El documento proporciona una introducción a los fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Explica que los materiales se pueden definir como sustancias de las que están compuestos otros objetos y que existen diferentes tipos como materiales metálicos, polímeros, cerámicos, compuestos y electrónicos. También describe brevemente algunas aplicaciones espaciales y de ingeniería de los materiales, así como tendencias futuras en este campo como el desarrollo de nuevas aleaciones, compuestos y nanomateriales.

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FUNDAMENTOS DE
LA CIENCIA E
INGENIERÍA DE LOS
MATERIALES
Profesor: Armando Mejía Giraldo
Traducido de: SMITH – HASHEMI, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales – Material Audiovisual (en inglés) del Texto. © 2006 The McGraw-Hill Companies.

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Vehículos de Marte
“Spirit” y “Oportunity”, vehículos todo terreno de exploración
en Marte se componen de todos los tipos de materiales: metales,
cerámicos, polímeros, semiconductores y compuestos.
www.nasa.gov

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¿QUE SON LOS MATERIALES?
• Los materiales pueden ser definidos como las sustancias de las
cuales algo está compuesto, hecho o fabricado.
• Obtenemos materiales de la corteza terrestre y de la atmósfera.
Por ejemplo:
• El Silicio (Si) y el Hierro (Fe), constituyen respectivamente el
27.7% y el 5.0% del peso de la corteza terrestre.
•
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El nitrógeno (N) y el Oxígeno (O) constituyen respectivamente
el 78.1% y el 20.9% del aire seco por el volumen (% p/p).

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¿Por qué esthe Study of Materials isde los Materiales?
Why importante el estudio Important?
• La producción y el tratamiento de materiales constituyen una
gran parte de nuestra economía.
• Los ingenieros escogen materiales para el diseño de
construcciones.
• Se requieren constantemente nuevos materiales para nuevos
usos.
Por ejemplo: Las naves espaciales se fabrican con materiales
resistentes a altas temperaturas (5.0000°C) deben sostener las
condiciones en el espacio (alta velocidad, temperatura baja,
fuertes pero ligeras.
• Podría ser necesaria la modificación de las propiedades para
algunos usos:
Por Ejemplo: el tratamiento térmico para modificar esas
propiedades.
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Ciencia de Materiales e Ingeniería
• La ciencia de materiales trata conocimientos básicos sobre la
estructura interna, propiedades y tratamiento de materiales.
• La ingeniería de materiales trata el uso de conocimiento
generado por la ciencia de materiales para convertir los
materiales en productos.
Ciencias de materiales
Conocimientos
básicos de
materiales
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Ciencia de Materiales
e ingeniería
Resultante
Conocimiento
de la estructura y
Características
Materiales de Ingenieria
Aplicación del
conocimiento
sobre los materiales

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TIPOS DE MATERIALES
Materiales Metálicos
• Compuestos de uno o varios elementos metálicos.
Ejemplo: Hierro, Cobre, Aluminio.
• El elemento metálico puede combinarse con elementos no
metálicos.
Ejemplo: Carburo de silicio, Óxido hierro.
• Compuestos inorgánicos / tienen estructura cristalina.
• Buenos conductores del calor y la electricidad.
Metales y aleaciones
Ferrosos
Ej: Acero,
Hierro fundido
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No ferrosos
Ej: Aluminio
y Cobre

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Tipos de Materiales
• Materiales poliméricos (Plásticos): moléculas
Orgánicas gigantescas / no cristalinas (amorfas).
• Unos son las mezclas de regiones cristalinas y no
cristalinas.
• Pobres conductores de la electricidad y de ahí el uso
como aislantes.
• Su dureza y ductilidad varían enormemente.
• Densidad baja y temperaturas de descomposición
bajas.
Ejemplos: Cloruro de polivinilo (PVC) - Poliester
• Usos:Aplicaciones, DVD, Telas etc.
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Tipos de Materiales
Materiales Cerámicos
• Elementos Metálicos y no metálicos unidos químicamente.
• Inorgánicos: pueden ser cristalinos, no cristalinos o la
mezcla de ambos.
• Alta dureza, fuerza y resistencia.
• Aislantes muy buenos: usados para forrar hornos, para
fundir metales.
• También usado en transbordadores espaciales para
aislarlos durante la salida y entrada de nuevo en la
atmósfera.
• Otros usos: Abrasivos, materiales de construcción,
utensilios, etc. Ejemplo: Porcelana, Cristal, Nitruro de
Silicio.
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Típos de Materiales
MATERIALES COMPUESTOS
•
•
•
•
Mezcla de Materiales: Compuesta de dos o más materiales.
Consiste en un material de relleno y un material obligatorio.
Los materiales sólo se vinculan, no disolverán el uno en el otro.
Principalmente dos tipos:FIBROSO: Fibras en una matriz
PARTICULAS: Las partículas en una Matriz de la matriz puede ser
metales, cerámicos o polímeros.
Ejemplos: Fibra de vidrio (vidrio reforzado en un poliester) –
Hormigón (barras de acero reforzadas en cemento y arena)
APLICACIONES: alas de Avión y motor, construcción.
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TIPOS DE MATERIALES
Materiales Electrónicos
• No mayor por volumen pero muy importante.
• El silicio es un material electrónico común.
• Sus características eléctricas son cambiadas al
añadir impurezas.
Ejemplo: patatas de silicio, transistores
Usos: Ordenadores, Circuitos integrados, Satélites
etc.
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Competencia entre Materiales
• Los materiales compiten el uno
con el otro para existir en el
nuevo mercado
Aluminum
Iron
Plastic
Steel
1600
1400
• Por el período del uso de
tiempo de materiales diferentes
se cambia dependiendo (según)
el costo y el funcionamiento.
lb/Car
1200
1000
800
600
400
200
0
• Materiales nuevos, más baratos
o mejores sustituyen los viejos
materiales cuando hay una
brecha en la tecnología
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After J.G. Simon, Adv. Mat. & Proc., 133:63(1988) and new data
1985
1992
1997
Model Year
Predicciones y uso de
materiales en
automóviles E.E.U.U.

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Tendencias del futuro
Materiales Metálicos
• La producción sigue economía de los E.E.U.U. de cerca.
• Las aleaciones pueden ser mejoradas por la química y el
control de procesamiento.
• Nuevas aleaciones aeroespaciales investigadas
constantemente.
Objetivo: Mejorar resistencia de corrosión y temperatura.
Ejemplo: Níquel altas aleaciones basadas de súper
temperaturas.
• Nuevas técnicas de tratamiento son investigadas.
Objetivo: Mejorar vida de producto y propiedades de
fatiga.
Ejemplo: Forja (falsificación) isotérmica, metalurgia En
polvo.
• Metales para usos biomédicos
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Tendencias del futuro
Polímeros (Materiales Plásticos)
• El más rápido crecimiento de material básico (9
% anual).
• Después de 1995 el índice de crecimiento se
disminuyó debido a la saturación.
• Diversos materiales poliméricos pueden ser
mezclas para producir aleaciones plásticas
nuevas.
• La búsqueda de plásticos nuevos continúa
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Tendencias del futuro
Materiales Cerámicos
• la nueva familia de cerámicas de la ingeniería es
producida desde la década pasada .Nuevos materiales
y usos son encontrados constantemente.
• Uso actual en Automóviles y Biomedicina.
• El tratamiento de los cerámicos es caro (dañados
fácilmente porque son sumamente frágiles.
• Se deben desarrollar mejores técnicas de tratamiento
para obtener cerámicas más resistentes al impacto.
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Tendencias del futuro
• Los plásticos reforzados con fibra son productos
primarios.
• Sobre un crecimiento medio anual del 3 % a partir de
1981 hasta 1987.
• El índice de crecimiento anual del 5% se predice para
los nuevos compuestos tales como combinaciones Fibra
de vidrio-De epoxy y Grafito-De epoxy.
• Se espera que los aviones comerciales utilicen los
materiales cada vez más compuestos.
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Tendencias del futuro
Materiales Electrónicos
• El empleo de materiales electrónicos como el
silicio aumentó rápidamente a partir de 1970.
• Se espera que los materiales electrónicos jueguen
un papel vital en " las Fábricas de Futuro ".
• El empleo de ordenadores y robots aumentará el
crecimiento extenso en el empleo de materiales
electrónicos. El aluminio para interconexiones en
circuitos integrados podría ser substituido por el
cobre que tiene mejor conductividad.
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Tendencia del futuro
•
Materiales elegantes: Cambie sus características
detectando el estímulo externo
• Aleaciones de memoria de forma: El material estirado
(filtrado) vuelve atrás a su forma original encima de una
temperatura crítica.
• Usado en válvulas de corazón y ampliar arterias.
• Materiales piezoeléctricos: Produzca el campo eléctrico
cuando expuesto para forzar y viceversa. Usado en
actuadores y reductores de vibración

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MEMS y Nanomaterials
• MEMS: Sistemas micro electromecánicos.
•
Micro bombas de dispositivos en miniatura, sensores
• Nanomateriales: Longitud característica <100 Ejemplos nm:
• el polvo de cerámica y el tamaño de grano <100 nm
Nanomaterials son más difíciles y más fuertes que materiales
de bulto.
• Tenga características biocompatible (como en Zirconia) los
Transistores y diodos son desarrollados sobre un nanowire.

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Estudio del caso - Selección Material
•
Problema: Seleccione el material conveniente para el marco de bicicleta y el tenedor.
Aceros y
aleaciones
Bajo costo pero
Pesado
Menos
Resistencia a
la corrosión
Madera
Ligera y
Fuerte. Pero
No puede ser
formado
fibra del
carbón reforza en
plástico
Aleaciones
De
aluminio
Muy ligera y
fuerte. No
corrosión.
Muy costoso
Ligero,
Fuerte, Resistencia a
la corrosión.
costoso
¿Costo importante? Seleccione de acero
¿Características importantes? Seleccione el CFRP
(plastico reforzado con fibra de vidrio)
Titanio
y magnesio
aleaciones
Levemente mejor
que el Aluminio.
Peromuy
costoso