MATERIALES Y SUS PROPIEDADES

Ciencia de materiale

Refleja las diferentes disciplinas de esta ciencia. Estructura, Proceso, Funcionamiento y Propiedades
La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión.
La ciencia de materiales es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.
Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y eléctrica. Con la atención puesta de los medios en la nanociencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de los materiales ha sido impulsada en muchas universidades.
A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados y especializados.
Historia
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. En efecto, las primeras civilizaciones se conocen por el nombre del material que usaban (Edad de Piedra, Edad de Bronce).
El hombre primitivo sólo tuvo acceso a muy reducido número de materiales presentes en la naturaleza: piedras, maderas, arcilla, cuero, etc. Con el transcurso del tiempo, descubrió técnicas para producir materiales con nuevas propiedades superiores a las de los naturales (principalmente aleaciones).
Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en los últimos 200 años aproximadamente, los ha capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este campo haya sido Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su estructura.Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales y, en especial, del acero. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores

Clasificación

Ejemplo de la estructura de un polímero, el polietileno
La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:
Metales
Cerámicos
Polímeros
Materiales compuestos
Semiconductores
Algunos libros hacen una clasificación más exhaustiva, aunque con estas categorías cualquier elemento puede ser clasificado.
En realidad en la ciencia de materiales se reconocen como categorias unicamente los Metales, los materiales Ceramicos y los Polimeros, cualquier material puede incluirse en una de estas categorias, asi pues los semiconductores pertenecen a los materiales ceramicos y los materiales compuestos no son más que mezclas de materiales pertenecientes a las categorias principales.
Aplicaciones y relación con la industria

Una de las técnicas relacionada con esta ciencia es el moldeo de lingotes.
Los avances radicales en los materiales pueden conducir a la creación de nuevos productos o nuevas industrias, pero las industrias actuales también necesitan científicos de materiales para incrementar las mejoras y localizar las posibles averías de los materiales que están en uso. Las aplicaciones industriales de la ciencia de materiales incluyen la elección del material, su coste-beneficio para obtener dicho material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis.
Además de la caracterización del material, el científico o ingeniero de materiales (aunque haya una diferencia, muchas veces el ingeniero es científico y viceversa) también debe tratar la extracción y su posterior conversión en materiales útiles. El moldeo de lingotes, técnicas de fundido, extracción en alto horno, extracción electrolítica, etc., son parte del conocimiento requerido en un ingeniero metalúrgico.
Dejando aparte los metales, polímeros y cerámicas son también muy importantes en la ciencia de materiales. Los polímeros son un material primario usado para conformar o fabricar plásticos. Los plásticos son el producto final después de que varios polímeros y aditivos hayan sido procesados y conformados en su forma final. El PVC, polietileno, etc., son ejemplos de plásticos.
En lo que respecta a los cerámicos, se puede citar la arcilla, así como su modelado, secado y cocido para obtener un material refractario.
Ámbitos

La estructura cristalina es una parte esencial en esta ciencia. Esta por ejemplo es del sistema ortorrómbico
La ciencia de materiales abarca muchísimos temas, desde la estructura atómica, propiedades de los diferentes materiales, procesos y tratamientos.
Este sería un resumen a gran escala:
Estructura atómica y enlaces interatómicos
Estructura de sólidos cristalinos
Imperfecciones en estructuras cristalinas
Procesos de difusión atómica
Propiedades de los materiales
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
Rotura
Diagramas de fases
Transformaciones de fases
Tratamientos térmicos
Aleaciones
Fuentes
Callister, W.D. (1997), Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Barcelona: Editorial Reverté, S.A.. 84-291-7253X.
Smith, W.F. (1992), Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, McGraw-Hill / Interamericana de España, S.A.. 84-7615-940-4.
Shackelford, J.F. (2005), Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, Pearson Alhambra. 84-205-4451-5.

Clasificación de los materiales
-Los objetos que nos rodean están fabricados con una gran variedad de materiales que podemos clasificar de diferentes formas; por ejemplo, por su origen. Sin embargo, el criterio más adecuado para clasificar materiales es por sus propiedades.
Clasificación de los materiales según sus propiedades
A lo largo de esta unidad estudiaremos en detalle las propiedades de los materiales. Según estas propiedades, podemos clasificar los materiales más usuales en los siguientes grupos: maderas, metales, plásticos, materiales pétreos, cerámicas y vidrios o materiales textiles.

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MATERIALES Y SUS PROPIEDADES

Definiciones de algunas propiedades importantes
Adelgazamiento: Disminución del área de la sección transversal que ocurre después de alcanzar la tensión tractiva de rotura instantes previos a la fractura del material.
Anisotropía – Material Anisótropo: característica de un material según la cual sus propiedades son diferentes en distintas direcciones.
Capacidad calorífica Específica: Es la razón de calor almacenado por masa ak cambio en la temperatura del material.
Cerámica: material compuesto de elementos metálicos y no metálicos.
Coeficiente de dilatación térmica: razón de alargamiento de un material con relación al incremento de temperatura
Coeficiente de Poisson: valor absoluto de la relación entre la deformación unitaria normal transversal y la deformación unitaria axial
Conductividad térmica: capacidad de un material para transmitir calor.
Densidad: masa por unidad de volumen de un sólido.
Ductilidad – Material Dúctil: capacidad de deformación plástica de un material antes de su rotura. Un material se considera dúctil cuando puede soportar alargamientos mayores al 5%.
Elastómeros: polímeros con una cantidad intermedia de enlaces cruzados.
Endurecimiento por deformación unitaria: aumento de la dureza y la resistencia de un material dúctil al ser deformado plásticamente.
Fluencia: inicio de la deformación plástica.

Fragilidad – Material Frágil: Propiedad del material se rompe sin mayor deformación plástica. Un material se considera frágil cuando se fractura con alargamientos menores al 5%.
Homogeneidad material: calidad de invariabilidad de las propiedades de un material en cada uno de los puntos constituyentes.
Isotropía – Material Isótropo: característica de un material según la cual sus propiedades son iguales en distintas direcciones.
Límite de proporcionalidad: tensión por encima de la cual desaparece la linealidad entre las tensiones y las deformaciones.
Límite elástico: Tensión por encima de la cual el material recibe deformación permanente.
Materiales compuestos: son combinaciones de dos o más componentes. Normalmente están formados por resinas poliméricas reforzados con fibras o inclusiones.
Módulo de elasticidad longitudinal: es la constante de proporcionalidad entre las tensiones normales y las deformaciones normales.
Módulo de elasticidad tangencial: ídem anterior pero entre tensiones y deformaciones tangenciales.
Ortotropía – Material Ortótropo: característica de un material según la cual sus propiedades son diferentes en direcciones perpendiculares entre sí.
Polímeros: Compuestos plásticos de carbono y otros elementos químicos que forman moléculas en largas cadenas.
Resiliencia: Capacidad de un material para liberar la energía absorbida en el proceso de deformación.
Tenacidad: capacidad de un material para absorber energía de deformación hasta su rotura.
Materiales Termo fraguados: polímeros que tienen una estructura altamente entrecruzada.
Materiales Termoplásticos: Polímeros sin enlaces cruzados.

Tablas de Propiedades de los materiales.

Bibliografía.
[1] J.E. Shigley y C.R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, McGraw Hill 2002.
[2] B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, “Elementos de Máquinas”, McGraw Hill 2000
[3] R.L. Norton, “Diseño de maquinaria”, McGraw Hill 2000.
UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan