CIENCIA DE LOS MATERIALES

Tema Uno. Introducción a la Ciencia de los Materiales.

La ciencia y la ingeniería de los materiales es un campo interdisciplinario que se ocupa de inventar materiales y mejorar los ya existentes, mediante el desarrollo de un conocimiento más profundo de las relaciones entre microestructura, composición, síntesis y procesamiento. El término composición implica la constitución química de un material. El término estructura significa una descripción del arreglo atómico visto con distintos grados de detalles. Los científicos e ingenieros de materiales dos uno tiene que ver con el desarrollo de los materiales, sino también con la síntesis y procesamiento con los procesos de fabricación correspondientes a la producción de componentes. El término síntesis indica la manera de fabricar los materiales a partir de elementos naturales o hechos por el hombre. El término procesamiento indica el modo en que se conforman los materiales en componentes útiles y para causar cambios en las propiedades de distintos materiales. Una de las funciones más importantes de esta ciencia es establecer las relaciones entre propiedades y el funcionamiento de un material o dispositivo, así como la microestructura, la composición, y la forma en que el material se procesó.

Uno de los aspectos más fascinantes de la ciencia de materiales es la investigación de la estructura de un material. La estructura de los materiales tiene una influencia profunda en muchas de sus propiedades aun cuando no cambie la composición general. Los cambios en las propiedades del material se deben a un cambio en su estructura interna. Sí se examina un elemento después de someterlo a algún esfuerzo el mismo tendrá la misma composición pero su estructura a una escala microscópica ha cambiado. A la estructura de esta escala microscópica se les llama microestructura. Sí se puede comprender lo que cambió microscópicamente, se comenzará a descubrir formas para controlar las propiedades del material.

Clasificación de los Materiales. Hay varias formas de clasificar los materiales una de ellas consiste en describir cinco grupos:

1.      Metales y aleaciones.

2.      Cerámicos, vidrios y Vitrocerámicos.

3.      Polímeros.

4.      Semiconductores.

5.      Materiales Compuestos.

Los materiales de cada uno de estos grupos  poseen distintas estructuras y propiedades. Las diferencias de resistencia de dichos grupos por ser un amplio margen. Como los materiales metálicos se usan mucho en aplicaciones de cargas dinámicas, sus propiedades mecánicas donde gran interés práctico. Por ejemplo el término esfuerzo indica una carga o fuerza  por unidad de área. La deformación unitaria se refiere al alargamiento o a un cambio de dimensión, dividido entre la dimensión original. La aplicación del esfuerzo causa una deformación unitaria. Si esa deformación unitaria permanece después de eliminar el esfuerzo, se dice que la deformación es plástica. Ahora si desaparece esa deformación después de eliminar el esfuerzo se dice que la deformación es elástica.  Cuando la deformación es elástica y el esfuerzo y la deformación guardan una relación lineal, la pendiente del diagrama esfuerzo deformación unitaria se llama módulo de elasticidad o módulo de Young. Al valor del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se le llama resistencia a la cedencia. La deformación porcentual máxima que sí puede alcanzar es una medida de la ductilidad de un material metálico.

Metales y Aleaciones. Incluyen aceros, aluminio, titanio, cobre, níquel, entre otros. En general, los metales tienen buena conductividad eléctrica y térmica. Los metales y aleaciones tienen una resistencia relativamente alta, gran rigidez, ductilidad y buena resistencia a los choques térmicos. Tienen utilidad especial en aplicaciones estructurales o bajo carga dinámicas. Aunque a veces se usan metales puros, las mezclas de metales llamadas aleaciones permiten mejorar determinadas propiedades o mejores combinaciones de propiedad.

Cerámicos, Vidrios y Vitrocerámicos. Los cerámicos ser pueden definir como material es cristalinos inorgánicos. Es posible que sean los materiales más naturales. La harina de la playa, las rocas son algunos ejemplos de cerámicos naturales. Los cerámicos para avanzados son materiales obtenidos refinando cerámicos naturales y con otros procesos especiales. Se usan en sustratos que albergan chips de computadoras, censores, comunicaciones inalámbricas, bujías de motores, inductores, aislantes eléctricos y muchas otras aplicaciones como los recubrimientos, en la industria espacial, en la industria de la construcción en materiales resistentes al calor y abrasivos. En general, debido a la presencia de porosidad en algunas aplicaciones no conducen bien el calor. Los cerámicos son resistentes y duros pero también muy frágiles. Normalmente se preparan a partir de polvos finos para moldearlos en diversas formas. Los vidrios son un caso particular ya que es un material amorfo y se obtiene con frecuencia, pero no siempre, de la sílice fundida. El término amorfo se aplica materiales que no tienen arreglo regular y periódico. La industria de fibras ópticas utiliza a estos  materiales como fuente de materia prima, además de las aplicaciones tradicionales que vemos en casas, automóviles, televisores y muchas más. Los vidrios al moldearlos y nuclear pequeños cristales dentro de ellos con un proceso térmico especial, se producen las llamadas vitroceramicas. El ZERODUR es un ejemplo de este tipo de material utilizado para fabricar los sustratos de los espejos de los grandes telescopios. Ambos los vidrios y los vitroceramicos suelen producirse por fusión y colada.

Polímeros. Los polímeros son materiales orgánicos comunes. Se producen con un proceso llamado polimerización. Entre los materiales poliméricos están el caucho (elastómeros) y muchas clases de adhesivos. Muchos de ellos poseen una resistividad eléctrica muy buena. También proporcionan aislamiento térmico. Aunque en su mayoría tienen menor resistencia, y poseen una relación resistencia a  peso similar o superior a los metales. Solo en casos particulares no son buenos para trabajar a alta temperatura, además de poseer una excelente resistencia corrosiva. Tienen aplicaciones diversas. Los polímeros termoplásticos cuyas largas cadenas moleculares no están unidas en forma rígida, tienen buena ductilidad y formabilidad. Los polímeros termofijos son más resistentes, pero más frágiles, porque las cadenas moleculares están estrechamente enlazadas. Los termoplásticos se fabrican  conformándolos en estado fundido. Los termofijos se cuelan en moldes

Semiconductores. Los semiconductores son materiales a base de silicio, germanio y arseniuro de galio como los que se utilizan en algunos dispositivos de computadoras son parte de una clase más amplia de lo que se conoce como materiales electrónicos. La conductividad eléctrica de los materiales semiconductores es intermedia entre cerámicos y conductores metálicos. En ellos se controla la conductividad eléctrica y son muy valiosos para aplicaciones de informática en general. Su fabricación es compleja y varia de acurdo al tipo que se desea construir.

Materiales Compuestos. Los materiales compuestos nacen con la idea de combinar las propiedades de los distintos materiales. Se forman a partir de dos o más materiales y se obtiene propiedades  que no posee un solo material. El concreto, la madera terciada y los plásticos reforzados con fibras de vidrio son algunos de estos materiales. Con materiales compuestos se obtienen  materiales con diversidad de propiedades como ligereza, ductilidad, dureza, entre otras. Recientemente se utilizan en la fabricación de herramientas de corte dura pero resistente al choque.

Existen otras clasificaciones de los materiales como por ejemplo en función de sus usos reuniéndose en: aeroespaciales, biomédicos, materiales electrónicos, magnéticos, inteligentes, fotonicos entre otros. También se pueden clasificar en base a su estructura, como cristalinos (donde los átomos se ordenan de forma periódica) o pueden ser amorfos (donde los átomos del material no tienen orden en gran escala) los cristalinos se dividen en  monocristalinos y policristainos.

Propiedades y Comportamiento Mecánico.

Hay distintas clases de fuerzas o esfuerzos que se presentan al tratar las propiedades mecánicas de los materiales. En general, se define el esfuerzo como una fuerza que actua sobre el area unitaria en la que se aplica. La deformación unitaria se define como el cambio de dimensión por unidad de longitud. El esfuerzo se suele expesar en pascales (Pa) o en psi (libras por pulgada cuadrada). La deformación unitaria no tiene dimensiones y con frecuencia se expresa en pulg/pulg o cm/cm.

Al describir el esfuerzo y la deformación unitaria, es útil imaginar que el esfuerzo es la causa y la deformación el efecto. Normalmente, los esfuerzos de tensión y de corte se representan por los símbolos σ y τ respectivamente. Las deformaciones de tensión y de corte se indican con los símbolos ε y γ, respectivamente. En muchas aplicaciones sujetas a carga dinámicas, intervienen esfuerzos de tensión y compresión. Los esfuerzos cortantes o de cizalladura, se suelen encontrar en el procesamiento de materiales en técnicas como la extrusión. También se encuentran en aplicaciones estructurales.

La deformación (unitaria) elástica se define como una deformación restaurable debido a un esfuerzo aplicado. La deformación es elástica si se desarrolla de forma instantánea; es decir, se presenta tan pronto se aplica la fuerza, permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan pronto se retira dicha fuerza. Un material sujeto a una deformación elástica no presenta deformación permanente, es decir, regresa a su forma original cuando se retira la fuerza o el esfuerzo.

En muchos materiales, el esfuerzo y la deformación elástico siguen una ley lineal. La pendiente en la porción lineal de la curva esfuerzo contra deformación unitaria a tensión define el Modulo de Young o modulo de Elasticidad (E) de un material. Las unidades de E se miden en pascales (Pa) o en libras por pulgada cuadrada (psi), las mismas que las del esfuerzo. En los elastómeros se observan deformaciones elásticas grandes, como en el hule natural o las siliconas, donde la relación esfuerzo deformación elástico no es lineal. En ellos la enorme deformación elástica se explica por el enredado y desenredado de moléculas semejantes a los resortes. Al manejar esos materiales, se usa la pendiente de la tangente en cualquier valor determinado del esfuerzo o la deformación y se considera como una cantidad variable que remplaza al modulo de Young. El inverso del modulo de Young se llama flexibilidad o capacidad elástica de deformación del material. De forma parecida, se define al modulo de elasticidad cortante (G) como la pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo cortante contra deformación cortante.

La deformación permanente de un material se llama deformación plástica. En este caso, cuando se quita el esfuerzo, el material no regresa a su forma original. La rapidez con que se desarrolla  la deformación en un material se define como velocidad de deformación (έ o ý, respectivamente, para la velocidad de deformación por tensión y cortante). Las unidades de la velocidad de deformación son s^-1. Cuando los materiales se sujetan a grandes velocidades de deformación, se le llama a la carga que la genera como carga de impacto o dinámica. 

Un material viscoso es uno en el cual se desarrolla la deformación durante cierto tiempo y el material no regresa a su forma original al quitar el esfuerzo. El desarrollo de la deformación toma tiempo y no esta en fase con el desarrollo aplicado. Ademas el material permanece deformado cuando se quita el esfuerzo aplicado  (es decir, la deformación es plástica). Un material visco elástico o anelástico puede concebirse como uno cuya respuesta es intermedia entre un material viscoso y uno elástico. El termino anelástico se suele aplicar a metales, mientras el visco elástico se asocia a materiales poliméricos.

En un material visco elástico, el desarrollo de una deformación permanente se parece al de un material viscoso. Sin embargo, a diferencia de un material viscoso, cuando se quita el esfuerzo aplicado, parte de la deformación desaparece después de cierto tiempo. La recuperación de la deformación es el cambio en la forma de un material después de quitar el esfuerzo que causa la deformación. En los materiales visco elásticos mantenidos bajo deformación constante, al pasar el tiempo, la magnitud del esfuerzo disminuye. A esto se le llama relajación de esfuerzo. la recuperación de la deformación y la relajación de esfuerzo son términos distintos y no deben confundirse.

Al tratar con materiales fundidos, líquidos y dispersiones, como pinturas o geles, se requiere una descripción de la resistencia al flujo o corrimiento bajo la acción de un esfuerzo aplicado. Si la relación entre el esfuerzo aplicado y la velocidad de deformación constante es lineal, el material se llama newtoniano. La pendiente del esfuerzo cortante en función de la deformación constante en régimen estacionario se define como la viscosidad del material. En muchos materiales, la relación entre esfuerzo cortante y velocidad de deformación cortante es no lineal. Esos materiales son no newtonianos.

Los materiales no newtonianos se clasifican como fluidos por cortante (o seudoplasticos) o en espesos por cortante (dilatantes). La viscosidad aparente del material disminuye al aumentar la velocidad de deformación cortante en estado estacionario. Si se toma la pendiente de la línea obtenida uniendo el origen con cualquier punto de la curva, lo que se determina es la viscosidad aparente. La viscosidad aparente de un material newtoniano, permanece constante al cambiar la velocidad de deformación cortante. En los materiales dilatantes, la viscosidad aparente disminuye al aumentar la velocidad de deformación cortante. Por ejemplo, en una lata de pintura almacenada, la velocidad de deformación cortante a la que se somete la pintura es muy pequeña y se comporta muy viscosa. Cuando se toma una brocha y se pinta, la pintura se somete a una gran velocidad de deformación cortante. Así esa pintura se comporta como si fuera bastante fluida, ese es el comportamiento dilatante.

Algunos materiales tienen un comportamiento plástico ideal. En ellos el esfuerzo cortante no cambia con la velocidad de deformación cortante. Muchos materiales útiles se pueden modelar como plásticos de Bingham, que se definen con las siguientes ecuaciones:

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 Es la resistencia a la cedencia aparente, y se obtiene interpolando los datos de esfuerzo cortante velocidad de deformación cortante para un valor de esta ultima igual a cero. Se definirá resistencia de cedencia como el valor del esfuerzo que se debe superar para que el material comience a deformarse plásticamente. No se ha demostrado en forma contundente la existencia de una resistencia real (que a veces se llama esfuerzo de cedencia) para muchos plásticos y dispersiones, como las pinturas. Para estos materiales, puede ser que una deformación critica de cedencia sea mejor para describir el comportamiento mecánico. Muchos lodos cerámicos, polímeros fundidos, pinturas y geles, así como productos alimenticios muestran un comportamiento seudoplastico de Bingham.

El Ensayo de Tensión.

El ensayo de tensión es uno de los más difundidos, porque las propiedades que se obtienen pueden aplicarse al diseño  de distintos componentes. El ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (de 10^-4 a 10^-2 s^-1), el espécimen utilizado en el ensayo  probeta estándar tiene un diámetro y longitud calibrada (diámetro 0,505 pulg y longitud de 2 pulg), se coloca en una maquina de prueba y se aplica una fuerza llamada carga,  para medir la cantidad que se estira la probeta se utiliza un extensómetro o galga extensométrica. Este ensayo se puede obtener información acerca de la resistencia, el modulo de Young y la ductilidad del material. Comúnmente este ensayo se realiza a metales y plásticos.

Al aplicar esfuerzo a un material, este muestra primero deformación elástica. La deformación que se produce desaparece por completo cuando se elimina el esfuerzo aplicado. Sin embargo, al continuar aumentando el esfuerzo aplicado, el material comienza a mostrar deformación tanto elástica como plástica. Al final, el material cede al esfuerzo aplicado. El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material. En los materiales metálicos, éste es normalmente el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de dislocaciones o deslizamiento. En los materiales poliméricos, este esfuerzo corresponde al desenredado de las cadenas moleculares del polímero o al deslizamiento de las cadenas entre sí. El límite de proporcionalidad se define como el valor del esfuerzo arriba del cual la relación entre esfuerzo deformación ingenieril no es lineal.

La deformación ingenieril se conoce como:  en la mayoría de los materiales, el límite elástico y el límite de proporcionalidad están bastante cercanos. Sin embargo, ni el valor del límite elástico y el límite de proporcionalidad se pueden determinar con precisión, pues los valores medidos dependen de la sensibilidad del equipo que se usa. En algunos materiales, la transición de deformación elástica a flujo plástico es abrupta. Esa transición se llama fenómeno de punto de fluencia. En esos materiales, al comenzar la deformación plástica, el valor del esfuerzo baja  primero desde el punto de fluencia superior hasta el punto de fluencia inferior. Cuando se diseñan partes para aplicaciones sujetas a cargas dinámicas, es preferible que haya muy poca o ninguna deformación plástica. En consecuencia, se debe seleccionar un material tal que el esfuerzo de diseño sea bastante menor que la resistencia de cedencia a la temperatura a la que deberá usarse el material. También se puede hacer mayor la sección transversal del material para minimizar el esfuerzo.

El esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada es la resistencia a la torsión o resistencia a la tracción, que es el esfuerzo máximo en la curva esfuerzo deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles la deformación no permanece uniforme. En algún punto, una región se deforma más que otras y se presenta una reducción local grande de sección transversal en dicho punto. Esta deformación local se llama cuello y a ese fenómeno se le llama estricción. En el ensayo de tensión la ductilidad mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse