1. 1. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales, 4th Edition Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales Pgina 1 de 5 Troud http://libreria-universitaria.blogspot.com
2. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
3. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
4. 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. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
6. 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 Pgina 1 de 9 http://libreria-universitaria.blogspot.com
7. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
8. 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 marketinghe@mcgraw-hill.com. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
9. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
10. 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. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
12. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
13. 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. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
15. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
16. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
17. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
18. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
19. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
20. 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 Pgina 6 de 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
21. 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 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
22. 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 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
23. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
24. 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 de 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
25. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
26. 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 de los materiales Pgina 12 de 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
27. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
28. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
29. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
30. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
31. 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 Pgina 17 de 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
32. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
33. 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 Pgina 19 de 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
34. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
35. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
36. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
37. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
38. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
39. 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 25 http://libreria-universitaria.blogspot.com
40. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
41. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
42. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
43. 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 Pgina 4 de 54 http://libreria-universitaria.blogspot.com
44. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
45. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
46. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
47. 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 http://libreria-universitaria.blogspot.com
48. 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