materiales, ciencia

2. Material:
Porción de materia que se procesa para que adquiera una
forma a la que se le da un uso particular para desarrollar una
actividad específica.

3. Materiales
Los materiales son la base para la producción en la industria
de manufactura (procesos de manufactura), suelen llamarse
materia prima.
En un principio están sin procesar, pero en la mayoría de los
casos se aplican procesos de manufactura para convertirse en
productos finales o intermedios útiles al hombre.

5. Relación: Estructura-Propiedades-Procesamiento-Desempeño
CIENCIA E
INGENIERIA DE
MATERIALES
Propiedades
Estructura / Composición
Síntesis / Procesamiento
Desempeño en servicio

7. Los materiales han tenido un gran impacto en la evolución de
la humanidad, estos han sido la clave del progreso.
Todas las civilizaciones han sido catalogadas por los materiales
que han usado, la edad de piedra, la del bronce, etc. Sin
embargo en tiempos recientes los materiales han progresado,
no en décadas o siglos, sino en meses.

8. Cementado de Cu-calamina
por fusión
de Cu-Zn
latón
Zn
meteórico primeras reducciónes carburación y temple revenido
coque y
conversión
Fe
reducción de reducción de
casiterita aluvial mineral de veta
Sn
casioterita fusión de Cu y Sn
Cu crudo
Bronce
de galena afinado
Pb
Nativa de galena afinada
Ag
Nativo nativo reducción de tostación y fusión
recocido menas oxidadas de menas sulfuradas
Cu
Nativo
Au
METALES
Textos
Coque
Mecanización
Copelación Licuefacción
Carburación Amalgación
y temple
Tostación
de menas
sulfuradas
Reducción
de menas
oxidadas
Recocido
del Cu
nativo
PROCESO
5000 1000 +
1000 2000
4000 3000 2000
Materiales Magnéticos
Superconductores
Nanomateriales
Polímeros

9. HISTORIA DE LOS METALES
 Los procesos metalúrgicos se remontan a 6 000 AC
 Los primeros metales: Au (gold) (6 000 BC) y Cu (copper) (4 200 BC)
 Los siete metales de la antiguedad fueron: Au (Gold- 6000BC), Cu
(Copper- 4200BC), Ag (Silver -4000BC), Pb (Lead -3500BC), Sn (Tin -
1750BC), Hierro fundido (Smelted Iron -1500BC) y Hg (Mercury -
750BC)
 Tres fueron nativos y utilizados por: mesopotámicos, egipcios, griegos y
romanos.
 A excepción del hierro y el bronce (Cu-Sn) los demás
no eran metales estructurales, el Au y la Ag fueron usados
para monedas, joyería y ornamentación.
 Solo 24 fueron descubiertos antes del siglo XIX
 Actualmente se conocen 86 metales.

10.  El cobre se encontró en forma nativa en Chipre, el cual fue trabajado
para convertirlo en diferentes componentes. Después del conformado este
se fragiliza, por lo que aprendieron a recocerlo en las fogatas.
Láminas de Cu fueron conformadas alrededor del 5 000 AC .
Productos fundidos de Cu del año 3 600 AC se encontraron en el valle del
Nilo.
La fudición de minerales de estaño con minerales de cobre produjo un
nuevo tipo de “cobre”, más fácil de fundir y más fuerte en estado sólido,
(descubrimiento del BRONCE).
A partir de Hematita (óxido de hierro) se obtuvo el primer HIERRO
FUNDIDO usando como reductor el carbón. Se hizo mezclando mineral de
hierro, carbón y fundente (lime), como se hace en la actualidad en los altos
hornos, e inyectando aire mediante sopladores. En aquel tiempo las
temperaturas máximas alcanzadas fueron de los 1100 °C era muy difícil
alcanzar la reducción del mineral.

11. Reducción del Mineral de Hierro
3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2
2Fe3O4 + 2CO 6FeO + 2CO2
6FeO + 6CO 6Fe + 6CO2
Magnetita (Fe3O4)
Arrabio o Pig Iron,
producto del alto horno
Caliza (CaCO3)
Coque

12. Se obtuvo arrabio (Pig Iron): 3 a 4 %C, 1 a 2 % Si, mezclado con escoria. Al
enfriarse al estado pastoso se cortaba y forjaba en forma de barras. Frío era muy
difícil de forjar.
Para obtener un hierro para forja (hierro conformable o wrougth iron), fue
tostado y pudelado para remover el exceso de carbón y escoria. El producto fue un
hierro dúctil mezclado con poca escoria. Cuando se forjaba a 750 C, la mayoría de
la escoria se eliminaba.
Placas: fueron forjada para producir las famosas espadas de Toledo.
Las armas de hierro revolucionaron la guerra, así como los utensilios usados por
granjeros en la agricultura.
De esta forma el hierro y el acero llegaron a ser: EL CIMIENTO DE LA
SOCIEDAD MODERNA.

13. EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES
Materiales Naturales: madera, pieles, resinas, hule y las fibras
(polímeros y elastómeros), la piedra, el cemento, la arcilla (para
cerámica) fueron desplazados por metales procesados, como el
hierro, el acero, las superaleaciones, etc. en el período de 10 000 AC
hasta 1950.
Con la llegada de los polímeros sintéticos y los elastómeros, el
descubrimiento de los materiales compuestos (composite) reforzados
con fibras, así como el crecimiento de los cerámicos y vidrios
ingenieriles, los materiales metálicos han reducido su crecimiento a
partir de 1950.

14. PROGRESOS EN MATERIALES
ESTRUCTURALES
Una medida del progreso de los materiales es el incremento
de la relación resistencia/densidad llamada “RESISTENCIA
ESPECÍFICA” (SDR Strength/density ratio))
Unidad típica de resistencia: N/m2 llamados Pascales es más
común usar los Mega-Pascales (Mpa) y los Giga-Pascales
(Gpa), en el sistema ingles son los psi (lb/in2)
La relación SDR es una medida del peso que se ahorra
cuando se alcanza una resistencia igual con diferente
material.
Desde el principio de los tiempos la piedra y la madera han
sido utilizados como materiales estructurales, la piedra
trabajando en condiciones de presión y la madera en
condiciones de tensión o compresión en dirección a la
orientación de sus fibras.

15. PROGRESOS EN MATERIALES
ESTRUCTURALES
Los primeros materiales para ingeniería fueron
naturales.
El material con mayor SDR es sorprendentemente la
madera la cual es mayor a 8x105 in
Los primeros metales estructurales fueron el cobre,
aleaciones base cobre (bronce) el hierro colado y el
hierro conformado (wrougth iron)
Los metales son más fuertes que la madera y la piedra
en resistencia absoluta, pero son más pesados
(densos), por lo que sus SDR son del orden de
0.4x105 in y 1.2x105 in.
El hierro conformado para armamamento, así como
los utensilios agrícolas revolucionaron la guerra y
la agricultura, en conjunto con el acero fueron los
materiales que revolucionaron la civilización.
Puente de madera
Puente de acero
Puente de hierro

16. PROGRESOS EN MATERIALES
ESTRUCTURALES
El SDR se ha incrementado espectacularmente en 50
veces en los últimos 15 años
Por Ejemplo: Para suspender un peso de 25 Ton. se
utilizan barras cilíndricas de hierro colado (Resistencia
= 50 000 lb/in2) que deben generar un área transversal
de al menos 1.0 in2, (equivalente a un radio de 0.56 in) y
un peso de 4 lb/ft.
El mismo peso puede ser suspendido con una cuerda
(trenzada) de fibras de polímero de alta resistencia con
un área transversal de 0.10 in2 (radio de 0.18 in), con
peso de 1 oz/ft.
Estos avances tienen aplicaciones para aligerar
componentes: puentes, armazones para lentes, raquetas,
componentes para autos, camiones y aviones y con
menor consumo de combustibles.

17. PROGRESO EN MATERIALES MAGNÉTICOS
En los años 80´s se obtuvieron magnetos 100 veces más potentes que los
ferromagnetos tradicionales a través del desarrollo de magnetos NdFeB.
La importancia de esto es la reducción en el tamaño y peso de los motores
eléctricos industriales.
Se hizo posible la miniaturización debido a su alta eficiencia: surgen los
primeros walkman, reproductores de CD, Ipod, grabadoras-reproductoras,
discos para almacenaje de computadoras (7 ½, 5 ½, 3 ½, CD 700 MB, memorias
USB (1 a 8 GB), memorias ultradelgadas de alta capacidad (200 GB),
computadoras (laptop y notebook superligeras), etc.

18. NUEVOS MATERIALES
PROGRESO EN SUPERCONDUCTORES
SUPERCONDUCTIVIDAD (SC): Escencialmente equivale a cero resistencia
eléctrica, fue descubierta en 1911.
La SC ocurre solo debajo de la llamada temperatura crítica (Tc)
En los años 70, la Tc alcanzada fue solo 23 K arriba del cero absoluto, es decir –
250 C, la cual no es una temperatura práctica para la mayoría de las
aplicaciones, se utilizaron aleaciones metálicas o intermetálicas.
En los inicios de 1986, los científicos trabajaron con una nueva clase de material
–ciertos óxidos cerámicos-, los cuales funcionan como superconductores a
altas temperaturas, 30 K, para finalmente trabajar a 125 K.
Con estos descubrimientos, se ha progresado para que ciertos materiales
trabajen en aplicaciones útiles a temperaturas más razonables.

20. RESUMEN

22. 1. Metales
2. Cerámicos
3. Polímeros
4. Compósitos
5. Nanomateriales
6. Biomateriales
7. Semiconductores
8. Superaleaciones
9. Vidrios
10. Cemento y Concreto
Cerámicos
Metales
Polímeros
Compósitos
Clasificación
Básica
Clasificación
Moderna

23. Clasificación de las aleaciones metálicas de acuerdo al
metal base
Aceros
Hierros colados
Base Aluminio (ligeras)
Base Cobre
Base Titanio (semiligeras)
Base Magnesio (Ultraligeras)
Otras: Base Ni, Base Co, Base Pb
Base Zn, Preciosas, Refractarias, etc.
FERROSAS
NO FERROSAS

24. Obtención de Acero

25. ACEROS:
1.- Aleación binaria Fe-C
2.- Contenidos máximos de 2 % de Carbono
3.- Elementos aleantes: Cr, Ni, Mo, V, Ti, Mn.
4.- Impurezas indeseables como: S, P y Mn.
5.- Pueden deformarse en frío o en caliente.
HIERROS COLADOS:
1.- Aleación ternaria Fe-C-Si
2.- Contenidos máximos de 2 a 5 % de Carbono
3.- Hasta un 2% Si y siempre contienen P, S y Mn.
4.-Adquieren su forma final por procesos de fundición
5.- No pueden ser deformados ni en frío ni en caliente

26. Composición química, propiedades y aplicaciones de aceros al carbono
ACEROS NOMENCLATURA
10 XX, EL 10 INDICA QUE ES UN ACERO AL CARBONO
XX NÚMERO QUE DIVIDIDO ENTRE 100 INDICA EL % C

27. Aplicaciones de aceros al carbono

28. Aceros Aleados

29. Aplicaciones de aceros aleados

30. Aceros Inoxidables (Stainless Steel): aceros con más del
12 % de Cr, algunos con adiciones de Ni, en los cuales se forma
un delgada película protectora de óxido de cromo cuando el
acero se expone al oxígeno
CLASIFICACIÓN
En base a su estructura y al mecanismo de endurecimiento:
INOXIDABLES FERRITICOS: tienen más del 30 % de Cr y
menos del 0.12 %C, su estructura es ferrítica, son
relativamente baratos. Ejms: 430, 442
INOXIDABLES MARTENSITICOS: su % Cr generalmente es
menor al 17%, contienen de 0.1 hasta 1 %C, tienen alta
templabilidad, por lo que adquieren elevadas durezas. Ejms.
416, 431, 440
INOXIDABLES AUSTENÍTICOS: contienen además del Fe, altos
contenidos de Cr y Ni (estabilizador de la austenita). El
contenido de C es menor al 0.03 %. Son muy dúctiles y más
resistentes a la corrosión que los ferríticos, pero son caros.
Ejms: 201, 304, 304L, 321

31. Aplicaciones de Aceros Inoxidables
(resistentes a la corrosión)

32. Clasificación en base a la microestructura
H. Nodulares
H. Grises
H. Vermiculares
H. Blancos
Hierros colados (Cast Iron)

33. Table 2. Grades of Automotive Gray Iron Castings
Designated by Brinell Hardness as in Specification SAE J431
SAE
Grade
Specified
Hardness BHN*
Minimum Tensile
Strength
(for design purposes)
psi &nbspMPa
Other
Requirements
G1800 187 max 18,000 124
G2500 170-229 25,000 173
G2500** 170-229 25,000 173 3.4% min C and
microstructure
specified
G3000 187-241 30,000 207
G3500 207-255 35,000 241
G3500b** 207-255 35,000 241 3.4% min C and
microstructure
specified
G3500c** 207-255 35,000 241 3.5% min C and
microstructure
specified
G4000 217-269 40,000 276
*Hardness at a designated location on the castings
**For applications such as brake drums, disc and clutch plates to resist thermal shock
Hierros Grises o Grafilaminares

34. ASTM A 536 DUCTILE IRON CASTINGS
Tensile Requirements
Grade
60/40/18
Grade
65/45/12
Grade
80/55/06
Grade
100/70/03
Grade
120/90/02
Tensile strength, min, psi 60 000 65 000 80 000 100 000 120 000
Tensile strength, min, MPa 414 448 552 689 827
Yield strength, min, psi 40 000 45 000 55 000 70 000 90 000
Yield strength, min, MPa 276 310 379 483 621
Elongation in 2 in. or 50 mm,
min, %
18 12 6.0 3.0 2.0
Tensile Requirements for Special Applications
Grade
60/42/10
Grade
70/50/05
Grade
80/60/03
Tensile strength, min, psi 60 000 70 000 80 000
Tensile strength, min, MPa 415 485 555
Yield strength, min, psi 42 000 50 000 60 000
Yield strength, min, MPa 290 345 415
Elongation in 2 in. or 50 mm, min, % 10 5 3
Hierros Nodulares o Dúctiles

35. Austempered ductile iron suspension
arm for a Ford Mustang Cobra

36. ALEACIONES BASE ALUMINIO
 Aleaciones para fundición (Cast alloys)
 Aleaciones para procesos metalmecánico
(Wrougth alloys)

37. Obtención de Aluminio

38. CLASIFICACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO
Al
Zn
Mg
Cu
Mn
Si
Al-Cu
Al-Cu-Mg
Al-Mg-Si
Al-Zn-Mg
Al-Zn-Mg-Cu
Al-Si-Cu
Al-Mg
Al-Si
Al-Mn
Metal Base
Aleantes
Aleaciones
para fundición
Aleaciones para
procesos
metalmecánico
Aleaciones
tratables
térmicamente

39. ALEACIONES BASE ALUMINIO PARA FUNDICIÓN(CAST ALLOYS)
DESIGNACIÓN DE ALEACIONES PARA TABAJADO METALMECÁNICO
(WROUGHT ALLOYS)

40. Ejemplos de aleaciones coladas base aluminio

41. Aleaciones base aluminio para procesos metalmecánicos
(metalworking)
AM

44. Plásticos Termoestables: Resinas fenólicas,
resinas úranicas, resinas melamínicas, resinas
epóxicas, poliésteres, poliuretanos.
Endurecen bajo la acción del calor, la presión y
su endurecimiento es irreversible por haber
sufrido una modificación en su estructura
química, a nivel molecular, ya no se pueden
remoldear o ablandar bajo la acción del calor y
presión.
Los plásticos termoestables son comparables a
la arcilla, que una vez endurecida con el calor
(cocida), su forma es definitiva.

45. Melamina Resina fenólica
Resina epóxica
Termofijos (Thermoset Plastics)

46. Moldeo por compresión
Moldeo por transferencia
Moldeo por inyección
Procesos de Manufactura

47. Plásticos Termoplásticos: Polivinílicos, poliestirénicos,
poliamidas, policarbonatos, polietilénicos,
polimetacrilatos, politetrafluoretilenos, elastómeros.
El calor les da plasticidad y fluidez, así se pueden
inyectar a presión en un molde determinado, adoptando
la forma del hueco del molde, se pueden laminar, etc.,
pero endurecen tan pronto como se enfrían. Los
termoplásticos se pueden remoldear, por consiguiente
pueden aprovecharse las piezas defectuosas, los
recortes, etc.
Haciendo una analogía, se podrían comparar con la cera,
que se endurece con el frío y cuyo endurecimiento no es
definitivo, pues con el calor se reblandece y puede ser
nuevamente moldeada.

48. Termoplásticos (Thermoplastics)
POLYAMIDA (NYLON)
POLIAMIDA REFORZADA
POLYACETAL
POLICARBONATO
POLIESTER

49. Procesos de manufactura
(Termoformado, Moldeo por soplado, Extrusión, laminado)

50. Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se
permite que ocurra una ligera transformación de enlaces
cruzados entre las cadenas moleculares.
Los elastómeros son capaces de deformarse elásticamente en
grandes magnitudes sin cambiar de forma permanentemente.
Los elastómeros típicos son polímeros amorfos, no cristalizan
fácilmente. Tienen una baja temperatura de transición vítrea y
las cadenas se pueden deformar elásticamente con facilidad al
aplicar una fuerza.
Elastómeros termoplásticos, no se basan en los enlaces
cruzados para producir gran cantidad de deformación elástica.
Se comportan como termoplásticos a temperaturas elevadas y
como elastómeros a temperaturas bajas. Este comportamiento
permite que se puedan reciclar con mayor facilidad que los
elastómeros convencionales.

51. Butadieno
Látex (natural rubber)

52. Extrusión
Colada de Uretano
Procesos de Manufactura

53. Si bien existen más de 100 tipos de plásticos,
los más comunes son sólo seis, y se les
identifica con un número dentro de un
triángulo para efecto de facilitar su clasificación
para el reciclado, ya que las características
diferentes de los plásticos exigen generalmente
un reciclaje por separado.
Triángulo Möbius

54. Clasificación del Sistema de Identificación Americano
SPI (Society of Plastics Industry)

56. NOTA: Cuanto más bajo es el número, más sencillo resulta su
reciclado.

58. Cerámicos Tradicionales: Formados por tres compuestos
básicos: arcilla (clay), silice (flint), y feldespato. Ejm:
ladrillos para construcción, mosaicos, porcelanas, barros,
arcillas para piezas decorativas o de cocina, etc. Sus
composiciones químicas son muy complejas.
Cerámicos para Ingeniería: Son compuestos puros a
cercanos a 100 % de pureza, por ejm: carburo de silicio SiC,
Alúmina Al2O3, carburo de boro BC, sílice SiO2, óxido de
magnesio MgO, óxido de zircón ZrO, nitrúro de silicio Si3N4.
Ejemplos de aplicaciones: componentes para turbinas,
óxidos de soporte para circuitos integrados, refractarios
para hornos de alta calidad, aislantes térmicos y eléctricos,
pinturas refractarias, etc.

60. Cerámicos Ingenieriles
• Compuestos puros o casi puros
• Alúmina (Al2O3): refractarios, crisoles de alta pureza, aislantes
eléctricos de alta calidad, abrasivo, etc.
• Nitruro de silicio (Si3N4): herramientas de corte, insertos
• Carburo de silicio (SiC): para materiales compuestos (fibras o
partículas), crisoles, abrasivo, discos de corte, afilado de
herramientas, etc.
• Zircónia (ZrO2): tiene alta resistencia a la fractura, se aplica en:
pinturas refractarias, refractarios para hornos, etc.

62. Condiciones de trabajo de un refractario para
horno de fusión de metales.

63. Los cerámicos técnicos se pueden clasificar en
tres distintas categorías:
-- Óxidos: Alumina, zirconia
-- No-óxidos: Carburos, boruros, nitruros,
siliciuros.
-- Compositos: Reforzado con partículas,
combinación de óxidos y no-óxidos.
Cada una de estas clases puede desarrollar
propiedades únicas.

64. Columbia
Challenger

67. Un Material Compuesto es manufacturado por el
hombre y esta formado por dos materiales conocidos
como constituyentes, es decir es la combinación o
ensamble de dos fases separadas las cuales quedan
íntimamente unidas; una de ellas es un material
discontinuo el cual se conoce como material de refuerzo
y el otro es un material continuo con propiedades
mecánicas menores conocido como matriz.
Lo anterior excluye a las aleaciones de composición
eutéctica, precipitados secundarios o segregaciones
resultados de procesos tales como solidificación o
tratamiento térmico.

68. Metal + Cerámico = Compuestos de matriz metálica
(MMC) o matriz cerámica (CERMET)
Cerámico 1 + Cerámico 2 = Composito cerámico o
Cerámico reforzado (Fibras, hojuelas o partículas)
Vidrio + Fibra de cerámico = Vidrio cerámico
Fibra de Carbon + Resina (Termofija)
Fibra de Vidrio + Resina (Termofija)
Fibra de Polímero + Resina (Termofija)
Termofija = Termoestable

69. De matriz metálica: Al-SiC, Mg-Al2O3, Al-Mg-SiO2
Al-Si-SiC, Al-Cu-Al2O3
De matriz cerámica: SiC-Al2O3, SiO2-MgO, TiO2-MgO
De matriz polimérica: metilmetacrilato-SiO2
resina- Al2O3 , aramid-carbón
Otros: maderas-formaica, concretos y cementos,
concreto-varilla, etc.

70. Al-SiC (partículas) Al-Al2O3 (fibras)
Cu-C (fibras)
Ti-SiC (fibras)

71. b
AUTOMOTRIZ
c
c
AERONÁUTICA
INDUSTRIAL
a
DEPORTIVA

73. Propiedad Metales Cerámicos Vidrios Polímeros Cemento y
Concreto
Compósitos
Resistencia a la Tensión E M B M B A-M-B
Resistencia a la
Compresión
M A B A A A-M-B
Resistencia a la Flexión A M B A M A-M-B
Resistencia al Desgaste A A B M B A-M-B
Dureza A-M A M B M A-M-B
Tenacidad A A B A B A-M-B
Plasticidad A B N A N A-M-B
Densidad A-M M-B M-B M-B M-B A-M-B
Conductividad térmica A B B N B A-M-B
Conductividad eléctrica A M-B N N N A-M-B
Propiedades Magnéticas E E N N N A-M-B
E = Excelente, A = Alta, M = Media, B = Baja, N = Nula

74. Metales: Cerámicos: Polímeros:
-- Colado
-- Soldadura
-- Forjado
-- Trefilado
-- Extrusión
-- Laminado
-- Doblado
-- Pulvimetalurgia
-- Maquinado
-- Colado
-- Conformado
-- Extrusión
-- Compactación
(Generalmente con
un grado de
humedad y
después se
desecan y sus
componentes se
aglutinan a
elevadas
temperaturas)
-- Moldeo por
Inyección de
Plástico
Reblandecido
(Semejante al
Colado)
-- Extrusión
-- Conformado