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CIENCIA DE LOS METALES

INTRODUCCIÓN

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Ciencia e Ingeniería de los Materiales

Ciencia de materiales: Disciplina científica relacionada con la investigación que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales.

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Relación Propiedades-Estructura-Procesamiento

Métodode

procesamiento

Estructura Propiedades

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Propiedades y Solicitaciones Mecánicas

Respuesta del material a la aplicación de una fuerza (resistencia, rigidez y ductilidad).

Respuesta a un golpe repentino (impacto). Respuesta a cargas cíclicas (fatiga). Respuesta a condiciones abrasivas (desgaste). Respuesta a cargas a altas temperaturas

(termofluencia).

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Estructura

Estructura atómica

Estructura cristalina

Microestructura

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Estructura

Estructura atómica: La disposición de los electrones que rodean al núcleo de los átomos individuales afecta el comportamiento eléctrico, magnético y térmico. La configuración electrónica influye en la forma en que los átomos se unen entre sí.

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Estructura

Estructura cristalina: Arreglo de los átomos en un material con un patrón regular repetible. Algunos materiales no presentan esta organización atómica (materiales amorfos o vítreos), y se comportan de manera distinta a los materiales cristalinos. La mayor parte de los metales tiene una estructura granular o policristalina, la cual influye en el comportamiento del material.

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Estructura

Microestructura: La mayor parte de los materiales presentan más de una fase. Cada fase tiene un arreglo atómico y propiedades determinadas. Con el control de las fases del material se pueden controlar sus propiedades.

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Procesamiento Metal líquido en un molde (fundición). Unión de piezas individuales (soldadura, unión

adhesiva). Conformado por alta presión (forja, trefilado,

extrusión, laminado, doblado). Compactación de partículas de polvo

(metalurgia de polvos). Eliminación de material (maquinado). Inyección de plástico en un molde.

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Clasificación de los Materiales de Ingeniería

1. Metales.

2. Cerámicos.

3. Polímeros.

4. Materiales compuestos.

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Metales

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Metales

Los metales usados en la manufactura son comúnmente aleaciones, las cuales están compuestas de dos o más elementos, en donde por lo menos uno es metálico.

Los metales pueden dividirse en dos grupos:

1. Metales ferrosos.

2. Metales no ferrosos.

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Metales Ferrosos

Los metales ferrosos se basan en el hierro. El hierro puro tiene poco uso comercial, pero

aleado con carbón tiene más uso y valor comercial.

Los metales ferrosos se subdividen en:

1. Aceros.

2. Fundiciones.

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Aceros Categoría más importante dentro del grupo de

metales ferrosos. Se define como una aleación de hierro y

carbono que contiene de 0.02 a 2.11% de carbono como máximo.

Frecuentemente, para mejorar las propiedades, su composición incluye elementos como manganeso, cromo, níquel y molibdeno.

Buena resistencia mecánica, relativo bajo costo entre los metales y facilidad de procesado.

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Aceros Se clasifican en:

1. Aceros al carbono: Contienen carbono como principal elemento de aleación.

2. Aceros de baja aleación: Aleaciones de hierro-carbono que contienen elementos aleantes adicionales en cantidades que totalizan menos del 5% en peso (cromo, manganeso, molibdeno, níquel, vanadio).

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Aceros

3. Aceros inoxidables: Grupo de aceros altamente aleados y diseñados para suministrar una alta resistencia a la corrosión (usualmente arriba del 15% de cromo).

4. Aceros de herramienta: Clase de aceros, generalmente de alta aleación, diseñados para usarse como herramientas industriales de corte, dados y moldes.

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Fundiciones Son aleaciones de hierro y carbono (2.11 a

4%) que se utiliza en fundición. También se encuentra presente el silicio (0.5

a 3%), y frecuentemente se agregan otros elementos para obtener propiedades deseables.

Se encuentran disponibles en diferentes formas: Fundición gris (la más común), fundición nodular, fundición blanca, fundición maleable.

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Metales No Ferrosos Los metales no ferrosos incluyen elementos

metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro.

Los metales de ingeniería más importantes son: aluminio, cobre, magnesio, níquel, titanio, zinc y sus aleaciones.

Además pueden nombrarse el plomo, el estaño, los metales refractarios (tungsteno y molibdeno) y los metales preciosos (oro, platino y plata).

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Características de los Metales1. Buena conducción eléctrica y térmica.2. Resistencia y dureza relativamente alta.3. Alta rigidez.4. Ductilidad o conformabilidad (Propiedad

muy útil en manufactura).5. Resistencia al impacto.6. Opacidad y reflectividad.7. Resistencia a la temperatura moderada.8. Utilizados principalmente en aplicaciones

estructurales y de carga.

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Cerámicos

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Cerámicos Un material cerámico se define como un

compuesto inorgánico que contiene elementos metálicos y no metálicos. Los elementos no metálicos típicos son el oxígeno, el nitrógeno y el carbono.

Su importancia como materiales de ingeniería se basa en su abundancia en la naturaleza y en sus propiedades físicas y mecánicas.

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Características de los Cerámicos

1. Químicamente estables.

2. Alta dureza.

3. Resistencia a altas temperaturas.

4. Frágiles.

5. Baja conductividad eléctrica y térmica.

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Polímeros

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Polímeros

Compuesto formado por repetidas unidades estructurales llamadas meros cuyos átomos comparten electrones para formar moléculas muy grandes.

Generalmente se constituyen por carbono y otros elementos como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro.

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Características de los Polímeros

1. Buena ductilidad y conformabilidad.

2. Baja densidad.

3. Baja conductividad eléctrica y térmica.

4. Reducida resistencia en comparación con los metales.

5. No adecuados a altas temperaturas.

6. Mayor reactividad química que los cerámicos.

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Materiales Compuestos

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Materiales Compuestos

Un material compuesto es un sistema de materiales formado por dos o más fases físicas distintas, cuya combinación produce propiedades conjuntas que son diferentes de las de sus constituyentes.

La estructura usual de un material compuesto está formada por partículas o fibras mezcladas con una segunda fase llamada matriz.

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Características de los Materiales Compuestos

1. Son combinación de dos o más tipos de materiales con lo que se obtienen propiedades que no se encuentran en los materiales de manera individual.

2. Por ejemplo, un material compuesto podría ser liviano, duro, dúctil, resistente a altas temperaturas, etc.