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:
)
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