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Introduccion La ingeniería de materiales es una rama de la ingeniería que se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Esta ingeniería está muy relacionada con la mecánica y la fabricación. Los objetivos del ingeniero de materiales son dominar al máximo nivel las técnicas avanzadas de producción y transformación de los materiales y ser capaz de contribuir al desarrollo de materiales nuevos y de nuevos procesos de producción. En el mundo cambiante de las nuevas tecnologías del siglo XXI, el Ingeniero de Materiales va a ser un agente imprescindible en la selección de materiales para todas las áreas de la ingeniería y en particular en el mundo del diseño. La ingeniería de materiales es un título académico reconocido en todo el mundo y que se dedica al diseño, fabricación y comportamiento de todo tipo de componentes y estructuras, utilizando tanto materiales tradicionales como de nuevo diseño. Los coches, la ropa y el calzado, el equipo deportivo, los ordenadores o las prótesis y dispositivos biomédicos se fabrican con materiales cada vez más modernos, incluso basados en la nanotecnología. En estos campos, como en muchos otros, un nuevo material ha sido la clave que ha permitido desarrollar nuevos productos y aplicaciones. Así ha sucedido con los materiales compuestos en aeronáutica y en el deporte de alta competición. La ingeniería de materiales es la base de los avances tecnológicos que han transformado nuestra sociedad, por lo que el ingeniero de materiales en uno de los perfiles más demandados en todo el mundo para la investigación, el desarrollo y la innovación, siendo un profesional de futuro en la industria. En conjunto, la ingeniería de materiales es una de las nuevas ingenierías del siglo XXI que está diseñada para lograr una sociedad del bienestar más sostenible y eficiente.

Dedicatoria Quiero dedicarle este trabajo A Dios que me ha dado la vida y fortaleza para terminar este proyecto de investigación, A mis Padres por estar ahí cuando más los necesité; en especial a mi madre por su ayuda y constante cooperación y A mi novio José por apoyarme y ayudarme en los momentos más difíciles.

TEMA PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES EN INGENIERÍA - Aleaciones férreas: aceros y fundiciones. - Aleaciones no férreas y superaleaciones. - Materiales cerámicos. - Materiales poliméricos. - Materiales compuestos.

ALEACIONES FÉRREAS: ACEROS Y FUNDICIONES Por su composición, las aleaciones metálicas se agrupan en dos clases: aleaciones férreas y no férreas. Las aleaciones férreas son aquellas en las que el principal componente es el hierro y se clasifican en aceros y fundiciones. Las aleaciones férreas son las que más se producen y las que tienen mayor interés para la construcción de aparatos debido a: (1) en la corteza terrestre abundan los compuestos de hierro; (2) el hierro metálico y los aceros se pueden obtener por técnicas relativamente económicas; (3) las aleaciones férreas son extremadamente versátiles ya que son susceptibles de tratamientos que les proporcionan gran variedad de propiedades físicas y mecánicas. La principal desventaja de estas aleaciones es su susceptibilidad a la corrosión.

Aceros: Como ya se ha mencionado, son aleaciones Fe-C que contienen menos de un 2% de carbono. Además del C suelen contener otros elementos como Si, Mn, P y S. Existen miles de aceros que tienen distintas composiciones y/o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en carbono, que suele ser inferior al 1%, Los aceros más comunes se clasifican según el contenido en carbono en bajo, medio y alto. Además, en cada grupo existen subclases de acuerdo con la concentración de otros elementos de aleación.

Según su composición los aceros se clasifican en:  Aceros al carbono: formados fundamentalmente por Fe y C, aunque pueden contener

otros elementos de aleación, pero en proporciones muy bajas, que bien pueden actuar como desoxidantes o desulfurantes, o bien simplemente aparecen como impurezas.  Aceros aleados (alta aleación): Además de Fe y C, contienen otros elementos de aleación como Cr, Ni, Mo, V, W, Ti etc. Estos elementos de aleación influyen de muy diversas maneras en las propiedades de los aceros:  Elementos que aumentan la dureza de los aceros (P, Ni, Si, Al …)

 Elementos que modifican las temperaturas A1 y A3 (Ni, Mn y Cu las reducen, mientras que Mo, Al, V, W y Si las aumentan)  Elementos que modifican Ms y Mf  Elementos que influyen en la templabilidad Dentro de este grupo destacan los llamados aceros inoxidables que son muy resistentes a la corrosión. Su elemento predominante es el cromo (>11%C).

Según el %C los aceros se clasifican en: 

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Aceros suaves o bajos en C (<0,3%C) : No responden a los tratamientos térmicos diseñados para formar martensita; el endurecimiento de estos aceros se obtiene por acritud. Su microestructura consiste en ferrita y perlita. En consecuencia, estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero tienen una gran ductilidad y tenacidad por lo que son fácilmente mecanizables. Se sueldan muy bien. Aceros semiduros o medios en C (0,3-0,6%C) : Son tratables térmicamente mediante austenización, temple y revenido a fin de mejorar sus propiedades mecánicas.

Aceros duros o altos en C (0,6-1,5%C) : Son los más duros y resistentes y, por ello, son los menos dúctiles. Suelen ser aceros para herramientas. Casi siempre se utilizan templados y revenidos y en estas condiciones son especialmente resistentes al desgaste y aptos para emplearse en herramientas de corte.

Según el grado de desoxidación los aceros pueden ser:

 Aceros calmados: fuertemente desoxidados de forma que al solidificar no producen gases que pudieran ocasionar sopladuras.

Aceros efervescentes: poco desoxidados y al solidificar desprenden numerosos gases que producen sopladuras.

Según su constitución los aceros se clasifican en:  Aceros perlíticos: están constituidos por perlita y ferrita o por perlita y cementita según su

% de C. Son los aceros que pudiéramos llamar normales, aceros al carbono y de baja o media aleación.  Aceros martensíticos: quedan constituidos en su mayor parte por martensita. Son aceros cuya velocidad de temple es muy lenta (curvas de la S muy desplazadas a la derecha).  Aceros austeníticos: quedan constituidos, incluso a temperatura ambiente, en su mayor parte por austerita (Ms por debajo de la temperatura ambiente).  Aceros ferríticos: Están formados por ferrita, principalmente, a cualquier temperatura. No pueden templarse ya que no se alcanza el estado austenítico por calentamiento, y por tanto, tampoco el martensítico en el enfriamiento. Presentan un elevado contenido en cromo (> 16%).

Fundiciones. Las fundiciones son aleaciones de Fe-C que contienen más de un 2% de carbono. En la práctica, el contenido de C oscila entre 2,5 y 4,5% de C. Además del C suelen contener otros elementos como Si, Mn, P y S. La fundición se utiliza, casi siempre, para la obtención de piezas por moldeo y aunque puede colarse directamente el arrabio obtenido del alto horno, lo más frecuente es emplear fundición de segunda fusión. Las numerosas aplicaciones de las fundiciones se deben fundamentalmente a las ventajas que ofrecen para la fabricación de piezas incluso de formas complejas debido a que: a) su temperatura de fusión es más baja que la de los aceros, b) el proceso de moldeo es más fácil que el de los aceros, c) tienen una alta colabilidad por lo que se pueden fabricar piezas en las que haya que rellenar huecos, d) la mecanización es muy fácil debido a la presencia de grafito que tiene propiedades lubricantes. e) los rechupes (consecuencia de la contracción del material) son menos acusados que en los aceros.

MATERIALES CERÁMICOS

Las propiedades de los materiales cerámicos fueron descritas brevemente en el tema 1. Se trata de materiales aislantes o semiconductores, de dureza elevada, que pueden resistir condiciones de trabajo adversas (temperaturas elevadas y ambientes químicamente agresivos) a diferencia de los materiales poliméricos y metálicos. Hasta hace aproximadamente 60 años los únicos materiales cerámicos utilizados eran los tradicionales (porcelana, ladrillo, baldosas, refractarios, vidrios, etc.) muchos de ellos basados fundamentalmente en arcillas. Actualmente el término material cerámico engloba a toda una amplia diversidad de materiales que se utilizan en numerosas industrias (aeroespacial, electrónica, comunicaciones, energética, etc.). Se trata de materiales constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí mediante enlace iónico o iónicocovalente y cuya estructura puede ser cristalina ó no cristalina. En el tema 2 ya se describieron las estructuras cristalinas más simples que suelen presentar algunos materiales cerámicos cristalinos.

Materiales vítreos y vitrocerámicos. Los vidrios son generalmente silicatos no cristalinos que pueden contener otros óxidos. Los silicatos son materiales constituidos principalmente por silicio y oxígeno, que son los dos elementos más abundantes en la corteza terrestre. La mayor parte de suelos, rocas, arcillas y arenas son pues silicatos La estructura de los silicatos se puede describir mediante la disposición espacial de tetraedros de (SiO4) 4-, cada uno de ellos constituido por un átomo de Si en su centro que está unido a cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices. Cada tetraedro tiene asociada una carga -4 puesto que cada átomo de oxígeno requiere un electrón para alcanzar la configuración electrónica estable.

Productos de arcilla. Uno de los materiales más utilizados es la arcilla. Se trata de un ingrediente barato y que se en gran abundancia, utilizándose a menudo tal y como es extraído sin ningún proceso de purificación posterior. La razón de su popularidad es la facilidad con la que puede conformarse cuando se mezcla con agua en las proporciones adecuadas. Uno de los minerales de arcilla más común es la caolinita que es un silicato laminar de estructura relativamente sencilla ya que está formada por dos capas (Fig. 13).

La fórmula de la caolinita es Al2(Si2O5)(OH)4 en la cual la capa tetraédrica de sílice, Si2O5) 2-, esta neutralizada eléctricamente por una capa adyacente de (Al2(OH)4 2+ .

Refractarios. Se trata de materiales cerámicos que también se utilizan en grandes cantidades. El producto de fabricación más común es el ladrillo que se utiliza en revestimientos de hornos para el afino de metales, elaboración del vidrio, tratamiento térmico metalúrgico, generación de electricidad, etc. Las propiedades sobresalientes de estos materiales son la capacidad para soportar temperaturas.

MATERIALES COMPUESTOS. La mayoría de las tecnologías modernas requieren materiales con una combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los materiales metálicos, cerámicos y poliméricos convencionales. Esta necesidad es muy evidente en aplicaciones espaciales, subacuáticas y en los transportes. Por ejemplo, los

ingenieros aeronáuticos solicitan, cada vez más, materiales de baja densidad que sean resistentes y rígidos, y también resistentes al impacto, a la abrasión y a la corrosión. Esta es una combinación de propiedades bastante extraordinaria, ya que frecuentemente los materiales más resistentes son relativamente densos; además un incremento de la resistencia y de la rigidez conlleva generalmente una disminución de la resistencia al impacto.

Materiales compuestos reforzados con partículas Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en: a) reforzados con partículas grandes y b) consolidados por dispersión.

a) Reforzados con partículas grandes El término “grande” indica que las interacciones matriz-partícula no se pueden describir a nivel atómico o molecular, sino mediante la mecánica de continua. En estos materiales la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. Básicamente, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga aplicada. El grado de refuerzo o mejora del comportamiento mecánico dependen de la fuerza de cohesión en la intercara matriz partícula. El refuerzo es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas y cuanto mejor distribuidas estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las fases constituyentes influye en el comportamiento, de forma que las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse el contenido de partículas. Ejemplos de materiales compuesto reforzados con partículas grandes: - Los cermets, que son compuestos metal-cerámica. El cermet más conocido es el carburo cementado, que está constituido por partículas extremadamente duras de carburos refractarios cerámicos, como el carburo de wolframio o de titanio, embebidas en una matriz metálica de cobalto o níquel. Estos materiales se utilizan como herramientas de corte. Las duras partículas de carburo aportan el efecto cortante a la superficie, pero, al ser extremadamente frágiles, ellas solas no soportarían los extraordinarios esfuerzos de corte. Para aumentar la tenacidad estas partículas se introducen en una matriz metálica dúctil, que las aísla y previene la propagación de grietas entre partículas. 

Los plásticos y elastómeros también se refuerzan con materiales en forma de partículas. Por ejemplo, los cauchos modernos están reforzados con partículas de materiales tales como el negro de humo. El negro de humo consiste en partículas muy pequeñas y esencialmente esféricas de carbono producidas por la combustión incompleta de gas natural u otros derivados del petróleo que se añaden al caucho

vulcanizado para aumentar la tenacidad y las resistencias a la tracción, a la torsión y al desgaste. 

El hormigón es un material compuesto con partículas grandes en el que la matriz y las fases dispersas son cerámicas. El hormigón consiste en un agregado de partículas unidas entre sí mediante cemento. Los dos tipos de hormigón más utilizados son los constituidos por partículas de grava y arena unidas mediante cementos portland o cemento asfáltico.

Materiales compuestos reforzados con fibras

Desde el punto de vista tecnológico, los materiales compuestos reforzados con fibras son los más importantes. Se diseñan con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Para cada combinación fibra-matriz, existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. La longitud crítica depende del diámetro de la fibra, de la resistencia a la tracción y de la resistencia de la unión fibra-matriz.

La matriz de un material compuesto reforzado con fibras ejerce varias funciones. En primer lugar, une las fibras y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras los esfuerzos externos aplicados; sólo una pequeña fracción del esfuerzo aplicado es resistida por la matriz.

La matriz debe ser dúctil y el módulo elástico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o de reacciones químicas con el medio ambiente. Finalmente, la matriz separa las fibras y, debido a su plasticidad impide la propagación de grietas de una fibra a otra. Generalmente se utilizan polímeros y metales como matriz porque son materiales dúctiles. Entre los materiales compuestos reforzados con fibras más utilizados se encuentran: 

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Plásticos (principalmente poliéster) reforzados con fibras de vidrio, que se utiliza en carrocerías de automóvil, y de navíos, tuberías de plástico, recipientes para almacén y suelos industriales. Plásticos reforzados con partículas de carbono utilizados en la industria aeronáutica para disminuir el peso.

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Materiales compuestos con matriz metálica de aluminio, de cobre y de titanio reforzados con fibras de carbono, de carburo de silicio y de boro, y también con fibras metálicas. Estos materiales se utilizan a temperaturas más elevadas que los compuestos de matriz polimérica. Se utilizan en aplicaciones espaciales y en nuevos motores.

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Materiales compuestos híbridos, que se obtienen utilizando dos o más clases diferentes de fibras en una única matriz. Los más utilizados son los que tienen fibras de vidrio y de carbono embebidas en una matriz polimérica. Sus principales aplicaciones son componentes estructurales de baja densidad para transporte aéreo, marítimo y terrestre, artículos deportivos y componentes ortopédicos de baja densidad.

Materiales compuestos estructurales: Estos materiales están compuestos tanto por materiales homogéneos como por materiales compuestos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino también de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Los dos tipos de materiales estructurales más utilizados son: a) los compuestos laminares b) los paneles sandwich. a) Materiales compuestos laminares:

Estos materiales constan de láminas o paneles que tienen una dirección preferente con elevada resistencia. Las capas se apilan y luego se pegan entre sí, de modo que la orientación de la dirección de elevada resistencia varía en cada una de la capa. Un material compuesto laminar es la madera contrachapada en la cual las direcciones de elevada resistencia de las sucesivas capas forman ángulos rectos entre sí.

b) Paneles sándwich: Estos materiales consisten en dos láminas, o caras, externas fuertes separadas por una capa de material menos denso, o núcleo, que tiene baja rigidez y baja resistencia. Las caras resisten la mayor parte de las cargas en el plano, y también cualquier esfuerzo de flexión transversal. Los materiales de las caras suelen ser aleaciones de aluminio, plásticos reforzados con fibras, titanio, acero y madera contrachapada. Estructuralmente el núcleo tiene dos funciones.