quimica de materiales

Carrera Ingeniero Tecnolgico Quinto Ao Curso de Qumica

1 Introduccin a la ciencia y tecnologa de materiales

Introduccin a la Ciencia y Tecnologa de los Materiales

Los Primeros Materiales

El hombre primitivo utilizaba instrumentos naturales tal como los encontraba. Una rama poda

ser un excelente garrote y una piedra, un inmejorable proyectil. Con el tiempo, descubri

nuevos materiales y aprendi a tallarlos y a pulirlos. Sin embargo, las piedras y maderas no

modificaban su composicin.

Por otra parte, observando aprendi que en la naturaleza se producan cambios profundos: un

rayo era capaz de incendiar un bosque, el jugo de frutas se fermentaba, convirtindose en una

bebida estimulante. La posibilidad de beneficiarse con estos fenmenos se hizo realidad cuando

el hombre fue capaz de producir y mantener el fuego. As, y sin quererlo, se convirti en un

qumico apto para quemar la madera y producir con el calor generado nuevos cambios (cocinar

la comida, etc.)

Los primeros materiales que us el hombre eran universales, en el sentido de que se

encontraban en cualquier parte: maderas, huesos, pieles, piedras... De todos ellos, la piedra era

el ms duradero, por eso los instrumentos de piedra tallada son los documentos ms claros de

que se dispone en la actualidad, para conocer aquel perodo llamado, precisamente, Edad de la

Piedra.

Hacia el ao 8000 a.C. se produjeron otros cambios: el hombre aprendi a criar animales y a

cultivar las plantas, dej de ser nmade y se hizo sedentario, considerndose este hecho el

comienzo de la civilizacin. El hombre aprendi a preparar cerveza y vino, as como ahumar

las carnes para conservarlas. Tambin, atrado por el color o el brillo que tenan y a pesar de

que buscarlos y obtenerlos resultaba complicado, el hombre descubri los primeros metales.

Las ventajas de estos materiales fueron aprovechadas con rapidez: el cobre, que fue el primer

metal explotado, resultaba un material maleable y resistente. Comprob tambin, que al

calentarlo con otro metal, el estao, obtuvo una mezcla sorprendente: el bronce, que le dio

nombre a la etapa siguiente: Edad del Bronce.

Luego, hace aproximadamente 3700 aos, un pueblo de Asia Menor, los hititas, comenzaron a

utilizar masivamente el hierro, que aunque escaso resultaba ms duro que el bronce. Se inicia

as la Edad del Hierro. En esta etapa el desafo fue el perfeccionamiento de las tcnicas de

fundicin, a travs de las cuales se pudo extraer hierro de las piedras que lo contenan. Ms tarde aparecen los materiales frricos que son los que tienen como elemento bsico constitutivo

el hierro, combinado con distintos porcentajes de otros elementos que modifican sus

propiedades.

A partir de all y hasta fines de la Edad Media, no hubo grandes avances en la tecnologa

siderrgica. Slo a partir del siglo XIX se comenzaron a inventar los procesos de fabricacin

que permitieron la produccin de estos materiales en gran escala y de mejor calidad, hecho que

coincide con la Revolucin Industrial.

Los metales no frricos fueron usados por el hombre an antes de que se descubriera el hierro.

Las aleaciones cobraron mucha importancia en la fabricacin de utensilios. El valor que le

otorgaron los aborgenes americanos a los metales fue principalmente ritual y decorativo, y con

ese fin prefirieron trabajar el oro.



Avances Recientes

El rpido desarrollo de los semiconductores para la industria electrnica, que comenz a

principios de la dcada de 1960, dio el primer gran impulso a la ciencia de materiales. Despus

de descubrir que se poda conseguir que materiales no metlicos como el silicio condujeran la

electricidad de un modo imposible en los metales, cientficos e ingenieros disearon mtodos

para fabricar miles de minsculos circuitos integrados en un pequeo chip de silicio. Esto hizo

posible la miniaturizacin de los componentes de aparatos electrnicos.

A finales de la dcada de 1980, la ciencia de los materiales tom un nuevo auge con el

descubrimiento de materiales cermicos que presentan superconductividad a temperaturas ms

elevadas que los metales. Si se consigue encontrar nuevos materiales que sean

superconductores a temperaturas suficientemente altas, sern posibles nuevas aplicaciones,

como trenes de levitacin magntica o computadoras ultrarrpidas.

Aunque los ltimos avances de la ciencia de materiales se han centrado sobre todo en las

propiedades elctricas, las propiedades mecnicas siguen teniendo una gran importancia. En la

industria aeronutica, por ejemplo, los cientficos han desarrollado y los ingenieros han probado materiales compuestos no metlicos, ms ligeros, resistentes y fciles de fabricar que las aleaciones de aluminio y los dems metales actualmente empleados para los fuselajes

de los aviones

Materiales e Ingeniera

Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto.

Desde el comienzo de la civilizacin, los materiales junto con la energa han sido utilizados

por el hombre para mejorar su nivel de vida.

Como los productos estn fabricados a base de materiales, stos se encuentran en todas partes

alrededor nuestro.

Los ms comnmente encontrados son: madera, hormign, ladrillo, acero, plstico, vidrio,

caucho, aluminio, cobre y papel. Debido a los programas de investigacin y desarrollo, se estn

creando continuamente nuevos materiales.

La produccin de nuevos materiales y el procesado de stos hasta convertirlos en productos

acabados, constituyen una parte importante de nuestra economa actual. Los ingenieros disean

la mayora de los productos manufacturados y los procesos necesarios para su fabricacin.

Puesto que la produccin necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura

interna y propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el ms

adecuado para cada aplicacin y tambin capaces de desarrollar los mejores mtodos de

procesado.

Para lograr este desarrollo existen dos disciplinas que se complementan:

La Ciencia de Materiales: Que es la bsqueda de conocimientos bsicos acerca de la estructura interna, propiedades y

procesado de los materiales y

La Ingeniera de Materiales: Que es el uso de los conocimientos fundamentales y aplicados sobre los materiales, de modo

que los materiales puedan ser convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.

No hay una frontera clara entre ambas

Tipos de Materiales

Estn divididos en tres grupos principales: materiales metlicos, polimricos y cermicos.



Materiales metlicos Son sustancias inorgnicas que estn compuestas de uno o ms elementos metlicos (como

hierro, cobre, aluminio, nquel o titanio, por ejemplo), pudiendo contener tambin algunos

elementos no metlicos (como carbono, nitrgeno u oxgeno, por ejemplo).

Los metales tienen una estructura cristalina en la que los tomos estn dispuestos de manera

ordenada. Son en general buenos conductores elctricos y trmicos. Muchos metales son

relativamente resistentes y dctiles a temperatura ambiente y otros mantienen alta resistencia,

incluso a elevadas temperaturas.

Son particularmente tiles en aplicaciones estructurales o de carga.

Las aleaciones se dividen normalmente en dos clases: aleaciones frreas que contienen un alto

porcentaje de Fe, como el acero y el hierro fundido y aleaciones no frreas, que carecen de Fe

o slo contienen cantidades relativamente pequeas, como aleaciones de aluminio o cobre por

ejemplo.

Materiales polimricos Estn formados por largas cadenas de molculas orgnicas o redes. Estructuralmente, la

mayora de los materiales polimricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de

regiones cristalinas y no cristalinas. La rigidez y ductilidad de los materiales polimricos vara

ostensiblemente.

En stos se incluyen el caucho (o hule), los plsticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen

creando grandes estructuras moleculares a partir de molculas orgnicas obtenidas del petrleo

o productos agrcolas, en un proceso conocido como polimerizacin.

Debido a la naturaleza de su estructura interna los polmeros tienen baja conductividad elctrica

y trmica, escasa resistencia mecnica y no se recomiendan para aplicaciones en temperaturas

elevadas (temperaturas de fluencia o ablandamiento y de descomposicin relativamente bajas).

Algunos polmeros (los termoplsticos) presentan excelente ductilidad, conformabilidad y

resistencia al impacto, mientras otros (los termoestables) tienen las propiedades opuestas.

Los polmeros son ligeros y con frecuencia cuentan con excelente resistencia a la corrosin.

Materiales cermicos Son materiales inorgnicos constituidos por elementos metlicos y no metlicos cohesionados

qumicamente, como los ladrillos, el vidrio, la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa

conductividad tanto elctrica como trmica, y aunque pueden tener buena resistencia y dureza,

son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son

menos usados que los metales en aplicaciones estructurales. Presentan en su mayora una

excelente resistencia a las altas temperaturas y a ciertas condiciones de corrosin. Muchos de

ellos tienen propiedades pticas, elctricas y trmicas excepcionales.

La ventaja de los materiales cermicos para su uso en motores son: bajo peso, alta rigidez y

dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, poca friccin y propiedades aislantes. Las

propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos de los

cermicos, los hace tiles en revestimientos de hornos para metales lquidos a alta temperatura

como el acero.

Una importante aplicacin de los cermicos son las placas cermicas del trasbordador espacial.

Estos materiales cermicos protegen trmicamente la estructura interna de aluminio del

trasbordador durante el lanzamiento y la reentrada a la atmsfera terrestre.

Materiales compuestos Son mezclas de dos o ms materiales que generan propiedades no obtenibles mediante uno solo

(ejemplos tpicos aunque burdos: hormign amado, madera contrachapada y fibra de vidrio)



Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dctiles, con resistencia a las

altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo, o bien se elaboran herramientas de

corte muy resistentes al impacto que de otra manera seran quebradizas.

La mayora de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible

aglomerante con objeto de obtener las caractersticas especficas y propiedades deseadas.

Normalmente, los componentes no se disuelven recprocamente y pueden ser identificados

fsicamente gracias a la interfase entre los componentes.

Pueden ser de muchos tipos. Algunos de los tipos predominantes son fibrosos (compuestos de

fibras en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices que se

pueden usar para producirles. Dos destacados tipos de materiales compuestos modernos son la

fibra de vidrio reforzada en matriz de polister o de epoxi, y las fibras de carbono en una matriz

epoxdica. Otro ejemplo de materiales compuestos es el sulfuro de polifenilo (PPS) reforzado

con fibra de vidrio para instalaciones en campos petrolferos. Esta aplicacin hace uso de la

excelente resistencia a la corrosin de este material.

EJEMPLOS REPRESENTATIVOS, APLICACIONES Y PROPIEDADES DE CADA CATEGORA DE MATERIALES

MATERIALES APLICACIONES PROPIEDADES

Metales

Cobre Alambre para conductores elctricos Alta conductividad elctrica, conformabilidad aceptable

Hierro fundido gris Bloques para motores de automviles Moldeabilidad, maquinabilidad, absorcin de vibraciones

Fe-30%Si Motores y generadores Excelentes propiedades ferromagnticas

Aceros aleados Llaves para tuercas Tratables trmicamente para aumentar su resistencia mecnica

Cermicos

SiO2-Na2O-CaO Vidrios planos para ventanas Propiedades pticas adecuadas (transparencia) y aislante trmico

Al2O3, MgO,SiO2 Refractarios para contener metal fundido Aislantes trmicos, alto punto de fusin, relativamente inertes ante el metal fundido

Titanato de bario Transductores para reproductores de sonido(tocadiscos)

Comportamiento piezoelctrico que convierte las vibraciones (sonido) en electricidad

Polmeros

Polietileno Empacado de alimentos Fcilmente conformable en delgadas pelculas flexibles e impermeables

Epxicos Encapsulado de circuitos integrados Buenos aislantes elctricos y resistentes a la humedad

Fenlicos Adhesivos para madera contrachapada de uso martimo

Resistencia a las cargas y a la humedad

Compuestos

Grafito en matriz epxica Componentes aeronaticos Adecuada relacin resistencia-peso

Carburo de Tungsteno en matriz de cobalto

Herramientas de corte para maquinado Alta dureza y buena resistencia al impacto

Acero revestido de titanio Alojamientos de reactores Bajo costo y alta resistencia del acero, adecuada resistencia a la corrosin proporcionada por el titanio

Cmo elegir un material?

Planteo de la relacin entre la estructura interna de los materiales, sus propiedades, sus usos y

los mtodos de procesado.

El aspecto fundamental que debe tomarse en cuenta cuando se requiere producir un

componente con una geometra y propiedades adecuadas, es el desempeo que ste tendra

durante su vida til. Para poder hacer la mejor seleccin y diseo, debemos tomar en cuenta la



compleja relacin entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades

finales. Cuando alguno de los tres aspectos de esta relacin cambia los otros dos se ven

afectados. Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relacin que existe entre estos tres

aspectos a fin de obtener el producto requerido.

En los procesos de diseo y construccin de objetos tcnicos, nos vemos obligados a elegir

entre varios materiales para el desempeo de una determinada tarea.

Factores a considerar para la seleccin de un material:

1) Factibilidad de fabricacin 2) Estabilidad dimensional 3) Compatibilidad con los dems materiales 4) Reciclabilidad 5) Impacto ambiental durante su fabricacin y desecho 6) Costo de fabricacin

Durante el proceso de diseo debemos considerar cmo afectar nuestro objeto al medio

ambiente, durante la construccin, la utilizacin y el desecho. El abuso de materiales no

reciclables puede acabar con los recursos y convertir nuestro entorno en un vertedero. Es por

ello que debemos plantearnos reciclar materiales disponibles para nuestros diseos, siempre

que esto sea posible.

Estructura

La estructura de un material puede considerarse en varios niveles, todos los cuales afectan el

comportamiento final del producto.

En el nivel ms fundamental est la estructura de los tomos que componen el material. La

distribucin de los electrones alrededor del ncleo atmico afecta de manera significativa los

comportamientos elctrico, magntico, ptico y an la resistencia a la corrosin. Adems, el

arreglo electrnico influye en cmo se unen los tomos entre s, lo cual determina que el

material sea un metal, cermico o un polmero.

En el siguiente nivel se considera la organizacin de los tomos en el espacio. Los metales,

muchos cermicos y algunos polmeros tienen una estructura atmica muy regular denominada

estructura cristalina. Tal configuracin influye en las propiedades mecnicas de los metales,

como la ductilidad, la resistencia mecnica y la resistencia al impacto. Otros materiales como

los polmeros y ciertos cermicos, no presentan una estructura atmica ordenada, por lo que

estos materiales amorfos o vtreos se comportan de manera diferente de los materiales

cristalinos. Por ejemplo el polietileno vtreo es transparente, mientras que el polietileno

cristalino es traslcido.

Existe una estructura granular en la mayora de los metales, en algunos cermicos y

ocasionalmente en polmero. Entre los granos, el arreglo atmico cambia su orientacin

influyendo as en las propiedades. El tamao y la forma de los granos desempean una funcin

primordial en este nivel.

Finalmente, en la mayora de los materiales se presenta ms de una fase, cada una de las cuales

tiene su propio arreglo atmico y propiedades. El control de tipo, tamao, distribucin y

cantidad de estas fases dentro del cuerpo principal del material, proporciona una manera

adicional de controlar las propiedades

Procesamiento

El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de ste. Por ejemplo, una

barra de cobre o acero fabricada por fundicin tendr una microestructura diferente a la de una

barra obtenida por conformado mecnico. La forma, tamao y orientacin de los granos puede



ser diferente. En las fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a la

contraccin del metal durante la solidificacin, burbujas de gas; partculas no metlicas

(inclusiones) y granos columnares o estructuras dendrticas desarrolladas en la pared del molde

hacia el centro de la pieza.

En el material conformado mecnicamente las partculas no metlicas se deforman en la

direccin del flujo al igual que los granos, la estructura cristalina sufre deformaciones

(texturizado).

La estructura y propiedades originales determinan la manera de procesar el material. Las piezas

de fundicin que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante un conformado

mecnico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por alteraciones de la estructura

cristalina se vuelven "frgiles" y pueden fracturarse durante un conformado posterior.

En el caso de los polmeros, sus propiedades mecnicas estn determinadas por su estructura

qumica y peso molecular. Propiedades como la resistencia a la tensin, mdulo de Young,

dureza y facilidad de proceso requieren un valor de peso molecular mnimo para alcanzar el

ptimo. Si bien la resistencia mecnica aumenta con el peso molecular, la facilidad de

procesamiento disminuye. Las variables ms importantes que determinan el estado fsico de un

polmero son la magnitud y naturaleza de las restricciones al movimiento de sus cadenas

moleculares, principalmente en el estado amorfo; en cambio cuando existe cierto grado de

cristalinidad el material se endurece, aumentando su punto de fusin y propiedades mecnicas.

Los polmeros clasificados como termoestables o termofijos no pueden deformarse

plsticamente, mientras que los termoplsticos son fcilmente deformables

La viscosidad, que es una de las propiedades ms importantes de los polmeros, se ve afectada

por el grado de ramificacin de sus molculas.



Propiedades de los materiales

El primero de los factores a tener en cuenta son las propiedades, en funcin de la misin que

tiene que desempear el objeto que estamos diseando. Estas propiedades se refieren a varios

aspectos:

a. Propiedades fsicas b. Propiedades qumicas. c. Propiedades mecnicas. d. Propiedades elctricas e. Propiedades magnticas. f. Propiedades pticas. g. Propiedades estticas h. Propiedades ecolgicas.

Propiedades fsicas. Las propiedades fsicas se refieren a aspectos relacionadas con los fenmenos fsicos que

afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.

Densidad, conductividad trmica, dilatacin trmica, etc.

Propiedades qumicas Las fundamentales son: la estabilidad qumica y la corrosividad Estabilidad qumica Con esta propiedad se define si determinada sustancia tiende a reaccionar o a descomponerse

de manera espontnea al entrar en contacto con otra o si, por el contrario, para que reaccione

es necesario una accin exterior. Corrosividad Es el deterioro de las propiedades de un material como consecuencia de la accin de agentes

externos como el agua, el oxgeno, los cidos, etc. Puede deberse a reacciones qumicas o al

efecto de la solubilidad con el agente externo de alguna de las sustancias que componen el

material (lixiviacin).

Propiedades mecnicas. Las propiedades mecnicas tienen que ver con el comportamiento que tienen los materiales

frente a los distintos esfuerzos mecnicos a los que son sometidos. Generalmente el material

se deforma temporal o permanentemente o se rompe; por lo tanto decimos que un material

resiste un determinado esfuerzo, cuando no se deforma excesivamente o no se rompe.

Ante un esfuerzo un material pude tener tres respuestas: deformarse elsticamente

(deformacin reversible), deformarse plsticamente (deformacin permanente) o romperse.

Estas son: Plasticidad (ductilidad y maleabilidad), resistencia a la traccin, a la compresin, a

la flexin, torsin, cizalladura o cortadura, dureza, tenacidad, fatiga, etc.

Propiedades elctricas y magnticas. Las propiedades elctricas definen el comportamiento de los materiales frente a los campos

elctricos (resistencia elctrica; conductividad elctrica, etc.).

Propiedades magnticas. Las propiedades magnticas definen el comportamiento de los materiales frente a los campos

magnticos (paramagnetismo, diamagnetismo, ferromagnetismo, etc.).



Propiedades pticas. Las propiedades pticas hacen referencia al comportamiento de los materiales con respecto a

la luz (transparencia, opacidad, translucidez, etc.).

Propiedades estticas. La esttica es muy importante cuando realizamos un diseo, ya que no solo elegimos las cosas

por su funcionalidad, si no que tambin consideramos su aspecto. Hay artculos en los que el

aspecto es muy importante como en la ropa, y otros en los que es menos importante, como el

motor de un coche. (Textura Color)

Propiedades ecolgicas Tienen en cuenta, fundamentalmente, el dao ambiental que puede producir tanto el uso como

la obtencin de un material y su posterior eliminacin: la contaminacin atmosfrica, la

generacin de residuos no aprovechables, la utilizacin de energas no renovables, etc.

Asimismo, se procura que, una vez terminada la vida til de un producto, ste pueda ser

recuperado y reciclado.

Efectos ambientales sobre los materiales

La mayora de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y

climticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones atmosfricas;

pero en algunos caso las mismas condiciones de servicio requieren materiales expuestos a

condiciones extremas como es el caso particular de las labes de turbinas de avin. Se puede

hablar tambin de medio circundante para que tengan cabida situaciones en las que un material

est dentro de por ejemplo un reactor, un aparato, etc.

Carga: El tipo de fuerza o carga que acta en el material puede cambiar radicalmente su

comportamiento. Por lo comn el esfuerzo de fluencia, por arriba del cual el material

experimenta un cambio permanente en sus dimensiones, es la propiedad ms crtica y suele ser

la consideracin ms importante en el diseo de un componente. De cualquier modo, un

material con alto esfuerzo de fluencia puede fallar fcilmente con cargas menores si la carga

es cclica (fatiga) o se aplica sbitamente (impacto). El ingeniero debe reconocer el tipo de

carga a la que se somete el material

Temperatura Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades de

los materiales, debidos principalmente a:

Reblandecimiento

Degradacin

Transformaciones de fases

Fragilizacin



La resistencia de la mayora de los materiales disminuye conforme la temperatura aumenta.

Adems, pueden ocurrir cambios sbitos desastrosos cuando se calientan por encima de sus

temperaturas crticas. Los metales que han sido endurecidos por cierto tratamiento trmico o

mediante alguna tcnica de conformado, pueden perder repentinamente su resistencia cuando

son calentados. Las temperaturas muy bajas pueden causar que el metal falle por fragilidad aun

cuando la carga aplicada sea baja. Las temperaturas altas tambin pueden modificar la

estructura de las sustancias cermicas o provocar que los polmeros se derritan o carbonicen.

Atmsfera La mayora de los polmeros y de los metales reaccionan con el oxgeno y otros gases

particularmente a temperaturas elevadas. Algunos metales y cermicos pueden desintegrarse

severamente, o ser atacados qumicamente, mientras otros se pueden autoproteger. Los

polmeros suelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o quemarse. Los aceros pueden

reaccionar con el hidrgeno y volverse frgiles.

Corrosin Los metales son atacados por diversos lquidos corrosivos siendo degradados uniforme o

selectivamente, pudiendo desarrollar grietas o picaduras que conducen a una falla prematura.

Las sustancias cermicas son atacadas por cermicos en estado lquido, mientras que los

polmeros pueden ser disueltos por solventes orgnicos.

Radiacin La radiacin de alta energa, como la de los neutrones producidos en un reactor nuclear, puede

atacar la estructura interna de los materiales ocasionando prdida de resistencia, fragilidad o

alteracin crtica de las propiedades fsicas. La dilatacin producida por cavidades y burbujas

de origen radiactivo, puede ocasionar cambios en las dimensiones externas y an

agrietamiento.

Competicin entre materiales

Los materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos mercados. De unos a

otros perodos de tiempo, aparecen muchos factores que hacen posible la sustitucin de un

material por otro para ciertas aplicaciones. Evidentemente, el costo es un factor. Si se hace un

descubrimiento importante en el procesado de un cierto tipo de material, de manera que su

costo se abarate sustancialmente, este material puede reemplazar a otro en ciertas aplicaciones.

Otro factor que da lugar a reemplazamiento de los materiales es el desarrollo de un nuevo



material con propiedades especiales para algunas aplicaciones. Como resultado, a la vuelta de

un cierto perodo de tiempo, encontramos que los materiales han cambiado.

La figura nos muestra grficamente cmo la produccin de materiales en los Estados Unidos

ha variado a lo largo de los ltimos aos. El aluminio y los polmeros muestran un aumento

significativo en la produccin desde 1930. La razn de que el volumen de produccin se haya

incrementado para el aluminio, y an ms para los polmeros, es que se trata de materiales

ligeros.

La competicin entre materiales es evidente en la composicin del automvil americano. En

1978 el automvil americano medio pesaba 4000 libras (1800 kg) y estaba compuesto

aproximadamente por un 60% de hierro y acero, un 10 a 20% de plsticos y un 3 a 5% de

aluminio. En comparacin, el automvil americano de 1985 pesaba una media de 3100 libras

(1400 kg) y constaba de un 50 a 60% de hierro y acero, un 10 a 20% de plsticos y un 5 a 10%

de aluminio. As, en el perodo 1978- 1985 el porcentaje de acero descendi, el de aluminio se

increment, y el de los plsticos permaneci aproximadamente constante. El automvil

americano de la dcada de los 90 se espera que pese una media de 2500 libras (1130 kg), de

los cuales est previsto que su contenido en plsticos represente el 30% de su peso, segn

algunos analistas. Predicciones posteriores a 1992 para el uso de materiales en los automviles

americanos, indican una disminucin sustancial en el uso del hierro y el acero, y un moderado

aumento en el uso de los plsticos.

En algunas aplicaciones slo ciertos materiales satisfacen los requerimientos de la ingeniera

para un diseo, y estos materiales pueden ser relativamente caros. Por ejemplo, un motor de

avin moderno requiere, para funcionar, superaleaciones de alta temperatura con base nquel.

Estos materiales son caros y no se ha encontrado ningn sustituto barato para reemplazarlos.

De este modo, aunque el costo sea un factor importante en el diseo de determinados objetos,

los materiales utilizados deben reunir tambin caractersticas especficas. La sustitucin de un

material por otro continuar en el futuro, ya que se descubrirn otros materiales y nuevos

procesos se desarrollarn.

Competicin de los seis materiales ms importantes de los Estados Unidos sobre una

base en peso

Evolucin de materiales utilizados en automviles USA entre los aos 1985 y

2000

Futuras tendencias en el uso de materiales

Materiales metlicos. La produccin de metales bsicos tales como hierro, acero, aluminio, cobre, cinc y magnesio,

se espera siga fielmente la evolucin de la economa mundial. Sin embargo, las aleaciones



existentes pueden ser mejoradas por una qumica ms optimizada y un mayor control de la

composicin y tcnicas de procesamiento.

Nuevas y mejoradas aleaciones aerospaciales, tales como las superaleaciones de base nquel a

alta temperatura, estn siendo constantemente reformadas para aumentar su tenacidad a altas

temperaturas y su resistencia a la corrosin. Estas aleaciones se usan para motores de aviones

y se puede obtener un aumento en la eficiencia del motor operando a temperaturas ms altas.

Nuevas tcnicas de procesado como la presin isosttica en caliente y la forja isotrmica

pueden conducir a mejorar la vida de las aleaciones de aviones. Asimismo, las tcnicas de

pulvimetalurgia continuarn siendo importantes, ya que se pueden optimizar las propiedades

de ciertas aleaciones con costes ms reducidos en los productos elaborados. La tecnologa de

solidificacin rpida ya puede producir aleaciones metlicas en polvo susceptibles de

enfriamiento rpido, desde la fusin a velocidades tan altas como un milln de grados

centgrados por segundo. Estos polvos son consolidados en barras por varios procesos,

incluyendo la presin isosttica en caliente. Por ejemplo, han sido producidas por este nuevo

proceso nuevas superaleaciones de base de nquel a alta temperatura, aleaciones de aluminio y

de titanio.

Materiales polimricos (materiales plsticos) Histricamente, los materiales plsticos han sido el material bsico de ms rpido crecimiento

durante la segunda mitad del siglo XX, con un ndice de crecimiento del orden del 10% por

ao en peso. Sin embargo, este ndice de crecimiento comenz a decaer a partir de 1995 y en

la actualidad se encuentra por debajo del 5%, lo cual supone una disminucin significativa.

Esta cada es esperada, porque los plsticos ya han sustituido a metales, vidrios y papel en la

mayora de los mercados de volumen importante, tales como el empaquetamiento y la

construccin, para la que los plsticos son considerablemente tiles.

Teniendo en cuenta los costos competitivos, se espera que, con excepcin del acero laminado

en caliente, los plsticos de ingeniera sean el material menos caro. Una importante tendencia

en el desarrollo de los plsticos de ingeniera es mezclar o alear diferentes materiales

polimricos, as como producir nuevas aleaciones plsticas sinergsticas (sinergismo significa

que la accin cooperativa de agentes discretos es tal, que la suma de los efectos totales es mayor

que la suma de los efectos tomados independientemente).

Materiales cermicos. El crecimiento histrico de los materiales cermicos tradicionales tales como el barro, el vidrio

y la piedra ha sido del orden del 4% hasta 1995.

En la dcada de los 90, ha hecho su aparicin una nueva familia de cermicos de ingeniera a

base de nitruros, carburos y xidos. Se estn encontrando constantemente nuevas aplicaciones

para estos materiales, particularmente para usos a alta temperatura y para cermicos

electrnicos.

Los materiales cermicos son bajos en coste, pero su procesado hasta productos terminados es

normalmente lento y laborioso. Adems, la mayora de los materiales cermicos se daa

fcilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad. Si se pudieran encontrar nuevas

tcnicas para el desarrollo de cermicos de alto impacto, estos materiales podran mostrar un

resurgimiento para aplicaciones en ingeniera, donde existen altas temperaturas y actuaciones

extremas. ltimamente se han hecho significativos avances en esta direccin.

Materiales compuestos. Los plsticos reforzados con fibra son el tipo principal de materiales compuestos usados en la

industria, siendo el vidrio la fibra dominante. La industria de refuerzos de plstico creci desde



2100 millones de fibras en 1981 a 2500 millones de fibras en 1987, a un ndice medio anual de

crecimiento del 3% por ao.

Los materiales compuestos avanzados, como las combinaciones epoxi de fibra de vidrio y de

grafito, se estn haciendo cada vez ms importantes en aplicaciones estructurales crticas. Se

ha predicho una ganancia anual media del 5% en el futuro uso de estos materiales.

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