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entarios sobre el; Revista de la Fa-

¡tar Nueva Grana-

!3,Bogotá.

ILTADDElNGENIEllfA

Aspectos

Básicosde los

Materiales

Usadosen

Ingeniería

JORGEALEXANDERApONTERODRíGUEZ.

HERNANDOA. VILI.AZÓNAMARís.

RESUMEN

E l estudio de los materiales ha sido objetode gran importancia en el desarrollo tec-

nológico a nivel mundial, pues gracias a éste lahumanidad ha logrado fabricar armas para de-fenderse de las otras especies y herramientaspara las labores agrícolas que nos dieron laposibilidad de tener civilizaciones sedentarias.Los materiales juegan un papel fundamental enel avance de la tecnología, y mediante el estu-dio y desarrollo de éstos, se han podido lograrmejores niveles de vida. fabricando automóvi-les, barcos, aviones, computadores y ahora esefascinante y complejo mundo conectado por losmodernos medios de comunicación.

Este artículo recopila algunos conceptosfundamentales acerca de los materiales paraingeniería. destacando la importancia y aplica-ciones de estos en el mundo de hoy.

.Docentesdel Departamento de lngenieria Mrcatrón;ca de la UniversidadMilitar "NuevaCranado".

ING.JORGE MONTE RODRíGUEZy OTRO

TIPOSDEMATERIALES

En ingeniería se habla convencionalmen-te de cinco tipos de materiales, estos son:

1. Metalesy sus aleaciones: hasta hace re-lativamente poco tiempo (mediados del sigloX), fueron los materiales de uso masivo paraproyectos de ingeniería; y aunque hoy vienensiendo desplazados de muchos campos de apli-cación por otros materiales, continuarán sien-do una alternativa muy importante en laselección de materiales.

Algunos de los metales de uso corrienteson: el hierro (Fe) el cual al igual que la mayo-ría de los metales no se utiliza solo, sino com-binado con otro elemento denominado aleantey que para el caso del hierro es el Carbono, for-mando el compuesto (aleación) conocido comoacero; el Oro (Au) y la Plata (Ag), así como elCromo, el Níquel, el Vanadio y el Titanio, sonapenas algunos ejemplos.

2. Cerámicos: son compuestos químicoscon contenidos de elementos metálicos (Al, Fe,Zn, etc) y no metálicos (Si, 0, N, C). Algunos delos usualmente conocidos son: ladrillo, vidrio,porcelana, alúmina.

3. Polímeros: son esencialmente molécu-las orgánicas (C e H), organizadas en cadenasgigantes con elevados pesos moleculares. Al-gunos de los más utilizados son el polietileno(bolsas de la basura), cloruro de polivinilo P.v.c.(fabricación de tuberías), poliéster (empleadoen algunas telas sintéticas), y el polietilen-terftalato PET (como recipiente de gaseosas ybebidas).

4. Semiconductores: Son materiales que secomportan como aislantes eléctricos, pero queal cambiarles algunas condiciones como son latemperatura, presión, luz, o alguna otra condi-ción física, cambian su comportamiento de

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aislantes a conductores eléctricos, lo que haceque encuentren su mayor campo de aplicaciónen la fabricación de componentes electrónicostales como tarjetas y microchips, entre otros.

Presentan características muy precisas encuanto a la conductividad eléctrica, que los haceindispensables en el desarrollo de muchos com-ponentes de tipo electrónico. El Silicio,Germanio y Arseniuro de Galio GaAs son algu-nos ejemplos.

5. Materiales compuestos: Son fabricadosmediante la combinación (no unión, ni mezcla)de dos o más materiales, buscando obtener pro-piedades que éstos no poseen de manera indi-vidual. El concreto, la fibra de vidrio, sonmateriales con las características mencionadas.

PROPIEDADESDELOSMATERIALES

Pueden ser categorizadas en dos grupos.

1. Propiedades mecánicas: describen la formacomo un material se comporta cuando estásiendo sometido a la acción de cargas (fuer-zas) o esfuerzos (fuerza por unidad de área).Las más importantes son:

1.1 Resistenciaa la tracción:para determinar-la se toma una probeta y se somete a la apli-cación de carga como se muestra en la figura1. Los resultados de ésta se grafican en unacurva Esfuerzo vs Deformación (figura 2) yde esta manera se determinan algunas ca-racterísticas particulares del material comoson el esfuerzo de fluencia (esfuerzo al cualel material cambia su comportamiento deelástico a plástico), el esfuerzo máximo quepuede soportar el material y el esfuerzo derotura.

1.2 Rigidez:con base en la curva esfuerzo -deformación se puede hallar una relación

FACULTADDE INGENIERÍA

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FFigura1. Probeta sometida a tracción

entre estas variables, denominada Módulo deYoung;a medida que ésta se hace más grandeseconsidera que el material es más rígido, yaque se necesitan esfuerzos muy grandes paralograr pequeñas deformaciones.

1.3 Ductilidad: tiene que ver con la capaci-dad que tiene un material para deformarseantesde romperse. Algunos materiales no ad-miten prácticamente ningún tipo de defor-mación antes de la ruptura, a estos sedenominan materiales frágiles, mientras queaquellos que experimentan grandes deforma-ciones antes de la ruptura se denominanmateriales dúctiles.

1.4 Dureza: Es la resistencia que opone unmaterial a ser penetrado o rayado.

1.5 Tenacidad: Indica la capacidad que presen-ta el material a absorber energías de impacto(resistencia al impacto), entendiendo impactocomo un golpe repentino que se proporcionaal material.Los materiales dúctiles son de muybuena tenacidad, mientras que los rígidos (ofrágiles) presentan baja resistencia al impacto.

UNIVERSIDADMILITAR "NUEVA GRANADA"

crcrmáx

crutays

eDeformación

ay

Figura 2. Gráfica del ensayo de resistencia a la tracción.Donde:F=esfuerzo.g=deformación unitaria.. Fmáx=esfuerzo máximo..Fut=esfuerzo último., Fys=esfuerzo de j/uencia.. I=zona de comporta-miento elástico, I/=zona de comportamiento plástico.

2. Propiedadesfísicas:

2.1 Comportamiento eléctrico de los materia-les: algunos materiales permiten el paso decorrientes eléctricas a través de ellos, y porésto son denominados conductores eléctri-cos; otros materiales no presentan esta ca-racterística y por eso son llamados aislanteseléctricos; existen otros materiales que bajoalgunas condiciones especiales (temperatu-ra, presión, luz, etc.) se pueden comportarcomoaislantes o conductores eléctricosy sonconocidos como semiconductores.

2.2 Comportamiento magnético de los materia-les: la mayoría de los materiales están expues-tos a la interacción con campos magnéticos, yalgunos pueden llegar a convertirse en mate-riales magnéticos o interferir en el comporta-miento de éstos.

2.3 Comportamiento óptico de los materiales:hace relación a la interacción de los mate-riales con radiaciones electromagnéticas via-jando en forma de ondas de partículaselectromagnéticas denominadas fotones.

37

1

(NG.JORGEApol\'TE RODRíGUEZy OTRO

Existen varias fuentes que emiten fotones,los cuales al interactuar con los materialespueden generar efectos ópticos como la ab-sorción, transmisión, reflexión, refracción yun comportamiento eléctrico (como el quese mencionó en los semiconductores). Algu-nas propiedades ópticas son generadas enel vidrio al colorearlo, mediante la infiltra-ción de impurezas en su estructura, consti-tuidas por óxidos metálicos. De esta manera,el vidrio adquiere un color que puede serámbar o verde y que protege a las bebidasque pueda contener el recipiente (como enla cerveza, medicamentos y algunas gaseo-sas) de los efectos de la luz solar.

COMPORTAMIENTODELOSMATERIALES

2.4 Comportamiento térmico de los materiales:los materiales al ser expuestos a cambios detemperatura, sufren alteraciones apreciablesen sus propiedades mecánicas, físicasy quí.micas. Algunos de ellos conducen muy len.tamente el calor a pesar de estar expuestosa elevadas temperaturas, proporcionándolesexcelentes aplicaciones como aislantes tér'lmicos; por lo cual son conocidos como ma.1teriales refractarios. Además requierenlgrandes cambios de temperatura para mO'1dificar de manera apreciable sus propieda"des, lo que les confiere una buena estabilidadtérmica.

CERÁM

En la siguiente tabla se resume el comportamiento y algunas de las aplicaciones corrientes delos materiales metálicos, cerámicos y poliméricos.

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POUM

FACULTADDE INGENIERIAI UNIVERSIDADMILIi

..

TIPODE MATERIAL PROPIEDADES APLICACIONES

Resistencia a la tracción: elevada Utilizados para la construcción de maquinaria,

estructuras, obras civiles.

Rigidez:grande Construcción de vigas estructurales.

Ductilidad: se puede controlar Fabricación de ejes para la transmisión de

mediante procesos de fabricación potencia, refuerzo estructural en obras civiles

Dureza: tienen una gran dureza Utilizados en una gran cantidad de

comparada con los otros materiales Herramientas de corte. y elementos sometidos

a fricción.

METALESy SUS Comportamiento eléctrico: buenos Fabricación de cables para la conducción deALEACIONES conductores eléctricos energía eléctrica

Comportamiento magnético: generan y Ideales para la implementación de imanes

modifican campos magnéticos temporales o permanentes.

Comportamiento óptico: son opacos lo Tienen pocas aplicaciones desde el punto de

que evita que transmitan la luz. vista de la óptica

Comportamiento térmico: buenos Utilizados para la elaboración de resistencias

conductores de calor. eléctricas para las estufas, intercambiadores de

calor.

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UNIVERSIDADMILITAR "NUEVA GRANADA" 39

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Resistencia a la tracción: elevada Base constructiva de edificaciones.

Rigidez: grande. Para construir vigas sometidas a grandescaras.

Dureza: elevada Fabricación de herramientas de corte.

Comportamiento eléctrico: a En equipos destinados a estudios detemperatura ambiente se medicina que trabajan con camposcomportan como aislantes electromagnéticos se aprovecha sueléctricos pero a temperaturas comportamiento como superconductor.inferiores a los -170°C. Secomportan como

cERÁMicassuperconductores.Comportamiento magnético: no Cuando adquieren el comportamientogeneran ni afectan los campos como superconductores pueden generarmagnéticos a temperatura grandes campos electromagnéticos.ambiente.Comportamiento óptico: algunos Construcción de microscopios, lentes ycerámicos (vidrios) son aparatos ópticos en general.transparentes con lo cual permitenel paso (y desviación) de la luz.Comportamiento térmico: son Recubrimientos de hornos, fabricación deaislantes térmicos por excelencia. partes que funcionan a temperaturas

sumamente elevadas.

Resistencia a la tracción: bajacomparada con los metales ycerámicosRigidez: en la gran mayoría de los Con bastante frecuencia son reforzadospolímeros es muy baja, pero con fibras (transformándose en materialesexisten algunos tipos como los compuestos) para mejorar su rigidez,termoendurecibles que logran una encontrando así aplicación en labuena rigidez. fabricación de partes para automóviles,

tanques para almacenar aStua,tinas, etcDuctilidad: son bastante ductiles: Apropiados para fabricar correas para la

transmisión de movimiento,Dureza: comparada con los otrosmateriales es bastante baja.Comportamiento eléctrico: son Son utilizados para el recubrimiento de

POLlMEROS aislantes eléctricos. cables destinados a la conducción

eléctrica, como base para la fabricación decircuitos integrados y para todo tipo desituación donde aislar la electricidad sehace necesario.

Comportamiento óptico: los hay Los que son transparentes son utilizadosopacos y transparentes. para la fabricación de instrumentos

ópticos. También reemplazan en algunasaplicaciones arquitectónicas los vidriostradicionales.

Comportamiento térmico: son muy Permiten la fabricación de piezas consusceptibles al calor. formas bastante complejas mediante la

aplicación de calor y presión lo que seaprovecha para fabricar tableros paraautomóviles por ejemplo

ING.JORGEAPotm: RODRrGUEZy OTRO

CONCWSIONES

. Para cualquier campo de la ingeniería (es-pecialmente en el diseño y la fabricación)es importante tener un amplio conocimien-to de la gran variedad de materiales y desus propiedades, ya que esto permite se-leccionar el material más apropiado paraalguna aplicación particular, teniendo encuenta aspectos como la disponibilidad delmismo, aspectos económicos, ambientales,entre otros.

. El estudio de los materiales es una ciencia

de gran importancia y complejidad, que esnecesario abordar para lograr mejores avan-ces en el desarrollo tecnológico y alcanzarasí mejores niveles de vida.

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. Se hace igualmente importante, mediantelproyectos de investigación, la generación delnuevos materiales, con mejores característi"cas que los ya existentes, y que proporcio,'nen ventajas en su utilización.

BIBUOGRAÁA

1. SMITH, William F. "Fundamentos de la Ciencia e Ingenie.Iría de Materiales". Editorial Me. Graw HiII, tercera edi'lción.Madrid,1996.

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5. httD://www.cmse.ed.ac.uk/

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L

FACULTADDEINGENIERíA