Estoy seguro que de algo les servirá para los estudiantes de ingeniería

1. 1
Objetivo de la Unidad de Aprendizaje
El alumno describirá la estructura tanto atómica como cristalina y las
propiedades de los materiales en base a sus enlaces atómicos.
Identificará los defectos en los metales de acuerdo a los mecanismos
de deformación y endurecimiento.
Unidad I
FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

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Contenido de la Unidad
1. Introducción y Clasificación de los materiales por su estructura o
propiedad
2. Enlace atómico y estructura atómica
3. Difracción de rayos X
4. Defectos cristalinos
5. Difusión de sólidos
6. Mecanismos de deformación
7. Mecanismos de endurecimiento

3. 27/02/2024 3
1. Introducción y Clasificación de los materiales por su estructura o
propiedad
2. Enlace atómico y estructura atómica
Objetivo de la Semana 1
El alumno se relacionará con la clasificación de los materiales de
acuerdo con sus propiedades y/o estructura. Además, obtendrá las
herramientas necesarias de selección de los materiales para su
incorporación en el diseño de un producto.
Finalmente se recordaran conceptos básicos sobre la estructura
atómica de la materia.

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Semana I. Introducción y Clasificación de los materiales por su
estructura o propiedad
En nuestra vida diaria nos vemos relacionados con el uso de equipos y/o
aparatos tecnológicos. Un ejemplo de ellos es el teléfono celular, las
pantallas de LCD en los televisores, entre otros (Figura 1).
Figura 1. Aparatos de uso común
que involucran el desarrollo de
nuevos materiales [1]
Estos aparatos han sido generados
gracias al desarrollo de nuevos
materiales como: conductores,
polímeros, cristales líquidos, entre
otro.

5. 5
Al principio de los tiempos, el ser humano utilizaba los materiales que se
encontraban a su alcance (Figura 2) para poder satisfacer necesidades. Por
ejemplo la madera la empleaba para fabricar mesas, la piedra para construir
sus casas, el cuero de los animales para vestimenta.
1.1 Clasificación Antigua de los Materiales
(a)MADERA
(c)ARCILLA
(b)PIEDRAS
(d)CUERO
Esta clasificación se basa
en el uso y aplicación de
los materiales de forma
natural.
Figura 2. Materiales de uso común
para el hombre [2]

6. 6
Actualmente un sinfín de MATERIALES de diferente naturaleza y
propiedades especificas son empleados. En la Figura 3 se muestran
dos ejemplos de desarrollo tecnológico donde los materiales juegan
un papel importante en su mejora.
Por ejemplo en la industria de la
construcción (Figura 3a) se continua
empleando la piedra, pero ahora esta
diseñada de manera que al controlar
el tamaño y ciertas propiedades se
genera el concreto. En la industria
automotriz (Figura 3b) se emplean
materiales complejos que permiten
absorber la energía del impacto en un
choque.
Todos estos materiales han sido producto de relacionar y modificar
las propiedades de los materiales, con el fin de lograr un beneficio en
la vida y en los servicios requeridos por la humanidad.
Figura 3. Aplicación de materiales en diferentes
áreas tecnológicas (a)Construcción (b) Automotriz
(a) (b)

7. 7
CIENCIA DE LOS MATERIALES
Se define como la disciplina científica que se interesa
primordialmente por la búsqueda del conocimiento básico acerca de
la estructura interna, las propiedades y la elaboración de los
materiales.
INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
Se define como la disciplina de Ingeniería 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.
La Ciencia e Ingeniería de los materiales, son disciplinas que se encargan del
desarrollo, fabricación e innovación de los materiales. A continuación
definiremos ambas:
1.2 Definición de Ciencia e Ingeniería de los Materiales

8. 8
Se puede decir que la generación de los nuevos materiales como los
compositos, nanomateriales, superconductores, ect. Han involucrado
el trabajo e ingeniería y ciencia de los materiales, como se indica en
el Esquema 1.
Se
enfoca
en…
LA CIENCIA
DE
MATERIALES
Estructura
Propiedades
INGENIERÍA DE
MATERIALES
D
I
S
E
Ñ
O
Composición
Esquema 1. Interrelación entre
Ciencia e Ingeniería de los Materiales

9. 9
Actualmente los materiales se clasifican en varios grupos:
1. Metales
2. Polímeros
3. Cerámicos
4. Semiconductores
5. Materiales Compuesto
Cada una de estas clasificaciones
van ha ser explicadas a detalle
más adelante. Se abordaran las
propiedades principales que
caracterizan a cada tipo de
material.
Esta clasificación se basa en el comportamiento de los materiales
que queda definido por su estructura.
1.3. Clasificación Actual de los Materiales

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1.3.1 Metales o Materiales Metálicos
Ventajas Desventajas Ejemplos
•Todavía cuentan con una gran utilidad
debido a sus propiedades mecánicas.
•Dureza
•Alta resistencia al impacto
•Tenacidad
•Gran capacidad de adoptar una forma
permanente
•Son muy dúctiles
•Presentan buena conductividad
eléctrica y térmica
•Alta densidad
•Muy
Susceptibles a la
Corrosión
(Agentes
químicos
agresivos)
•Cobre
•Níquel
•Titanio
•Zinc
•Magnesio
•Hierro
Son materiales que tienen características generales de buena ductibilidad,
maleabilidad, resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica. La Figura
4 muestra ejemplos de metales y en la Tabla 2 se muestran las Ventajas y
desventajas de este grupo de materiales.
Figura 4. Ejemplos de Metales (a) Cobre
(b) Aluminio
Tabla 2. Ventajas y desventajas de los metales

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1.3.2 Materiales Poliméricos
Ventajas Desventajas Ejemplos
•Fácilmente
deformables o
Extraordinaria
Flexibilidad
•Resistentes a
medios agresivos
•Baja densidad
•Bajas propiedades
mecánicas
•Deterioro a bajas
temperaturas
•(200 – 300°C)
•Baja conductividad
eléctrica, térmica.
•Caucho
•Hule
•Plásticos
•Adhesivos
•Comodits
•Polímeros de ingeniería
Tabla 3. Ventajas y desventajas de los Polímeros
Grupo de materiales obtenidos al unir moléculas orgánicas (monómero) en
cadenas o redes gigantes. Se caracterizan por tener baja resistencia mecánica,
bajo punto de fusión y pobre conductividad eléctrica. En la Figura 5 se
muestran ejemplos de polímeros y en la Tabla 3 las principales ventajas y
desventajas de estos materiales.
Figura 5. Ejemplos de polímeros (a)

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1.3.3. Materiales Cerámicos
Ventajas Desventajas Ejemplos
•Utilizados comúnmente como
aislantes.
•Gran dureza.
•Elevada resistencia a la
compresión
•Elevado punto de fusión
•Resistentes a muchos medios
agresivos químicamente.
•Fragilidad (Aunque
se esta mejorando).
•Baja conductividad
eléctrica y térmica.
•Ladrillo
•Vidrio
•Porcelana
•Refractarios
•Abrasivos
Tabla 3. Ventajas y desventajas de los cerámicos
Figura 6. Ejemplos de cerámicos (a)
Cobre (b) Aluminio
Materiales que se caracterizan por tener buena resistencia mecánica, alta
dureza, pero mala conductividad eléctrica y altos puntos de fusión. En la Figura
6 se muestran ejemplos de cerámicos y en la Tabla 3 se muestran las ventajas
y desventajas de estos materiales.

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1.3.4 Materiales Semiconductores
Ventajas Ejemplos
•Aumentan su conductividad al
incrementar su temperatura
•Control de la conductividad
para el uso de dispositivos
electrónicos como transistores
y circuitos integrados
•Silicio
•Germanio
•Fibras ópticas
Tabla 4. Ventajas de los semiconductores
Grupo de materiales que tienen una conductividad eléctrica intermedia. Su
principal aplicación son los electrónicos, en circuitos integrados, etc. La Figura
6 muestra un ejemplo de un semiconductir y en la Tabla 4 se dan las ventajas
de estos materiales
Figura 6. Ejemplos de semiconductor

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1.3.5 Materiales Compuestos
Ventajas Ejemplos
•Mezcla de materiales
de diferente naturaleza
•Se obtiene materiales
•Ligeros
•Fuertes
•Dúctiles
•Resistentes a altas
temperaturas
•Materiales tipo
Sándwich
•Materiales con alta
resistencia al impacto
Grupo de materiales formados por la mezcla de polímeros, metales y
cerámicos. En estos materiales se obtienen propiedades poco comunes.
Estos materiales se han aplicado en la industria aeronáutica, automotriz,
etc. En la Figura 7 se muestran ejemplos de materiales compuestos y en la
Tabla 5 las ventajas y desventajas de estos materiales.
Figura 7. Ejemplos de materiales
compuestos (a)
Tabla 5. Ventajas de los materiales compuestos

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1.4 Clasificación de los Materiales dependiendo de su
estructura o Función
(a) Materiales Estructurales (b)Materiales Funcionales
Propiedades físicas
Propiedades Mecánicas
Resistencia
Rigidez
Ductilidad
Impacto
Fatiga
Termofluencia
Desgaste
Comportamiento:
Eléctrico
Magnético
Óptico
Térmico
Elástico
Químico
Además todo material puede ser clasificado dependiendo de su estructura o
función (Esquema 2). Al controlar la estructura de un material se controlan
propiedades mecánicas como son la dureza; a estos materiales se les conoce
como Estructurales.
Por otra parte se puede
controlar o diseñar un
material en base a su
función, Material
Funcional. En este caso se
controlan las propiedades
físicas como son las
magnéticas, ópticas,
eléctricas, etc.
Esquema 2. Clasificación de Materiales
(a) Estructurales (b) Funcionales

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Para diseñar un material es necesario tener en cuenta varios aspectos, los
cuales se muestran en el Esquema 3. Las propiedades que se desean en el
material y la estructura interna del material son el primer aspecto que
debe controlarse. Por ejemplo, si se desea un material conductor de la
electricidad; no puede proponerse un cerámico ya que este es un aislante,
por lo tanto debe considerarse un metal o un polímero conductor .
1.4 Diseño de un material
Además debe considerarse el método de procesamiento o fabricación y
con ello el costo de la producción. Si el método de fabricación es caro, el
material no podrá ser comercializado. Por otro lado, el método de
fabricación puede afectar propiedades del material.

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De acuerdo con el Esquema 3, para seleccionar un material debemos
hacernos las siguientes preguntas:
◦ ¿Para que se va a utilizar el material?
◦ ¿Qué propiedades debe tener?
◦ ¿Bajo que condiciones va a estar sometido?
◦ ¿Qué tipo de degradación sufre el material?
◦ ¿Cuánto Cuesta?

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Ejemplo del Diseño de un Material
Ejemplo 1. Se debe seleccionar un material para los contactos
eléctricos de un conmutador que frecuentemente se abre y se cierra
con fuerza.
(a) ¿Que propiedades deberá poseer el material del contacto?
Solución:
Las propiedades que debe tener el material de acuerdo a su aplicación
son:
1) Debe ser un buen conductor de la electricidad
2) Debe presentar una buena resistencia mecánica
Los materiales que presentan estas
propiedades son:
Metales  Buenos Conductores de electricidad
Cerámicos  Alta resistencia mecánica. Dureza

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El material que se desea debe tener ambas propiedades (alta
resistencia mecánica y conductividad eléctrica) por lo cuál se
diseña un material compuesto:
Metal/Cerámico
(b) ¿Será una buena opción la alúmina, Al2O3. Explique por qué?
La alúmina es un cerámico, por lo tanto es un mal conductor de la
electricidad y no podría ser empleado para la fabricación del material.
Sin embargo, puede ser empleado como aditivo del
metal para la fabricación del material compuesto
Metal/Cerámico

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Ejemplo 2. Se desea producir un material compuesto basado en
aluminio y polietileno con densidad de 1.5 g /cm3. Diseñe un
material, si la densidad del polietileno es de 0.95 g/cm3 y la del
aluminio de 2.7 g/cm3. .
Solución
El material compuesto será una mezcla de aluminio y polietileno, por lo
tanto la densidad del compuesto estará dada por:
Donde x e y son la
composición en % de
Aluminio y polietileno en
el compuesto
r compuesto = 2.7 g/cm3 x + 0.95 g/cm3 y
Componente de Al al
compuesto
Componente de
polietileno al compuesto
------- Ec.1

21. 22
Se tiene una ecuación con dos incógnitas por lo cuál se le asigna valores a
x y se determinan los valores de y. Es decir, se fija una composición de Al
y se determina la de polietileno que corresponda.
Despejando y de la ecuación 1 se tiene:
Dando diferentes valores de x (0.1 a 0.9), se
tienen los datos de la Tabla 1.
Tabla 1. Concentraciones de
polietileno en el compuesto de
acuerdo con la concentración de Al.*
X, [Al] y
[Polietileno]
0 1.578
0.2 1.295
0.3 0.726
0.4 0.442
0.6 -0.126
0.8 -0.695
* [] simboliza concentración en
porcentaje en peso
Se requiere una concentración de polietileno
mayor al 100%.
Valores Negativos que indican que no son
reales
La concentración del Al deberá estar en los
rangos del 30% al 40% para obtener el
compuesto deseado.

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El material compuesto se formaría con el 30% de Al y el 70% de
polietileno
La densidad del material sería:
r compuesto = 2.7 g/cm3 (0.3) + 0.95 g/cm3 (0.70)
r compuesto = 1.475 g/cm3