin ha
debido ser selectiva. 1.2 CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES El
objetivo principal de la ciencia de los materiales es el
conocimiento bsico de la estructura interna, las propiedades y la
elaboracin de materiales. La ingeniera de los materiales se
interesa principalmente por el empleo del conocimiento fundamental
y aplicado acerca de los materiales, de modo que stos puedan ser
convertidos en los productos que la sociedad necesita o desea. El
trmino ciencia e ingeniera de los materiales combina la ciencia de
los materiales y la ingeniera de los materiales y es el tema de
este libro. En el espectro del conocimiento acerca de los
materiales, la ciencia de los materiales se encuentra en uno de los
extremos representando el conocimiento bsico, y la ingeniera de los
materiales se halla en el otro extremo representando el
conocimiento aplicado, y no hay una lnea divisoria entre las dos
(figura 1.3). En la figura 1.4 se muestra un diagrama con tres
anillos que indica la relacin entre las ciencias bsicas (y las
matemticas), la ciencia de los materiales y la ingeniera (y otras
de sus disciplinas). Las ciencias bsicas se ubican en el anillo
interior o centro del diagrama, y las distintas disciplinas de la
ingeniera (mecnica, elctrica, civil, qumica, etc.) se ubican en
anillo exterior. Las ciencias aplicadas, la metalurgia, la cermica
y la ciencia de los polmeros se ubican en el anillo de en medio.
Este diagrama muestra que la ciencia e ingeniera de los materiales
forman un puente 5 6 6 7 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e
ingeniera de los materiales Pgina 5 de 25
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20. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition entre el conocimiento de las ciencias bsicas (y las
matemticas) y las disciplinas de la ingeniera acerca de los
materiales. Figura 1.3 Espectro sobre el conocimiento de los
materiales. Emplear el conocimiento combinado de los materiales
tanto de la ciencia de los materiales como de la ingeniera de los
materiales permite a los ingenieros convertir los materiales en los
productos que la sociedad necesita. Figura 1.4 Este diagrama
muestra cmo la ciencia e ingeniera de los materiales tiende un
puente de conocimiento entre las ciencias bsicas y las disciplinas
de la ingeniera. (Cortesa de la Academia Nacional de Ciencias.) 7
CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales
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21. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition 1.3 TIPOS DE MATERIALES Por comodidad, la mayora de los
materiales utilizados en ingeniera se dividen en tres grupos
principales: materiales metlicos, polimricos y cermicos. En este
captulo se distinguir entre ellos con base en algunas de sus
propiedades mecnicas, elctricas y fsicas ms importantes. En
captulos posteriores se estudiarn las diferencias en cuanto a
estructura interna entre estos tipos de materiales. Adems de estos
tres grupos de materiales, se tomarn en cuenta dos tipos ms, los
materiales compuestos y los materiales electrnicos, dada su gran
importancia en la ingeniera. 1.3.1 Materiales metlicos Estos
materiales son sustancias inorgnicas compuestas por uno o ms
elementos metlicos y pueden contener algunos elementos no metlicos.
Son ejemplos de elementos metlicos el hierro, el cobre, el
aluminio, el nquel y el titanio. Los materiales metlicos pueden
contener elementos no metlicos como carbono, nitrgeno y oxgeno. Los
metales tienen una estructura cristalina en la que los tomos estn
dispuestos de manera ordenada. En general, los metales son buenos
conductores trmicos y elctricos. Muchos metales son relativamente
resistentes y dctiles a la temperatura ambiente y presentan alta
resistencia, incluso a altas temperaturas. Los metable y las
aleaciones2 suelen divires en dos clases: aleaclones y metales
ferrosos que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero
y el hierro fundido, y aleaciones y metales no ferrosos que carecen
de hierro o contienen slo cantidades relativamente pequeas de ste.
Son ejemplos de metales no ferrosos el aluminio, el cobre, el zinc,
el titanio y el nquel. La distincin entre aleaciones ferrosas y no
ferrosas se hace debido al empleo y produccin considerablemente
mayores de aceros y hierros fundidos en comparacin con otras
aleaciones. Ya sea en aleacin o puros, los metales se emplean en
numerosas industrias; entre otras, la aeronutica, la biomdica, de
los semiconductores, electrnica, energtica, de estructuras civiles
y del transporte. Se espera que en Estados Unidos la produccin de
metales bsicos como aluminio, cobre, zinc y magnesio siga muy de
cerca a la economa estadounidense. Sin embargo, la produccin de
hierro y acero ha sido menor a la esperada debido a la competencia
internacional y a las siempre importantes razones econmicas. Los
cientficos e ingenieros especializados en materiales buscan
constantemente mejorar las propiedades de las aleaciones actuales y
disear y producir nuevas aleaciones con mejores propiedades de
fuerza, resistencia a altas temperaturas, deformacin (vase la
seccin 7.4) y fatiga (vase la seccin 7.2). Las aleaciones actuales
pueden perfeccionarse con mejores tcnicas qumicas, controlando la
composicin y las tcnicas de procesado. Por ejemplo, hacia 1961,
estaban disponibles nuevas y mejores superaleaciones basadas en
nquel y en hierronquel y cobalto, para emplearse en labes de
turbinas de alta presin en turbinas de gas para aeronaves. Se emple
el trmino superaleacin debido a su mejor rendimiento a temperaturas
elevadas de aproximadamente 540C (1 000F) y a sus altos niveles
deesfuerzo. Las figuras 1.5 y 1.6 muestran un motor con turbina de
gas PW-400 fabricadoprincipalmente con aleaciones y superaleaciones
metlicas. Los metales usadosdentro del motor deben ser capaces de
resistir las altas temperaturas y presiones generadas durante su
funcionamiento. Hacia 1980, se mejoraron las tcnicas de fundicin
para producir un grano de columna solidificado direccionalmente
(vase la seccin 4.2) y aleaciones de fundicin monocristalinas con
base en nquel (vase la seccin 4.2). Hacia la dcada de 1990, las
aleaciones de fundicin monocristalinas, solidificadas
direccionalmente, eran la norma en muchas aplicaciones para
fabricar turbinas de gas para avin. El mejor 7 8 8 9 CAPTULO 1:
Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 7 de
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22. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition rendimiento de las superaleaciones a altas temperaturas de
funcionamiento, mejor considerablemente la eficacia de los motores
de avin. Figura 1.5 El motor de turbina para avin (PW 4000) que se
muestra est fabricado principalmente con aleaciones metlicas. En
este motor se emplean las ms recientes aleaciones de alta
temperatura basadas en nquel, resistentes al calor y que tienen una
gran resistencia. Este motor incorpora muchas tecnologas avanzadas,
de excelente servicio que redundan en un mejor funcionamiento y
durabilidad. Destacan entre estas tecnologas la de los materiales
monocristalinos de segunda generacin empleados en los labes de la
turbina, y la pulvimetalurgia con la que se fabricaron los discos,
as como un mejor control electrnico digital de motor, de monitoreo
total. (Por cortesa de Pratt & Whitney Co.) CAPTULO 1:
Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 8 de
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23. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Figura 1.6 Vista en corte del motor de turbina de gas PW
4000, de 284.48 cm (112 pulgadas) que muestra la seccin del
conducto del ventilador. (Por cortesa de Pratt & Whitney Co.)
Muchas aleaciones metlicas como las de titanio, acero inoxidable y
las basadas en cobalto se emplearon tambin en aplicaciones
biomdicas, incluso en implantes ortopdicos, vlvulas cardacas,
dispositivos de fijacin y tornillos. Estos materiales ofrecen gran
resistencia, dureza y biocompatibilidad. La biocompatibilidad es
importante puesto que el ambiente dentro del cuerpo humano es en
extremo corrosivo y, por lo tanto, la impenetrabilidad de los
materiales empleados para tales aplicaciones es fundamental. Adems
de mejorar la qumica y el control de la composicin, los
investigadores e ingenieros se afanan tambin en mejorar nuevas
tcnicas de elaboracin de estos materiales. Los mtodos de elaboracin
como el prensado isoesttico en caliente (vase seccin 11.4) y el
forjado isotrmico han llevado a la mejor resistencia a la fatiga de
muchas aleaciones. Asimismo, seguirn siendo importantes las tcnicas
de pulvimetalurgia ya que pueden obtenerse mejores propiedades para
algunas aleaciones con un menor costo del producto terminado. 1.3.2
Materiales polimricos La mayora de los materiales polimricos
constan de largas cadenas o redes moleculares que frecuentemente se
basan en compuestos orgnicos (precursores que contienen carbono).
Desde un punto de vista estructural, la mayora de los materiales
polimricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de
regiones cristalinas y no cristalinas. La resistencia y
ductibilidad de los materiales polimricos vara considerablemente.
Dada la naturaleza de su estructura interna, la mayora de los
materiales polimricos son malos conductores de electricidad.
Algunos de estos materiales son buenos aislantes y se emplean como
aislantes 9 10 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de
los materiales Pgina 9 de 25
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24. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition elctricos. Una de las aplicaciones ms recientes de
materiales polimricos ha sido en la fabricacin de discos de video
digitales (DVD) (figura 1.7). En general, los materiales polimricos
tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de
descomposicin relativamente bajas. En el transcurso de la historia,
los plsticos han sido el material bsico de crecimiento ms acelerado
en Estados Unidos, con un ritmo anual de crecimiento de 9% con base
en su peso (vase la figura 1.14). Sin embargo, el ritmo de
crecimiento de los plsticos durante 1995 baj a menos de 5%, una
disminucin considerable. Esta reduccin se esperaba, puesto que los
plsticos ya sustituyeron a los metales, al vidrio y al papel en la
mayora de los principales mercados que manejan grandes volmenes,
como los del embalaje y la construccin, para los cuales los
plsticos son apropiados. Figura 1.7 Los productores de resina
plstica estn elaborando polmeros de policarbonato ultrapuros y con
grados de alta fluidez para la fabricacin de DVD. ( George B.
Diebold/CORBIS.) De acuerdo con algunas predicciones, se espera que
los plsticos industriales, como el nailon, sigan compitiendo con
los metales. La figura 1.8 muestra los costos esperados de las
resinas plsticas industriales en comparacin con algunos metales
comunes. Las industrias proveedoras de polmeros se centran cada vez
ms en la creacin de mezclas de polmeros con otros polmeros,
conocidas tambin como aleaciones o mezclas, para ajustarlas a
aplicaciones especficas para las cuales ningn otro polmero es
adecuado por s solo. Debido a que las mezclas se producen con base
en los polmeros existentes con propiedades bien conocidas, su
creacin resulta menos costosa y ms confiable que sintetizar un
polmero nico para una aplicacin especfica. Por ejemplo, los
elastmeros (un tipo de polmero muy deformable) suelen 10 11 CAPTULO
1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 10
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25. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition mezclarse con otros plsticos para mejorar la resistencia
del material al impacto. Esas mezclas tienen un empleo importante
en parachoques automotores, alojamientos de las herramientas
motorizadas, artculos deportivos y componentes sintticos de muchas
instalaciones de pistas de atletismo techadas, que suelen estar
fabricadas con una combinacin de caucho y poliuretano. Los
revestimientos acrlicos mezclados con varias fibras y materiales de
refuerzo y colores brillantes se emplean como material de
revestimiento para pistas de tenis y patios de juegos. Sin embargo,
otros materiales de revestimiento fabricados con polmeros se estn
empleando para proteger de la corrosin, ambientes qumicos
amenazantes, choque trmico, impacto, desgaste y abrasin. La bsqueda
de nuevos plsticos y aleaciones contina dado su menor costo y
buenas propiedades para muchas aplicaciones. Figura 1.8 Costos
histricos y esperados de las resinas plsticas para ingeniera versus
los costos de algunos metales comunes, desde 1970 hasta 1990. Se
espera que los plsticos para ingeniera sigan compitiendo con el
acero laminado en fro y otros metales. (Segn Modern Plastics,
agosto de 1982, p. 12, y datos nuevos, 1998.) 1.3.3 Materiales
cermicos Los materiales cermicos son materiales inorgnicos formados
por elementos metlicos y no metlicos enlazados qumicamente entre s.
Los materiales cermicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o
mezclas de ambos. La mayora de los materiales cermicos tienen una
gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a
ser frgiles (con poca o nula deformacin antes de la fractura).
Destacan entre las ventajas de los materiales cermicos para
aplicaciones 11 12 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera
de los materiales Pgina 11 de 25
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26. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition industriales su peso ligero, gran resistencia y dureza,
buena resistencia al calor y al desgaste, poca friccin y
propiedades aislantes (vanse las figuras 1.9 y 1.10). Las
propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al
desgaste de muchos materiales cermicos, los vuelve tiles en
revestimientos de hornos para tratamientos trmicos y fusin de
metales como el acero. La bsqueda de nuevos plsticos y aleaciones
contina dado su menor costo y buenas propiedades para muchas
aplicaciones. Figura 1.9 a) Ejemplos de materiales cermicos de
nueva generacin, inventados recientemente para ser aplicados en
motores de tecnologa de punta. Las piezas negras son vlvulas,
asientos de vlvula y pernos de pistn fabricados con nitruro de
silicio. La pieza blanca es una abertura mltiple para el colector
fabricada con un material cermico a base de almina. (Por cortesa de
Kyocera Industrial Ceramics Corp.) b) Posibles aplicaciones de
elementos cermicos en un motor turbodiesel. (Segn Metals and
Materials, diciembre de 1988.) En Estados Unidos, la tasa de
crecimiento histrica de los materiales cermicos tradicionales como
arcilla, vidrio y piedra ha sido de 3.6% (desde 1966 hasta 1980).
La tasa de crecimiento esperada de estos materiales desde 1982
hasta 1995 sigui a la economa estadounidense. En las ltimas dcadas,
se ha producido toda una nueva familia de materiales cermicos de
xidos, nitruros y carburos que tienen mejores propiedades. La nueva
generacin de materiales cermicos llamados cermicos de ingeniera,
cermicos estructurales o cermicos avanzados tienen mayor
resistencia, mejor resistencia al desgaste y a la corrosin (aun a
temperaturas 12 13 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera
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27. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition altas) y al choque trmico. Entre los materiales cermicos
avanzados establecidos estn la almina (xido), el nitruro de silicio
(nitruro) y el carburo de silicio (carburo). Figura 1.10 Cojinetes
y canales-gua de titanio y nitruro de carbono fabricados por
tecnologa de pulvimetalurgia. ( Tom Pantages. Foto por cortesa de
Bearing Works.) Una importante aplicacin de los cermicos avanzados
en la aeronutica son las losetas cermicas del transbordador
espacial. Las losetas cermicas estn fabricadas con carburo de
silicio por la capacidad de este material para actuar como escudo
trmico y volver rpidamente a temperaturas normales al retirarse la
fuente de calor. Estos materiales cermicos protegen trmicamente la
estructura interna del transbordador durante el lanzamiento y su
regreso a la atmsfera terrestre (vanse las figuras 11.50 y 11.51).
Otra aplicacin de los cermicos avanzados que apunta a la
versatilidad, importancia y crecimiento futuro de esta clase de
materiales es su empleo como material para herramientas de corte.
Por ejemplo, el nitruro de silicio, que tiene alta resistencia al
choque trmico y resistencia a la fractura, es un excelente material
para herramientas de corte. Las aplicaciones de los materiales
cermicos son en verdad ilimitadas, dado que se hacen en las
industrias aeronutica, metalrgica, biomdica, automotriz y muchas
ms. Las dos principales desventajas de este tipo de materiales son
1) la dificultad para elaborar con ellos productos terminados, y
por tanto su alto costo, y 2) son frgiles y, comparados con los
metales, tienen baja tenacidad. Si avanzan ms las tcnicas para
fabricar materiales cermicos de gran resistencia a la tenacidad,
estos materiales podran tener un enorme repunte en el campo de las
aplicaciones de ingeniera. CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e
ingeniera de los materiales Pgina 13 de 25
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28. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition 1.3.4 Materiales compuestos Un material compuesto puede
definirse como dos o ms materiales (fases o constituyentes)
integrados para formar un material nuevo. Los constituyentes
conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendr propiedades
distintas a la de cada uno de ellos. La mayora de los materiales
compuestos estn formados por un material especfico de relleno que a
su vez sirve de refuerzo, y una resina aglomerante con objeto de
lograr las caractersticas y propiedades deseadas. Los componentes
no suelen disolverse entre s y pueden identificarse fsicamente
gracias a la interfaz que existe entre ellos. Los materiales
compuestos pueden ser de muchos tipos. Los que predominan son los
fibrosos (compuestos o fibras en una matriz) y los particulados
(compuestos o partculas en una matriz). Existen muchas
combinaciones diferentes de materiales de refuerzo y matrices que
puede emplearse para producir materiales compuestos. Por ejemplo,
el material de la matriz puede ser un metal, como el aluminio; una
cermica, como la almina; o un polmero, como la resina epxica.
Dependiendo del tipo de matriz empleado, el material compuesto
puede clasificarse como compuesto de matriz metlica (MMC, por sus
siglas en ingls), compuesto de matriz cermica (CMC, por sus siglas
en ingls), o compuesto de matriz polimrica (PMC, por sus siglas en
ingls). Tambin pueden seleccionarse los materiales fibrosos o
particulados entre cualquiera de las tres clases principales de
materiales con ejemplos como carbn, vidrio, aramida, carburo de
silicio y otros. Las combinaciones de materiales empleados en el
diseo de compuestos dependen principalmente del tipo de aplicacin y
ambiente en el que el material habr de emplearse. Los materiales
compuestos han sustituido a numerosos componentes mecnicos, en
particular en las industrias aeronutica, electrnica de la aviacin,
automotriz, de estructuras civiles y de equipo deportivo. Se ha
previsto un aumento anual medio de alrededor de 5% en el empleo
futuro de estos materiales. Una de las razones de ello es su
elevada relacin de resistencia y rigidez-peso. Algunos materiales
compuestos avanzados tienen una rigidez y resistencia similar a la
de algunos metales, pero con una densidad considerablemente menor
y, por lo tanto, menor peso general de los componentes. Estas
caractersticas vuelven muy atractivos a los materiales compuestos
avanzados cuando el peso de los componentes resulta crucial. Por
regla general, de manera similar a los materiales cermicos, las
principales desventajas de la mayora de los materiales compuestos
son su fragilidad y baja tenacidad. Algunos de los inconvenientes
pueden superarse, en determinadas situaciones, mediante la seleccin
adecuada del material de la matriz. Figura 1.11 Visin de conjunto
de una amplia variedad de piezas de materiales compuestos empleadas
en el avin de transporte C-17 de la fuerza area. Este aparato tiene
una envergadura de 165 pies y utiliza 15 000 libras de materiales
compuestos avanzados. (Segn Advanced Composites, mayo-junio de
1988, p. 53.) 13 14 14 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e
ingeniera de los materiales Pgina 14 de 25
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29. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Dos tipos sobresalientes de materiales compuestos modernos
empleados en aplicaciones industriales son el refuerzo de fibra de
vidrio en una matriz de polister o de resina epxica y fibras de
carbono en una matriz de resina epxica. La figura 1.11 muestra el
empleo de un material compuesto por fibras de carbono y resina
epxica en las alas y los motores de un avin de transporte C-17.
Desde la construccin de estos aviones, se han introducido nuevos
procedimientos y modificaciones que han abaratado los costos (vase
Aviation Week & Space Technology del 9 junio de 1997, p. 30).
1.3.5 Materiales electrnicos Los materiales electrnicos no son
importantes por su volumen de produccin, pero s lo son
extremadamente por su avanzada tecnologa. El material electrnico ms
importante es el silicio puro, al que se modifica de distintos
modos para cambiar sus caractersticas elctricas. Muchsimos
circuitos electrnicos complejos se pueden miniaturizar en un chip
de silicio de aproximadamente 3/4 de pulg2 (1.90 cm2 ) (figura
1.12). Los dispositivos microelectrnicos han hecho posibles nuevos
productos, como los satlites de comunicaciones, las computadoras
avanzadas, las calculadoras de bolsillo, los relojes digitales y
los robots (figura 1.13). El empleo del silicio y otros materiales
semiconductores en la electrnica de estado slido y en la
microelectrnica, ha demostrado un enorme crecimiento desde 1970, y
se espera que esta tendencia contine. Han sido espectaculares los
efectos de las computadoras y otros tipos de equipo industrial que
emplean circuitos integrados fabricados con chips de silicio. An
est por determinarse el efecto de los robots computarizados en los
procesos de fabricacin actuales. Sin duda, los materiales
electrnicos tendrn un papel fundamental en las fbricas del futuro,
en las que casi toda la fabricacin la realizarn robots asistidos
por herramientas controladas por computadora. Figura 1.12 Los
microprocesadores modernos tienen mltiples salidas, como se muestra
en la fotografa del microprocesador Pentium II de Intel. ( Don
Mason/CORBIS.) 14 15 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e
ingeniera de los materiales Pgina 15 de 25
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30. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Figura 1.13 Robots computarizados para soldar un vehculo de
General Motors modelo 1994 en Shreveport, LA. ( Charles
O'Rear/CORBIS.) Con el paso de los aos, se han fabricado circuitos
integrados con una densidad cada vez mayor de transistores
dispuestos en un solo chip de silicio, con una correspondiente
disminucin del ancho del transistor. Por ejemplo, en 1998 la
resolucin punto a punto para la medida ms pequea de un chip de
silicio era de 0.18 m y el dimetro de la oblea de silicio empleada
fue de 12 pulgadas (300 mm). Otra mejora puede ser la sustitucin de
aluminio por cobre en las interconexiones dada la mayor
conductividad de ste. 1.4 COMPETENCIA ENTRE LOS MATERIALES Los
materiales compiten entre s en los mercados actuales y en los
nuevos. A lo largo de un periodo surgen muchos factores que hacen
posible la sustitucin de un material por otro en determinadas
aplicaciones. El costo es, por supuesto, un factor. Si se hace un
descubrimiento importante en el procesado de determinado tipo de
material, de modo que su costo se reduzca considerablemente, este
material puede reemplazar a otro en algunas aplicaciones. Otro
factor que da lugar a la sustitucin de los materiales es el
descubrimiento de un material nuevo con propiedades especiales para
algunas aplicaciones. Como resultado, al cabo de un periodo
determinado, cambia el uso de distintos materiales. En la figura
1.14 se muestra grficamente cmo ha variado la produccin de seis
materiales en Estados Unidos con base en las toneladas producidas.
La produccin de aluminio y polmeros 15 16 CAPTULO 1: Introduccin a
la ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 16 de 25
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31. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition muestra un notable aumento desde 1930. Con base en el
volumen, el aumento en la produccin de aluminio y polmeros se
acenta an ms dado que son materiales ligeros. Figura 1.14
Competencia entre seis de los principales materiales en Estados
Unidos, con base en su produccin anual (en libras). Es evidente el
acelerado aumento en la produccin de aluminio y polmeros
(plsticos). La competencia entre materiales es patente si se
observa la composicin del automvil estadounidense. En 1978, el
automvil estadounidense medio pesaba 4 000 libras (1 800 kg) y
constaba de 60% de hierro y acero fundidos, entre 10 y 20% de
plsticos y entre 3 y 5% de aluminio. En contraste, el automvil
estadounidense de 1985 pesaba en promedio 3 100 libras (1 400 kg) y
constaba de 50 a 60% de hierro y acero fundidos, entre 10 y 20% de
plsticos y entre 5 y 10% de aluminio. As, en el periodo 1978-1985
el porcentaje de acero disminuy, el de los polmeros se increment y
el del aluminio permaneci casi constante. En 1997, el peso medio
del automvil estadounidense era de 3 248 libras (1 476 kg), y los
plsticos representaba alrededor de 7.4% de ese peso (figura 1.15).
La tendencia a emplear materiales en automviles parece ir en
aumento en aluminio y acero y ser menor en acero fundido. La
cantidad de plsticos (en porcentaje) en automviles parece ser casi
la misma (figura 1.16). En algunas aplicaciones, slo determinados
materiales cumplen los requisitos tcnicos de un diseo y, adems,
estos materiales pueden ser relativamente caros. Por ejemplo, un
moderno motor a reaccin de avin (figura 1.5) necesita para
funcionar de superaleaciones de alta temperatura con base en nquel.
Estos materiales son costosos y no se ha encontrado ningn 16 17
CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales
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32. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition sustituto barato para reemplazarlos. Por ello, aunque el
costo es un factor importante en el diseo tcnico, los materiales
empleados deben reunir tambin especificaciones de desempeo. La
sustitucin de un material por otro continuar en el futuro, ya que
se estn descubriendo nuevos materiales y se inventarn nuevos
procesos. Figura 1.15 Desglose de los porcentajes en peso de los
principales materiales empleados en el automvil medio
estadounidense en 1985. *HSLA: acero de baja aleacin de alta
resistencia Figura 1.16 Predicciones y empleo de los materiales en
automviles en Estados Unidos. (Segn J.G. Simon, Adv. Mat &
Proc., 133:63[1988] y datos nuevos.) 17 CAPTULO 1: Introduccin a la
ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 18 de 25
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33. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition 1.5 AVANCES RECIENTES EN LA CIENCIA Y TECNOLOGA DE LOS
MATERIALES Y TENDENCIAS FUTURAS En las ltimas dcadas han surgido
varias iniciativas interesantes en la ciencia de los materiales que
podran revolucionar el futuro de este campo. Los materiales y
dispositivos inteligentes a escala de tamao micromtrico, as como
los nanomateriales, son dos clases que afectarn profundamente a
todas las industrias principales. 1.5.1 Materiales inteligentes
Algunos materiales han estado presentes durante aos pero hoy da se
estn encontrando ms aplicaciones para ellos. Tienen la capacidad de
detectar estmulos ambientales externos (temperatura, esfuerzo, luz,
humedad y campos elctricos y magnticos) y como respuesta a stos
modifican sus propiedades (mecnicas, elctricas o su aspecto), su
estructura o sus funciones. Estos materiales se denominan
genricamente materiales inteligentes. Los materiales inteligentes o
los sistemas que los emplean estn formados por detectores y
accionadores. El componente detector descubre un cambio en el
ambiente y el accionador realiza una funcin o emite una respuesta
especfica. Por ejemplo, algunos materiales inteligentes cambian de
color o lo producen al exponerse a cambios de temperatura,
intensidad de la luz o una corriente elctrica. Algunos de los
materiales inteligentes ms importantes, desde una perspectiva
tecnolgica, que pueden hacer las veces de accionadores, son las
aleaciones con memoria de forma y las cermicas piezoelctricas. Ya
coladas, las aleaciones con memoria de forma regresan a su forma
original despus de un aumento de temperatura superior a una
temperatura de transformacin crtica. El regreso a la forma original
se debe a un cambio en la estructura cristalina por encima de la
temperatura de transformacin. Una aplicacin biomdica de las
aleaciones con memoria de forma se da en la endoprtesis vascular
para sostener paredes arteriales debilitadas o para expandir
arterias obstruidas (figura 1.17). La endoprtesis deformada se
coloca con una sonda dentro de la arteria en la posicin adecuada y
luego se expande a su forma y tamao originales despus de que
alcanza la temperatura corporal. A modo de comparacin, el mtodo
convencional de expandir o dar soporte a una arteria es mediante el
empleo de un tubo de acero inoxidable que se expande con un globo.
Son ejemplos de aleaciones con memoria de forma las de nquel y
titanio, y las de cobre-zinc-aluminio. Los accionadores pueden ser
tambin materiales piezoelctricos. Los materiales producen un campo
elctrico cuando se les expone a una fuerza mecnica. A la inversa,
un cambio en un campo elctrico externo producir en el mismo
material una respuesta mecnica. Estos materiales pueden emplearse
para detectar y reducir vibraciones indeseables de un componente
por medio de la respuesta de su accionador. Cuando se detecta una
vibracin, se aplica una corriente para producir una respuesta
mecnica que compensa el efecto de aqulla. Considrese ahora el diseo
y creacin de sistemas a escala micromtrica que emplean materiales y
dispositivos inteligentes con la finalidad de detectar, comunicar y
accionar: as es el mundo de los sistemas microelectromecnicos
(MEM). En un principio, los MEM eran dispositivos que integraban
tecnologa, materiales electrnicos y materiales inteligentes en un
chip semiconductor para producir lo que se conoca comnmente por
micromquinas. Para el dispositivo original de los MEM se fabricaban
los elementos mecnicos microscpicos sobre chips de silicio mediante
la tecnologa de circuitos integrados. Los MEM se empleaban como
detectores o accionadores. Sin embargo, hoy el trmino MEM se ha
ampliado para incluir cualquier dispositivo miniaturizado. Las
aplicaciones de los MEM son numerosas, e incluyen 17 18 18 19
CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales
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34. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition microbombas, sistemas de bloqueo, motores, espejos y
detectores. Por ejemplo, los MEM se emplean en las bolsas de aire
para automviles, con la finalidad de detectar tanto la
desaceleracin como el tamao de la persona que est en el automvil y
para abrir la bolsa cuando se alcanza la velocidad apropiada.
Figura 1.17 Aleaciones con memoria de forma empleadas como
endoprtesis vasculares para expandir arterias obstruidas o dar
soporte a arterias dbiles: a) endoprtesis de prueba, b) endoprteis
posicionada en una arteria daada para soportarla. (Fuente:
http://www.designinsite.dk/htmsider/inspmat.htm.) Por cortesa de
Nitinol Devices & Components Sovereign/Phototake NYC 1.5.2
Nanomateriales Suelen definirse como aquellos que tienen una escala
de longitudes caracterstica (esto es, dimetro de las partculas,
tamao de los granos, el espesor de las capas, etc.) menor a 100 nm
(1 nm = 109 m). Los nanomateriales pueden ser metlicos, polimricos,
cermicos, electrnicos o compuestos. A este respecto, los agregados
de polvo cermico de tamao menor a 100 nm, los metales a granel con
tamaos de grano menores de 100 nm, las pelculas polimricas delgadas
de menos de 100 nm de espesor, y los alambres electrnicos de
dimetro menor de 100 nm se consideran nanomateriales o materiales
nanoestructurados. En la nanoescala, las propiedades del material
no tienen escala molecular o atmica, ni las del material a granel.
Aunque en la dcada anterior se realizaron notables esfuerzos en
investigacin y desarrollo acerca de esta cuestin, las primeras
investigaciones sobre nanomateriales se remontan a la dcada de 1960
cuando los hornos de llama qumicos se emplearon para producir
partculas de tamao menor a una micra (1 micra = 106 m = 103 nm).
Las primeras aplicaciones de los nanomateriales fueron en forma de
catalizadores qumicos y pigmentos. Los tcnicos metalrgicos han
estado conscientes siempre de que al refinar la estructura de los
granos de un metal hasta alcanzar niveles ultrafinos (escala
submicrnica), su resistencia y dureza aumentan considerablemente en
comparacin con el metal a granel de grano grueso (escala micrnica).
19 20 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los
materiales Pgina 20 de 25
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35. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Por ejemplo, el cobre puro nanoestructurado tiene un lmite
de elasticidad seis veces mayor que el del cobre de grano grueso.
La extraordinaria atencin que se ha prestado recientemente a estos
materiales puede deberse a la creacin de (1) nuevos instrumentos
que permiten la observacin y caracterizacin de estos materiales y
(2) a los nuevos mtodos de procesado y sntesis de los materiales
nanoestructurados que permiten a los investigadores producir estos
materiales con mayor facilidad y a una mayor tasa de rendimiento.
La imaginacin es el nico lmite en las futuras aplicaciones de los
nanomateriales, y uno de los principales obstculos para que
alcancen sus posibilidades es la capacidad para producir estos
materiales de manera eficiente y barata. Considrese la fabricacin
de implantes ortopdicos y dentales a partir de nanomateriales con
mejores caractersticas de biocompatibilidad, mayor resistencia y
mejores caractersticas con respecto al desgaste de los metales. Uno
de estos materiales es la circonia nanocristalina (xido de
circonio), un material cermico duro y resistente al desgaste que es
qumicamente estable y biocompatible. Este material puede elaborarse
en forma porosa y, al emplearse como material de implantes, permite
que el hueso crezca en sus poros, lo cual redunda en una fijacin ms
estable. Las aleaciones metlicas que se emplean hoy da en esta
aplicacin no permiten una interaccin de este tipo y suelen
aflojarse con el paso del tiempo, lo que hace necesaria una nueva
ciruga. Los nanomateriales tambin pueden emplearse para producir
pinturas o materiales de revestimiento que son considerablemente ms
resistentes a la abrasin y al dao del medio ambiente. Adems, podrn
crearse en un nanoalambre dispositivos electrnicos como diodos
transistores e incluso de lser. Estos adelantos en la ciencia de
los materiales tendrn repercusiones tcnicas y econmicas en todos
los campos de la ingeniera y en todos los sectores industriales.
Bienvenido al fascinante e interesantsimo mundo de la ciencia e
ingeniera de los materiales! 1.6 DISEO Y SELECCIN Los ingenieros
especialistas en materiales deben conocer varias clases de stos,
sus propiedades, estructuras, los mtodos de fabricacin pertinentes,
las cuestiones ambientales y econmicas, y muchas otras cosas. A
medida que aumenta la complejidad de un componente que se est
estudiando, aumenta tambin la complejidad del anlisis y los
factores que se incluyen en el procedimiento de seleccin de
materiales. Considrense los aspectos relativos a la seleccin de
materiales para el cuadro y las horquillas de una bicicleta. El
material seleccionado debe ser lo suficientemente slido para
resistir la carga sin dar de s (deformacin permanente) ni fractura.
El material elegido debe ser rgido para resistir la deformacin
elstica excesiva y la rotura por fatiga (debido a las cargas
repetidas). La resistencia a la corrosin del material puede ser un
elemento que debe tomarse en cuenta durante la vida de la
bicicleta. Asimismo, el peso del cuadro es importante si la
bicicleta se usa para carreras: debe ser liviana. Qu materiales
satisfarn todos los requisitos anteriores? Una seleccin adecuada de
materiales debe tomar en cuenta las cuestiones de resistencia,
rigidez, peso y forma del componente (factor de la forma) y emplear
cuadros de seleccin de materiales para determinar el material ms
adecuado para la aplicacin. La seleccin pormenorizada queda fuera
del mbito de este libro de texto, pero se incluye este ejemplo a
modo de ejercicio para identificar varios materiales candidatos
para esta aplicacin. Resulta que muchos materiales pueden
satisfacer las consideraciones sobre resistencia, rigidez y peso,
incluyendo las aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio,
aleaciones de magnesio, acero, plstico reforzado con fibra de
carbono (CFRP, por sus siglas en ingls) e incluso la madera. La
madera tiene excelentes propiedades para la aplicacin pero no es
fcil darle la forma del cuadro y las horquillas. Un anlisis
adicional demuestra que el CFRP es la mejor eleccin: ofrece un
cuadro resistente, rgido y liviano que resiste tanto la fatiga como
la corrosin. Sin embargo, la fabricacin resulta costosa. Por lo
tanto, si el costo es un factor a considerar, este material no 20
21 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los
materiales Pgina 21 de 25
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36. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition puede ser la eleccin ms adecuada. Los materiales restantes,
todas aleaciones metlicas, son adecuados y, en comparacin, resulta
fcil fabricarlos con la forma deseada. Por un lado, si el costo es
importante, el acero es la eleccin idnea. Por otro lado, si lo
importante es producir una bicicleta ms liviana, la aleacin de
aluminio es el material idneo. Las aleaciones de titanio y magnesio
son ms costosas que las aleaciones tanto de aluminio como de acero,
y son ms ligeras que el acero; sin embargo, no ofrecen ventajas
considerables respecto al aluminio. 1.7 RESUMEN La ciencia e
ingeniera de los materiales (en conjunto, ciencia e ingeniera de
los materiales) tiende un puente entre el conocimiento acerca de
los materiales y las ciencias bsicas (y las matemticas) y las
disciplinas de la ingeniera. La ciencia de los materiales se
interesa primordialmente por el conocimiento bsico sobre los
materiales, mientras que la ingeniera de los materiales se interesa
por el empleo de conocimiento aplicado sobre stos. Las tres clases
principales de materiales son metlicos, polimricos y cermicos. Dos
clases ms de materiales, muy importantes en la tecnologa moderna,
son los materiales compuestos y los electrnicos. En este libro se
estudian todas estas clases de materiales. Los materiales
inteligentes y los nanomateriales se presentan como nuevas clases
que tienen nuevas e importantes aplicaciones en muchas industrias.
Los materiales compiten entre s en los mercados actuales y en los
nuevos, y, en consecuencia, se produce la sustitucin de un material
por otro en algunas aplicaciones. La disponibilidad de materias
primas, el costo de fabricacin y el descubrimiento de nuevos
materiales y mtodos de elaboracin de productos son factores
importantes que causan cambios en el empleo de los materiales. 1.8
DEFINICIONES Seccin 1.1 Materiales: sustancias de las que algo est
compuesto o hecho. El trmino ingeniera de los materiales se refiere
en ocasiones concretamente a los materiales empleados en la
fabricacin de productos tcnicos. Sin embargo, no existe una lnea de
demarcacin clara entre las dos nociones y se emplean
indistintamente. Seccin 1.2 Ciencia de los materiales: disciplina
cientfica que se interesa primordialmente por la bsqueda del
conocimiento bsico acerca de la estructura interna, las propiedades
y la elaboracin de los materiales. Ingeniera de los materiales:
disciplina de ingeniera que se interesa primordialmente por el
empleo del conocimiento fundamental y aplicado de los materiales,
con la finalidad de convertirlos en productos necesarios o deseados
por una sociedad. Materiales metlicos (metales y aleaciones
metlicas): materiales inorgnicos que se caracterizan por tener alta
conductividad trmica y elctrica. Son ejemplos: hierro, acero,
aluminio y cobre. Seccin 1.3 21 22 CAPTULO 1: Introduccin a la
ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 22 de 25
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37. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Aleaciones y metales ferrosos: metales y aleaciones que
contienen un alto porcentaje de hierro, como hierros forjados y
aceros. Aleaciones y metales no ferrosos: metales y aleaciones que
no contienen hierro o, si lo contienen, es slo en un porcentaje
relativamente pequeo. Son ejemplos de metales no ferrosos:
aluminio, cobre, zinc, titanio y nquel. Superaleaciones: aleaciones
metlicas con desempeo superior a temperaturas elevadas y a altos
niveles de esfuerzo. Materiales cermicos: materiales formados por
compuestos de elementos metlicos y no metlicos. Los materiales
metlicos suelen ser duros y frgiles. Son ejemplos de materiales
cermicos: productos de arcilla, vidrio y xido de aluminio puro que
se ha compactado y densificado. Materiales polimricos: materiales
que constan de largas cadenas moleculares o redes constituidas de
elementos de bajo peso, como carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno.
La mayora de los materiales polimricos tienen baja conductividad
elctrica. Pueden citarse como ejemplos el polietileno y el cloruro
de polivinilo (PVC). Materiales compuestos: materiales que son
mezclas de dos o ms materiales. Por ejemplo, materiales a base de
fibra de vidrio que refuerza a una matriz de polister o de resina
epxica. Materiales electrnicos: materiales empleados en electrnica,
en especial en microelectrnica. Son ejemplos el silicio y el
arseniuro de galio. Mezclas: mezclas de dos o ms polmeros, tambin
llamadas aleaciones de polmeros. Cermicas mejoradas: nueva
generacin de cermicas con mayor resistencia al esfuerzo, a la
corrosin, y mejores propiedades de choque trmico, tambin se les
llama cermicas de ingeniera o estructurales. Seccin 1.5 Materiales
inteligentes: materiales que tienen la capacidad de detectar y
responder a los estmulos externos. Aleaciones con memoria de forma:
materiales que se pueden deformar pero regresan a su forma original
cuando la temperatura se incrementa. Cermicas piezoelctricas:
materiales que producen un campo elctrico cuando se someten a una
fuerza mecnica (y viceversa). Sistemas microelectromecnicos (MEM):
cualquier dispositivo miniaturizado que ejecuta una funcin de
deteccin y/o de actuacin. Micromquina: MEM que ejecuta un trabajo o
funcin especficos. Nanomateriales: materiales con una escala de
longitud menor a los 100 nm. 1.9 PROBLEMAS 1.1 Qu son los
materiales? Enumere ocho materiales de empleo generalizado en
ingeniera. CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e ingeniera de los
materiales Pgina 23 de 25
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38. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition 1.2 Defina la ciencia de los materiales e ingeniera de los
materiales. 1.3 Cules son las clases principales de materiales en
ingeniera? 1.4 Cules son algunas de las propiedades importantes de
cada uno de estos materiales? 1.5 Defina un material compuesto. D
un ejemplo. 1.6 Mencione algunos cambios en el empleo de materiales
que haya observado, durante un periodo, en algunos productos
manufacturados. Qu razones puede dar para explicar los cambios
ocurridos? 1.7 Qu factores podran causar que las predicciones
acerca del empleo de los materiales fuesen incorrectas? 1.10
PROBLEMAS EN LA SELECCIN DE MATERIALES Y DISEO 1. Considere el
componente habitual de una bombilla en casa: a) identifique varios
componentes crticos de este elemento, b) determine el material
seleccionado para cada componente crtico y c) disee un
procedimiento para montar la bombilla. 2. La artroplastia total de
cadera (THA) es el procedimiento de sustitucin total de una cadera
daada por una prtesis artificial. a) Identifique los componentes
reemplazados en la THA. b) Identifique el material o materiales
empleados en la fabricacin de cada componente y las razones por las
cuales se emplean. c) Mencione cules son algunos de los factores
que el ingeniero de materiales debe tomar en cuenta en la seleccin
de materiales. 3. Se considera que los transistores han causado una
revolucin en la electrnica y, en consecuencia, en muchas otras
industrias. a) Identifique los componentes crticos de un transistor
de unin. b) Identifique el material empleado en la fabricacin de
cada componente. 4. a) Mencione los factores ms importantes que
deben tomarse en cuenta en la seleccin de materiales para el cuadro
de una bicicleta de montaa. b) Tome en cuenta que el acero, el
aluminio y el titanio se han empleado como los metales principales
en la estructura de una bicicleta y determine las principales
ventajas y desventajas de cada uno de ellos. c) Las bicicletas ms
modernas se fabrican con materiales compuestos avanzados. Explique
por qu y mencione los materiales compuestos especficos empleados en
la estructura de una bicicleta. 5. a) Mencione los criterios ms
importantes para seleccionar materiales que habrn de emplearse en
un casco protector de uso deportivo. b) Identifique los materiales
que podran satisfacer estos criterios. c) Por qu un casco de metal
slido no sera una buena eleccin? 6. a) Determine las propiedades
que debe tener el material o los materiales empleados como
proteccin trmica en la estructura de un transbordador espacial. b)
Identifique los materiales que podran satisfacer estos criterios.
c) Por qu las aleaciones de titanio no seran una buena eleccin para
esta aplicacin? 22 23 CAPTULO 1: Introduccin a la ciencia e
ingeniera de los materiales Pgina 24 de 25
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39. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition 7. a) Qu tipo de material es el cobre de alta conductividad
exento de oxgeno (OFHC)? b) Cules son las propiedades deseables en
el cobre de alta conductividad exentas de oxgeno? c) Cules son sus
aplicaciones en la industria elctrica? 8. a) A qu clase de
materiales pertenece el politetrafluoretileno? b) Cules son sus
propiedades deseables? c) Cules son sus aplicaciones en la
industria de fabricacin de utensilios de cocina? 9. a) A qu clase
de materiales pertenece el nitruro de boro cbico (cBN)? b) Cules
son sus propiedades deseables? c) Cules son sus aplicaciones en la
industria metalmecnica? 10. a) Qu son las aramidas? b) Cules son
sus propiedades deseables? c) Cules son sus aplicaciones en las
industrias de equipo deportivo? 11. a) A qu clase de materiales
pertenece el arseniuro de galio (GaAs)? b) Cules son sus
propiedades deseables? c) Cules son sus aplicaciones en la
industria electrnica? 12. Las superaleaciones con base en nquel se
emplean en la estructura de los motores de turbina de los aviones.
Cules son las propiedades principales de este metal que lo hacen
deseable para esta aplicacin? 13. Identifique varios equipos
deportivos que podran beneficiarse con los materiales inteligentes
o con la tecnologa de los MEM. Mencione las razones concretas de la
idoneidad de la aplicacin. 14. Qu son los nanotubos? Mencione
algunos ejemplos de su aplicacin a materiales estructurales como
los compuestos. 1 Mach 1 equivale a la velocidad del sonido en el
aire. 2 Una aleacin metlica es la combinacin de dos o ms metales o
de un metal (metales) y un no metal (no metales). CAPTULO 1:
Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales Pgina 25 de
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40. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace ( Tom Pantages
adaptacin/por cortesa del profesor J. Spence) Los orbitales atmicos
representan la probabilidad estadstica de que los electrones ocupen
diversos puntos en el espacio. Salvo por los electrones ms internos
de los tomos, las formas de los orbitales no son esfricas. Hasta
hace poco slo se poda imaginar la existencia y la forma de estos
orbitales, dado que no se contaba con pruebas experimentales.
Recientemente, los cientficos han podido crear imgenes
tridimensionales de estos orbitales, empleando para ello una
combinacin de tcnicas de difraccin de rayos X y microscopia
electrnica. Este captulo comienza con una imagen que muestra el
orbital de estado de electrones d para el enlace de cobre y oxgeno
24 CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace Pgina 1 de 54
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41. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition en el Cu2O. Mediante el conocimiento de los enlaces en los
xidos de cobre, empleando las tcnicas mencionadas, los
investigadores se acercan cada vez ms a la explicacin de la
naturaleza de la superconductividad en los xidos de cobre.1
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Al finalizar este captulo, los estudiantes
sern capaces de: 1. Describir la naturaleza y la estructura de un
tomo, as como su estructura electrnica. 2. Describir los diversos
tipos de enlaces primarios, inclusive inicos, covalentes y
metlicos. 3. Describir el enlace covalente por carbono. 4.
Describir diversos tipos de enlaces secundarios y establecer una
diferencia entre stos y los enlaces primarios. 5. Describir el
efecto del tipo de enlace y la resistencia en el rendimiento
mecnico y elctrico de distintas clases de materiales. 6. Describir
los enlaces mixtos en los materiales. 2.1 LA ESTRUCTURA DE LOS
TOMOS Animacin Ahora se examinarn algunos de los principios de la
estructura atmica, dado que los tomos son la unidad estructural
bsica de todos los materiales de ingeniera. Los tomos constan
principalmente de tres partculas subatmicas: protones, neutrones y
electrones. El actual modelo simple de un tomo considera un ncleo
muy pequeo de aproximadamente 1014 m de dimetro, rodeado por una
nube de electrones relativamente poco dispersa y de densidad
variable, de tal suerte que el dimetro del tomo es del orden de
1010 m. El ncleo constituye casi toda la masa del tomo y contiene
protones y neutrones. Un protn tiene una masa de 1.673 1024 g y una
carga unitaria de +1.602 1019 culombios (C). El neutrn es
ligeramente ms pesado que el protn y tiene una masa de 1.675 1024
g, pero no tiene carga. El electrn tiene una masa relativamente
pequea de 9.109 1028 g ( de la del protn) y una carga unitaria de
31.602 1019 C (con la misma carga, pero de signo opuesto a la del
protn). En la tabla 2.1 se resumen estas propiedades de las
partculas subatmicas. 1 1836 La nube de carga electrnica constituye
as casi todo el volumen del tomo, pero slo representa una parte muy
pequea de su masa. Los electrones, en especial los ms externos,
determinan la mayora de las propiedades elctricas, mecnicas,
qumicas y trmicas de los tomos y, por consiguiente, es importante
un conocimiento bsico de la estructura atmica para el estudio de
los materiales de ingeniera. 24 25 25 CAPTULO 2: Estructura atmica
y enlace Pgina 2 de 54
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42. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition 2.2 NMEROS ATMICOS Y MASAS ATMICAS 2.2.1 Nmeros atmicos
Prueba El nmero atmico de un tomo indica el nmero de protones
(partculas cargadas positivamente) que estn en su ncleo y en un
tomo neutro, el nmero atmico es tambin igual al nmero de electrones
de su nube de carga. Cada elemento tiene su propio nmero atmico
caracterstico y, de este modo, el nmero atmico define al elemento.
Los nmeros atmicos de los elementos desde el hidrgeno, que tiene un
nmero atmico de 1, hasta el hahnio, cuyo nmero atmico es 105, se
ubican encima de los smbolos atmicos de los elementos en la tabla
peridica de la figura 2.1. 2.2.2 Masas atmicas La masa atmica
relativa de un elemento es la masa en gramos de 6.023 1023 tomos
(nmero de AvogadroNA) de ese elemento. Las masas atmicas relativas
de los elementos, desde el 1 hasta el 105, se localizan debajo de
los smbolos atmicos en la tabla peridica de los elementos (figura
2.1). El tomo de carbono, que tiene 6 protones y 6 neutrones, es el
tomo de carbono 12 y su masa es la masa de referencia de las masas
atmicas. Una unidad de masa atmica (u) se define exactamente como
un doceavo de la masa de un tomo de carbono que tiene una masa de
12 u. Una masa atmica relativa molar de carbono 12 tiene una masa
de 12 g en esta escala. Un mol-gramo o mol (abreviado, mol) de un
elemento se define como el nmero en gramos de ese elemento igual al
nmero que expresa su masa atmica relativa molar. As, por ejemplo, 1
mol-gramo de aluminio tiene una masa de 26.98 g y contiene 6.023
1023 tomos. PROBLEMA DE EJEMPLO 2.1 a) Cul es la masa en gramos de
un tomo de cobre? b) Cuntos tomos de cobre hay en 1 g de cobre?
Solucin a) La masa atmica del cobre es de 63.54 g/mol. Dado que en
63.54 g de cobre hay 6.02 1023 tomos, el nmero de gramos en un tomo
de cobre es de: = 63.54 g /mol deCu 6.02 tomos/mol10 23 x gdeCu
1tomo x = Nm de masa de 1 tomo de Cu = 1tomo = 1.05 g 63.54 g /mol
6.02 tomos /mol10 23 10 22 25 26 CAPTULO 2: Estructura atmica y
enlace Pgina 3 de 54
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43. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition b) El nmero de tomos de cobre en 1 g de cobre es: = 6.02
tomos/mol10 23 63.54g/mol de Cu xtomosdeCu 1 gdeCu x = Nm de tomos
de Cu = (6.02 tomos/mol )(1 gdeCu)10 23 63.54g/mol deCu = 9.47
tomos!10 21 Figura 2.1 La tabla peridica de los elementos. (Fuente:
Davis, M. y Davis, R., Fundamentals of Chemical Reaction
Engineering, McGraw-Hill, 2003.) PROBLEMA DE EJEMPLO 2.2 El
revestimiento (capa exterior) de la moneda de un cuarto de dlar de
Estados Unidos est formado por una aleacin2 de 75% en peso de cobre
y 25% en peso 26 27 27 28 CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace
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44. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition de nquel. Cules son los porcentajes atmicos de Cu y Ni que
contiene este material? Solucin Tomando como base 100 g de la
aleacin de 75% en peso de Cu y 25% en peso de Ni, tiene 75 g de Cu
y 25 g de Ni. Por tanto, el nmero de molgramo de cobre y nquel ser
de: Nm de moles deCu = 75 g 63.54g/mol = 1.1803mol Nm de moles deNi
= 25 g 58.69g/mol = 0.4260mol_ Gramos moles totales = 1.6063mol Por
tanto, los porcentajes atmicos de Cu y Ni son: % atmico deCu = (
)(100 %) 1.1803mol 1.6063mol = 73.5de % % atmico deNi = ( )(100%)
0.4260mol 1.6063mol = 26.5de % PROBLEMA DE EJEMPLO 2.3 Un compuesto
intermetlico tiene la frmula qumica general Nix Aly, donde x y y
son nmeros enteros simples y est formado por 42.04% en peso de
nquel y 57.96% en peso de aluminio. Cul es la frmula ms sencilla de
este compuesto de nquel y aluminio? Solucin Se determinan primero
las fracciones molares de nquel y aluminio en este compuesto.
Tomando como base 100 g del compuesto, se tienen 42.04 g de Ni y
57.96 de Al. Por tanto, Nm demolesdeNi = 42.04 g 58.71g/mol =
0.7160mol Nm demolesdeAl = 57.96 g 26.98g/mol = 2.1483mol_
Molestotales = 2.8643mol Por tanto, Fraccinmolar deNi = 0.7160mol
2.8643mol = 0.25 Fraccinmolar deAl = 2.1483mol 2.8643mol = 0.75 28
CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace Pgina 5 de 54
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45. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition A continuacin se sustituyen la x y la y en el compuesto Nix
Aly por 0.25 y 0.75, respectivamente, y se obtiene Ni0.25 Al0.75,
que es la frmula qumica ms simple expresada en fracciones molares.
La frmula qumica ms simple con respecto a una base entera se
obtiene multiplicando tanto 0.25 como 0.75 por 4 para obtener
NiAl3, que es la frmula qumica ms simple del aluminuro de nquel.
2.3 LA ESTRUCTURA ELECTRNICA DE LOS TOMOS 2.3.1 El tomo de hidrgeno
Animacin El tomo de hidrgeno es el tomo ms simple y consta de un
electrn que rodea a un ncleo de un protn. Si se considera el
movimiento del electrn del hidrgeno alrededor de su ncleo, slo se
permiten determinados niveles (orbitales) de energa definidos. Es
importante sealar que el trmino orbital atmico no representa la
rbita de un electrn alrededor del ncleo; representa tan slo el
estado energtico del electrn. La razn de los valores restringidos
de energa es que los electrones cumplen las leyes de la mecnica
cuntica que slo permiten determinados valores de energa y no
cualquier valor arbitrario. De este modo, si el electrn del
hidrgeno pasa a un nivel energtico superior, se absorbe una
cantidad definida de energa (figura 2.2a). De igual modo, si el
electrn cae a un nivel energtico inferior, se emite una cantidad
definida de energa (figura 2.2b) Figura 2.2 a) El electrn de
hidrgeno pasa a una rbita superior. b) Un electrn cae de una rbita
de energa superior a una inferior, y ello causa la emisin de un
fotn de energa hv. (Ntese que los anillos que se muestran alrededor
del ncleo no indican necesariamente la posicin del electrn en el
espacio, sino el nivel de energa.) 28 29 CAPTULO 2: Estructura
atmica y enlace Pgina 6 de 54
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46. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition Durante la transicin a un nivel de energa menor, el electrn
del hidrgeno emitir una cantidad determinada de energa (cuanto) en
forma de radiacin electromagntica llamada fotn. La variacin de
energa E asociada con la transicin del electrn desde un nivel a
otro se relaciona con la frecuencia v (nu) del fotn mediante la
ecuacin de Planck:3 E = h v (2.1) donde h = constante de Planck =
6.62 1034 joulessegundo (J s). Dado que para la radiacin
electromagntica c = v, donde c es la velocidad de la luz igual a
3.00 108 metros/segundo (m/s) y (lambda) es su longitud de onda, la
variacin de energa E asociada con un fotn puede expresarse as: E =
h c (2.2) PROBLEMA DE EJEMPLO 2.4 Calcule la energa en julios (J) y
electrn-voltios (eV) del fotn cuya longitud de onda es de 123.6
nanmetros (nm). (1.00 eV = 1.60 1019 J; h = 6.63 1034 J s; 1 nm =
109 m.) Solucin E = h c (2.2) E = (6.63 J s)(3.00 m / s)10 34 10 8
(121.6nm)( m /nm)10 9 = 1.63 J10 18 = 1.63 J = 10.2eV10 18 1eV 1.60
J10 19 La verificacin experimental de las energas asociadas con los
electrones que son excitados a determinados niveles superiores de
energa o que pierden energa y caen a niveles determinados ms bajos,
se logra principalmente mediante el anlisis de las longitudes de
onda e intensidades de las lneas espectrales. Utilizando los datos
del espectro del hidrgeno, Niels Bohr4 desarroll en 1913 un modelo
de tomo de hidrgeno que constaba de un solo electrn que giraba
alrededor de un protn con un radio fijo (figura 2.3). Una buena
aproximacin a la energa del electrn del hidrgeno a niveles de
energa permitidos se logra mediante la ecuacin de Bohr: E = - = -
eV 2 m 2 e 4 2 h 2 13.6 n 2 ( n = 1, 2, 3, 4, 5, ) (2.3) 29 30
CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace Pgina 7 de 54
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47. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition donde: e = carga del electrn m = masa del electrn n = nmero
entero denominadonmero cuntico principal Figura 2.3 tomo de
hidrgeno de Bohr. En el tomo de hidrgeno de Bohr, un electrn
describe una rbita circular de 0.05 nm de radio alrededor de un
protn central. Prueba PROBLEMA DE EJEMPLO 2.5 Un tomo de hidrgeno
existe con su electrn en el estado n = 3. El electrn pasa a un
estado n = 2. Calcule a) la energa del fotn emitido, b) su
frecuencia y c) su longitud de onda. Solucin a) La energa del fotn
emitido es: E = 13.6eV n 2 (2.3) 30 31 CAPTULO 2: Estructura atmica
y enlace Pgina 8 de 54
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48. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th
Edition E = E3 E2 = = 1.89eV 13.6 3 2 13.6 2 2 = 1.89eV = 3.02 J
1.60 J10 19 eV 10 19 b) La frecuencia del fotn es: E = h v (2.1) v
= = E h 3.02 J10 19 6.63 J s10 34 = 4.55 = 4.55 Hz10 14 s 1 10 14
c) La longitud de onda de