Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales

1. ‘FACULTAD DE INGENIERIA ARQUITECTURA Y URBANISMO’
‘ESCUELA DE INGENIERIA INDUSTRIAL’
DOCENTE:
Ing. Larrea Colchado Luis Roberto
CURSO:
Materiales De Ingeniería
INTEGRANTES:
 Agurto Medina Alexander
 Bernal Nuñez Javier
 Céspedes Lima Ricardo
 Inga Sahuma Arlene
 Morán Salazar Bruno

2. 1.2 Defina la ciencia de los materiales e ingeniería de los materiales.
Ciencia de los materiales: la ciencia de los materiales es básicamente la relación de
la estructura y las propiedades de los materiales, lo que busca la ciencia de los
materiales es el estudio a profundidad las propiedades físicas macroscópicas de los
materiales, para que estas puedan ser aplicadas de la mejor forma en la ciencia y la
ingeniería, de modo que se puedan utilizar en obras, máquinas y herramientas
diversas. Debido a los polímeros la ciencia de los materiales tiene mucho que ver
con diversas áreas de estudio como son química, física, ingenierías química,
mecánica, civil y eléctrica.
Ingeniería de los materiales: la ingeniería de materiales es una ciencia que estudia
las relaciones existentes entre propiedades de los materiales y la estructura. La
ingeniería de materiales busca siempre el diseño de una estructura de material que
logre un conjunto de propiedades determinadas.
Lo que se busca con la ciencia de materiales es conocer las propiedades físicas y
macroscópicas de los materiales, para que de esa manera se puedan aplicar
conocimientos y transformarlas. Al tener claros estos conocimientos se le pueden
dar un uso adecuado a los materiales en obras, máquinas y herramientas con
diversos fines.
La ingeniería de materiales está muy influenciada por otros conocimientos como
ejemplo conocimientos de física y química y también otros campos de la ingeniería,
como es la ingeniería química, mecánica, civil y eléctrica.
1.3 ¿Cuáles son las clases principales de materiales en ingeniería?
1-Materiales metálicos
2-Materiales polímeros
3-Materiales cerámicos
4-Materiales compuestos
5-Materiales electrónicos

3. 1.4 ¿Cuáles son algunas de las propiedades importantes de cada uno de estos
materiales?
-MATERIALES METALICOS: Estos materiales tienen como característica una buena
conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son
particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones
conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o
permiten una mejor combinación de propiedades.
-MATERIALES CERAMICOS: estos materiales se caracterizan por que tienen baja
conductividad eléctrica y térmica y son usados como aislantes. Son muy duros,
aunque frágiles.
-MATERIALES POLIMEROS: estos materiales se caracterizan por que son grandes
estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja
conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a
temperaturas elevadas.
Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están
conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad; en cambio, los polímeros
termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares
fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones.
-MATERIALES COMPUESTOS: estos materiales se caracterizan por que como su
nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto
grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los
materiales de forma individual.
-MATERIALES ELECTRONICOS: estos materiales son extremadamente importantes
para en tecnología de ingeniería avanzada el material mas importante es el silicio
puro modificado por diversos caminos para cambiar sus características eléctricas.
Una gran cantidad de circuitos se pueden agrupar en un chip de silicio de
aproximadamente 0.635cm, esto ha permitido los satélites, los computadores.

4. 1.5 Defina un material compuesto. Dé un ejemplo.
Un material compuesto es aquel que está conformado por uno o más elementos,
para lograr unas determinadas características, normalmente no se mezclan uno
dentro del otro, y pueden ser físicamente identificados por una interface entre ellos
, pueden ser de diferentes tipos, por ejemplo están los que son predominantemente
fibrosos los cuales están constituidos por unas fibras en la matriz , los patrticulados
que son aquellos que tienen partículas en la matriz, algunos famosos elementos
compuestos son la fibra de vidrio y la fibra de carbono.
1.6 Mencione algunos cambios en el empleo de materiales que haya
En el proceso de ensamblaje de una moto antiguamente se utilizaba mucho hierro y
mucho metal, en el motor, en el tanque, en el chasis, en las latas de la motocicleta,
en los rines. La tendencia actual es la utilización de polímeros y accesorios livianos
durables y económicos, por tal razón actualmente se ensamblan motocicletas con
motores hechos de aleaciones, con chasis en aluminio, latas en fibra de vidrio, rines
de aleación, accesorios en plástico.
Lo que me da a pensar que los procesos actuales han llegado a una muy buen punto
en cuanto a mejoramiento de materiales, mejorando rendimiento de motor con
respecto a la velocidad ya que son motocicletas más livianas y más aerodinámicas.
1.7 ¿Qué factores podrían causar que las predicciones acerca del empleo de los
materiales fuesen incorrectas?
-La desinformación acerca de las propiedades y las características de un material, ya
que podría ocasionar tragedias en determinados casos.
-Los costos que podrían llegar a ocasionar determinados materiales para su uso.
-La disponibilidad de personal idóneo para la investigación y tratamiento de
materiales nuevos como los compuestos, es decir que no se sepan manejar y no nos
den las características necesarias para trabajar con ellos
-Investigaciones deficientes con respecto al comportamiento de los materiales a
determinados factores ambientales.

5. 1.10 PROBLEMAS EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES Y DISEÑO
1. Considere el componente habitual de una bombilla en casa:
a) Identifique varios componentes críticos de este elemento.
 Dos contactos metálicos
 Dos cables rígidos
 Fino filamento de metal
 Una montura de vidrio
 Capsula de cristal
 Gas inerte
b) Determine el material seleccionado para componente crítico.
 Dos contactos metálicos
 Dos cables rígidos
 Fino filamento de metal, el material utilizado normalmente en todas las
bombillas de incandescencia es el Tungsteno, Tungsteno porque tiene un
increíble aguante a estas temperaturas, el filamento es de unos 2 metros
de largo, pero una centésima parte de pulgada de espesor.
 Una montura de vidrio
 Capsula de cristal
 Gas inerte, Tungsteno o Argón, ya no reaccionan, por lo que no hay
peligro de que combinados entren en combustión.
c) Diseñe un procedimiento para montar la bombilla.
 Depositar los gases inertes en la capsula de cristal.
 Posicionar los cables rígido y dar forma al solenoide del filamento
metálico
 Ensamblar lo ya hecho a los dos contactos metálico.
 Colocar esta estructura dentro la montura de vidrio.
 Finalmente cerrar al vacio, para evitar interrupciones por
macropartículas.

6. 2. La artroplastia total de cadera (THA) es el procedimiento de sustitución total de
una cadera dañada por una prótesis artificial.
 Identifique los componentes reemplazados en la THA.
El componente femoral: es un vástago que se introduce en el interior del
canal medular previamente labrado; para ello será necesario extirpar la
cabeza del fémur. Cabeza o componente cefálico: Esto es una esfera que se
acopla al vástago. En ciertas prótesis el vástago y la cabeza son una misma
pieza. Componente acetabularia: Este es el que sustituye la parte de la
articulación de la cadera unida a la pelvis. Es una esfera hueca que se adapta
perfectamente a la cabeza o componente cefálico.
b) Identifique el material o materiales empleados en la fabricación de cada
componente y las razones por las cuales se emplean.
El componente femoral o vástago generalmente será de un material metálico
como el acero o el titanio, debe ser un material especialmente resistente ya que
es el encargado de transmitir todo el peso del cuerpo al fémur.
La cabeza o componente cefálico debe ser de un material que permita crear una
superficie muy lisa y resistente al desgaste. Cuanto más lisa sea a superficie de la
cabeza, menor será la fricción que ofrece al movimiento por lo tanto menor será
el desgaste a lo largo del tiempo. Los materiales que se suelen utilizar son la
cerámica, el acero y el polietileno de alta densidad (que es una especie de
plástico muy duro).
El componente acetabularia: Este suele tener dos vertientes, la parte que se une
al hueso que generalmente es metálica para ofrecer una buena resistencia a la
transmisión de las cargas: acero, titanio, tantalio, etc. La parte que está en
contacto con la cabeza que deberá ser lisa y ofrecer una mínima fricción y
resistencia al desgaste: que podrá ser de cerámica o de polietileno.
No existen diferencias importantes en cuanto al resultado clínico de los
diferentes materiales usados en las prótesis, la elección de estos deberá

7. realizarla siempre el cirujano basándose en las características particulares de
cada paciente así como en su experiencia personal y preferencias.
c) Mencione cuales son algunos de los factores que el ingeniero de materiales
debe tomar en cuenta en la selección de material.
 Biocompatibilidad.
 Resistencia a la corrosión en el medio biológico.
 Propiedades mecánicas y físicas compatibles con su función específica en el
cuerpo humano.
 Resistentes a la fatiga para las aplicaciones de cargas cíclicas.
 Óseo integración.
3. Se considera que los transistores han causado una revolución en la electrónica
y, en consecuencia, en muchas otras industrias.
a) Identifique los componentes críticos de un transistor de unión
 Dispositivo
 Emisor
b) Identifique el material empleado en la fabricación de cada componente.
 Dispositivo de estado sólido consistente en una pequeña pieza de material
semiconductor, generalmente germanio o silicio,
 Emisor, que corresponde al cátodo caliente de un tríodo como fuente de
electrones.

8. 4. a) Mencione los factores más importantes que deben tomarse en cuenta en la
selección de materiales para el cuadro de una bicicleta de montaña.
 Resistencia y comportamiento a fatiga
 Extrusionabilidad
 Soldabilidad
 Resistencia a los factores atmosféricos
 Amortiguación de vibraciones
 Resistencia al impacto y a la abrasión
 Coste del material
 Peso
 Coste De Fabricación
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.
 Aluminio
VENTAJAS / DESVENTAJAS
Mejor relación peso, precio, muy ligero, calidad, elevada conductividad,
precio, muy maleable.
 Acero
VENTAJAS / DESVENTAJAS
Punto de fusión alto, se dilata fácilmente, tenaz, de fácil corrosión, fácil de
soldar, alta conductividad.
 Titanio
VENTAJAS / DESVENTAJAS
Menor precio, ligero, reciclable, metal de transición, abundante, reactivo.

9. c) Las bicicletas más modernas se fabrican con materiales compuestos
avanzados. Explique por qué y mencione los materiales compuestos
específicos empleados en la estructura de una bicicleta.
Actualmente se utilizan materiales compuestos avanzados, ya que estos son
más livianos, reduciendo en un 50% el peso de la bicicleta en su totalidad,
además son más resistentes a cualquier agente dañino que los materiales
comunes lo que los hace más duraderos, también tenemos que a pesar de ser
elaborados son más baratos que los elementos comunes lo que hace de ellos
la elección más rentable y productiva, además se debe notar que el proceso
de fabricación ahora es menos elaborado y más fácil de realizar.
Algunos de los materiales compuestos utilizados son los siguientes:
 ALUMINIO SCANDIUM
ALEACIÓN MODERNA, 7075-T6 + Sc
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS SUPERIORES (NO NORMALIZADA)
 ALUMINIO 6061- ESTADOS UNIDOS
MEJOR EXTRUSIONABILIDAD
TRATAMIENTO TÉRMICO MADURACIÓN NATURAL
 ALUMINIO 7005-T6 - EUROPA
MAYOR RESISTENCIA
MADURACIÓN NATURAL

10. 5. a) Mencione los criterios más importantes para seleccionar materiales que
habrán de emplearse en un casco protector de uso deportivo.
 Livianos
 Resistentes
 Ergo dinámicos
 Un grado considerable de flexibilidad
b) Identifique los materiales que podrían satisfacer estos criterios.
 Kevlar
 Fibra de vidrio
c) ¿Por qué un casco de metal solido no sería una buena elección?
No sería una buena elección, ya que si el casco fuera de metal solido el golpe en
caso que se diera, se intensificaría haciendo que el daño ocasionado sea mucho
mayor en comparación con el daño ocasionado por los cascos comúnmente
llamados de plástico debido a que es resistente a grandes impactos, es también un
tanto flexible para amortiguar y absorber el golpe.
6. a) Determine las propiedades que debe tener el material o los materiales
empleados como protección térmica en la estructura de un transbordador
espacial.
 Determine las propiedades que debe tener un material o los materiales
empleados como protección térmica en la estructura de un transbordador
espacial.
 Debe soportar temperaturas que oscilan entre los –128 °C a 93 °C durante las
órbitas de 90 minutos alrededor de la Tierra.
 Deben ser capaces de absorber la temperatura externa.
 Cierto nivel de elasticidad.
 Elevada resistencia a la compresión

11.  tenacidad de fractura
 Punto de fusión alto.
b) Identifique los materiales que podrían satisfacer estos criterios.
 Cerámicos
 Carbono reforzado
c) ¿Por qué las aleaciones de titanio no serían una buena elección para esta
aplicación?
No sería una buena decisión debido a que las aleaciones del titanio en su mayoría
son resistentes a la corrosión, algunas de ellas son resistentes al calor; pero no lo
suficiente como para ser los idóneos.
CAPÍTULO 1: Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales
Página 24 de 25
Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 4th
7. a) ¿Qué tipo de material es el cobre de alta conductividad exento de oxígeno
(OFHC)?
Libre de cobre sin oxígeno (OFC) o libre de oxígeno de alta conductividad térmica (
OFHC ) de cobre generalmente se refieren a un grupo de forjado de alta
conductividad del cobre; es una aleación que se ha refinado electrolíticamente para
reducir el nivel de oxígeno de 0,001% o menos .
b) ¿Cuáles son las propiedades deseables en el cobre de alta conductividad exentas
de oxígeno?

12.  Resistencia mecánica a temperaturas relativamente elevadas
 Resistencia a la corrosión
 Soldabilidad
 Resistencia al reblandecimiento
 Maquinabilidad
c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria eléctrica?
Para aplicaciones industriales, el cobre libre de oxígeno se valora más por su pureza
química de su conductividad eléctrica.
 Se utiliza en la los procesos de deposición de plasma ( sputtering ), incluyendo
la fabricación de semiconductores y superconductores componentes, así
como en dispositivos de alto vacío, como los aceleradores de partículas.
 Para uniones vidrio-metal.
 Delgas de colectores.
8. a) ¿A qué clase de materiales pertenece el politetrafluoretileno?
El Teflón (PTFE) es un polímero halogenado, perteneciente a los haloalcanos,
también conocidos como halogenuros de alquilo, halogenoalcanos o haluros de
alquilo, son compuestos químicos derivados de un alcano por sustitución de uno o
más átomos de hidrógeno por átomos de halógeno.
b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables?
 Prácticamente inerte, no reacciona con otras sustancias químicas excepto en
situaciones muy especiales.
 Toxicidad prácticamente nula.
 Coeficiente de rozamiento bajo.
 Impermeabilidad
 Gran aislante eléctrico
 Flexible
 Anti adherencia

13. c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria de fabricación de utensilios de cocina?
En utensilios de cocina, se usa para la fabricación de como sartenes y ollas por su
capacidad de rozamiento baja, así son fáciles de limpiar y mantiene un grado menor
de toxicidad.
9. a) ¿A qué clase de materiales pertenece el nitruro de boro cúbico (cBN)?
El nitruro de boro es un compuesto binario del boro, que consiste en proporciones
iguales de boro y nitrógeno. El compuesto es isoelectrónico al carbono, (el boro
aporta 3 electrones de valencia y el nitrógeno 5) por lo que el nitruro de boro tiene
formas polimórficas, homólogas a los alotropos del carbono.
b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables?
 Material artificial extremadamente duro, aunque de una dureza menor a la
del diamante.
 Aislante eléctrico
 Excelente conductor del calor.
 Tiene dureza inferior que el diamante pero más estabilidad química y
térmica,
c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria metalmecánica?
 Producción de una gama de plaquitas de corte Wipe.
 Insertos con puntas de diamante (PKD) o’ puntas de borazon (CBN)
 End-mills con puntas de CBN (nitruro de boro cúbico) para fresado en duro
hasta 63 R.C.
 Cortadores verticales punta plana y punta esférica en Carburo de Tungsteno,
también con punta de PKD para acabos en materiales no ferrosos y punta de
CBN para fresado en operaciones de acabado en duro hasta 63 R.C.

14. 10. a) ¿Qué son las aramidas?
La fibra aramida se define como una fibra en la que la sustancia que la forma es una
cadena sintética poliamida en la que al menos el 85% de los grupos amidas están
directamente relacionados con 2 grupos aromáticos. El nombre es un acrónimo de "
aromáticas poliamida
b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables?
 Sensible al ultravioleta.
 Buena resistencia a choques, a los disolventes orgánicos y al calor.
 Sensible a la humedad.
 Buena resistencia a la abrasión
 Buena resistencia a disolventes orgánicos
 No conductor
 Ningún punto de fusión , comienza la degradación a partir de 500 ° C
 Baja inflamabilidad
 Buena integridad de la tela a elevadas temperaturas
c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en las industrias de equipo deportivo?
Se utiliza como revestimiento interior de unas llantas de la bicicleta para evitar
pinchazos, y debido a su excelente resistencia al calor, se utiliza para el fuego
mechas poi. En tenis de mesa, capas de Kevlar se añaden a las hojas de encargo
lonas o paletas, a fin de aumentar y reducir el peso de rebote, también de este
material se fabrican las velas de windsurf. Se utiliza para la ropa de la motocicleta de
seguridad, especialmente en las áreas con relleno, como los hombros y los codos.
En kyudo o tiro con arco japonés, puede ser utilizado como una alternativa a los más
caros de cáñamo para cuerdas de arco. Es uno de los principales materiales
utilizados para las líneas de suspensión de parapente.

15. 11. a) ¿A qué clase de materiales pertenece el arseniuro de galio (GaAs)?
Pertenece a los materiales semiconductores del grupo de elementos AIII-BV de la
tabla periódica. La anchura de la banda prohibida es mayor que en el silicio o el
germanio.
b) ¿Cuáles son propiedades deseables?
 Los dispositivos fabricados con Gas pueden trabajar a temperaturas de hasta
450ºC.
 Propiedades semiconductoras en tecnología.
 Amplificar las señales electrónicas sin perder mucha energía.
 No sufren demasiados daños trasmitiendo señales analógicas.
 Poco sensibles a las radiaciones cósmicas.
c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria electrónica?
Se usa para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de
microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser y células fotovoltaicas.
Se usa en semiconductores
12. Las superlaciones con base en níquel se emplean en la estructura de los
motores de turbina de los aviones. ¿Cuáles son las propiedades principales de este
metal que lo hacen deseable para esta aplicación?
El níquel es un metal duro, maleable y dúctil, que puede presentar un intenso
brillo. Tiene propiedades magnéticas por debajo de 345 ºC. El níquel metálico no
es muy activo químicamente. Es soluble en ácido nítrico diluido, y se convierte en
pasivo (no reactivo) en ácido nítrico concentrado. No reacciona con los
álcalis. Tiene un punto de fusión de 1.455 °C, y un punto de ebullición de 2.730 °C,
su densidad es de 8,9 g/cm3 y su masa atómica 58,69 una.

16. 13. Identifique varios equipos deportivos que podrían beneficiarse con los
materiales inteligentes o con la tecnología de los MEM. Mencione las razones
concretas de la idoneidad de la aplicación.
 Acelerómetros en los automóviles modernos para un gran número de
finalidades, entre ellas el despliegue de colchón de aire (airbag) en las
colisiones.
 Acelerómetros en dispositivos de electrónica de consumo, tales como
controladores de juegos (Nintendo Wii), reproductores multimedia
personales y teléfonos móviles (Apple iPhone) y una serie de cámaras
digitales (varios modelos canon digital idus). También se usa en ordenadores
para estacionar el cabezal del disco duro cuando es detectada una caída libre,
para evitar daños y pérdida de datos.
 Cerámica piezoeléctrica esta desarrolla una tensión eléctrica cuando está
estresado y puede ser utilizado en sistemas activos de amortiguación para los
esquiadores y los jugadores de tenis, con el objetivo de reducir al mínimo las
lesiones y mejorar el rendimiento.
 En ciclismo, golf y tenis, donde los materiales y el cambio de diseño de
raquetas ha aumentado la velocidad y el poder de sirve, pero la insatisfacción
causada público mediante la reducción de la longitud de rallys en los torneos
jugados sobre superficies rápidas, como la hierba en Wimbledon.
 Se utilizan para hacer ropa deportiva, tales como trajes de neopreno, y con
otras fibras para hacer ropa cómoda con un ajuste perfecto.
 Relojes que contabilizan la altura y presión, en caso de alpinistas.

17.  Dispositivos piezoeléctricos para detectar las vibraciones y oposición y
cancelación a cabo. Esto es posible porque los materiales piezoeléctricos
actúan como sensores y actuadores.
14. ¿Qué son los nanotubos? Mencione algunos ejemplos de su aplicación a
materiales estructurales como los compuestos.
Se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del
nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de
boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.
Aplicaciones:
 Electroquímicas: Una importante aplicación de los nanotubos, dada su gran
superficie y su baja resistividad, es la electroquímica, como el desarrollo de
supercondensadores, dispositivos para el almacenamiento de hidrógeno y
fabricación de celdas solares.
 Electrónica: De entre las múltiples aplicaciones de los nanotubos de carbono,
quizá las más interesantes se encuentren en el dominio de la electrónica, ya
que éstos pueden desempeñar el mismo papel que el silicio en los dispositivos
electrónicos pero a escala molecular, donde los semiconductores dejan de
funcionar.
Además, debido a que los avances en la industria electrónica se basan en la
miniaturización de los dispositivos, que conlleva un aumento en el
rendimiento de la velocidad de proceso y la densidad de los circuitos, será
necesario utilizar nanotubos de carbono en su fabricación. Los nanotubos de
carbono pueden ser utilizados para fabricar múltiples dispositivos entre los
que destacan los transistores y las memorias informáticas.
Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian sus
propiedades eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales:

18.  Automóviles: Mangueras antiestáticas de combustible
 Automóviles: Partes plásticas conductoras para pintado spray electrostático
 Aeroespacial: Partes de aviones
 Packaging: Antiestático para electrónicos
 Tintas conductoras
 Materiales extremadamente negros: La sustancia más oscura conocida, hasta
la fecha, se ha creado a partir de nanotubos de carbono.
 Deportes: Debido a la alta resistencia mecánica de los nanotubos, se están
empezando a utilizar para hacer más fuertes las raquetas de tenis, manillares
de bicicletas, palos de golf, y flechas de última generación.
 Como adsorbentes: Los nanotubos de carbono poseen una elevada área
superficial, su estructura porosa y en capas es ideal para almacenar diversos
elementos y sustancias químicas.