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Fundamentos de ingenierĂ­a y ciencia de materiales Segunda ediciĂłn

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Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales Segunda edición, SI Donald E. Askeland Universidad de Missouri-Rolla, emérito

Pradeep P. Fulay Universidad de Pittsburgh Edición SI preparada por

D. K. Bhattacharya Laboratorios de Física del estado sólido Nueva Delhi

Traducción: Ing. Jorge Hernández Lanto Traductor profesional Revisión técnica: Ing. Javier León Cárdenas Escuela Superior de Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional

Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur

Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales Segunda edición Donald R. Askeland y Pradeep P. Fulay Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Javier Arellano Gutiérrez Director general México y Centroamérica: Pedro Turbay Garrido Director editorial y de producción: Raúl D. Zendejas Espejel Coordinadora editorial: María Rosas López Editor de desarrollo: Sergio R. Cervantes González Coordinadora de producción editorial: Abril Vega Orozco Editor de producción: Omar A. Ramírez Rosas Coordinador de producción: Rafael Pérez González Ilustrador: RPK Editorial Services Diseño de portada: Mariana Sierra Enríquez Imagen de portada: Dreamstime.com Herzlinde Vancura Composición tipográfica Servicios Editoriales 6Ns, S.A. de C.V.

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 11 10

© D.R. 2010 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso.

DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducido, transmitido, almacenado o utilizado en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial.

Traducido del libro Essentials of Materials Science and Engineering, 2nd ed.

Askeland, Donald R., Pradeep P. Fulay Publicado en inglés por Cengage Learning © 2010 ISBN 13: 978-0-495-43850-2 ISBN 10: 0-495-43850-2 Datos para catalogación bibliográfica: Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales Segunda edición, Askeland, Donald R., Pradeep P. Fulay ISBN-13: 978-607-481-340-1 ISBN-10: 607-481-340-X

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Contenido Prefacio xv Acerca de los autores xix Capítulo 1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales 1 Introducción 1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? 2 Clasificación de materiales 5 Clasificación funcional de los materiales 9 Clasificación de los materiales con base en su estructura Efectos ambientales y de otra índole 12 Diseño y selección de materiales 14

1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 RESUMEN 17

■

GLOSARIO 18

■

11

PROBLEMAS 19

Capítulo 2 Estructura atómica 21 Introducción 21 Estructura de materiales: relevancia tecnológica 22 Estructura del átomo 23 Estructura electrónica del átomo 28 Tabla periódica 30 Enlaces atómicos 32 Energía de enlace y espaciado interatómico 40

2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 RESUMEN 44

■

GLOSARIO 45

■

PROBLEMAS 48

Capítulo 3 Arreglos atómicos y iónicos 51 3-1 3-2 3-3

Introducción 51 Orden de corto alcance contra orden de largo alcance 52 Materiales amorfos: principios y aplicaciones tecnológicas 54 Redes, celdas unitarias, bases y estructuras cristalinas 55 vii

viii

CONTENIDO

3-4 Transformaciones alotrópicas o polimórficas 63 3-5 Puntos, direcciones y planos en la celda unitaria 64 3-6 Sitios intersticiales 74 3-7 Estructuras cristalinas de materiales iónicos 76 3-8 Estructuras covalentes 79 3-9 Técnicas de difracción para el análisis de estructuras cristalinas RESUMEN 82 ■ GLOSARIO 83 ■ PROBLEMAS 86

Capítulo 4 Imperfecciones en los arreglos atómicos y iónicos 90 Introducción 90 Defectos puntuales 91 Otros defectos puntuales 97 Dislocaciones 98 Importancia de las dislocaciones 105 Ley de Schmid 105 Influencia de la estructura cristalina 108 Defectos superficiales 109 Importancia de los defectos 114

4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 RESUMEN 116

■

GLOSARIO 117

■

PROBLEMAS 119

Capítulo 5 Movimientos de átomos y iones en materiales 122 Introducción 122 Aplicaciones de la difusión 123 Estabilidad de átomos y iones 125 Mecanismos de la difusión 127 Energía de activación en la difusión 129 Velocidad de difusión (primera ley de Fick) 130 Factores que afectan la difusión 133 Permeabilidad de los polímeros 141 Perfil de composición (segunda ley de Fick) 142 Difusión y procesamiento de materiales 146

5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 RESUMEN 147

■

GLOSARIO 148

■

PROBLEMAS 149

Capítulo 6 Propiedades mecánicas: fundamentos y pruebas de tensión, dureza e impacto 153 6-1

Introducción 153 Importancia tecnológica

154

80

CONTENIDO

6-2 Terminología de las propiedades mecánicas 155 6-3 El ensayo de tensión: uso del diagrama esfuerzo-deformación unitaria 6-4 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de tensión 163 6-5 Esfuerzo real y deformación real 169 6-6 Ensayo de flexión para materiales frágiles 171 6-7 Dureza de materiales 174 6-8 Efectos de la velocidad de deformación y comportamiento al impacto 6-9 Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto 177 RESUMEN 180 ■ GLOSARIO 181 ■ PROBLEMAS 183

159

176

Capítulo 7 Mecánica de la fractura, fatiga y comportamiento de la termofluencia 187 7-1 7-2 7-3 7-4

Introducción 187 Mecánica de la fractura 188 Importancia de la mecánica de fractura 191 Características microestructurales de la fractura en los materiales metálicos 194 Características microestructurales de fractura en cerámicas, vidrios y materiales compuestos 198 Estadística de Weibull para el análisis de la resistencia a la falla 200 Fatiga 206 Resultados del ensayo de fatiga 209 Aplicación de los ensayos de fatiga 212 Termofluencia, ruptura por esfuerzo y corrosión con esfuerzo 215 Evaluación del comportamiento de la termofluencia 217

7-5 7-6 7-7 7-8 7-9 7-10 RESUMEN 220

■

GLOSARIO 220

■

PROBLEMAS 222

Capítulo 8 Endurecimiento por deformación y recocido 225 8-1

Introducción 225 Relación entre el trabajo en frío y la curva esfuerzo-deformación unitaria 226 Mecanismos del endurecimiento por deformación 231 Propiedades en función del porcentaje de trabajo en frío 232 Microestructura, endurecimiento por textura y esfuerzos residuales Características del trabajo en frío 239 Las tres etapas del recocido 241 Control del recocido 244 Recocido y procesamiento de materiales 246 Trabajo en caliente 248

8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9 RESUMEN 250

■

GLOSARIO 250

■

PROBLEMAS 252

235

ix

x

CONTENIDO

Capítulo 9 Principios y aplicaciones de la solidificación 257 9-1 9-2 9-3 9-4 9-5 9-6 9-7 9-8

Introducción 257 Importancia tecnológica 258 Nucleación 259 Mecanismos de crecimiento 264 Curvas de enfriamiento 269 Estructura de una pieza colada 271 Defectos de solidificación 272 Procesos de vaciado para la fabricación de componentes Colada continua, vaciado de lingotes y crecimiento de monocristales 276 Solidificación de polímeros y vidrios inorgánicos 278 Unión de materiales metálicos 279 Vidrios metálicos voluminosos (VMV) 280

9-9 9-10 9-11 RESUMEN 282

■

GLOSARIO 283

■

274

PROBLEMAS 286

Capítulo 10 Soluciones sólidas y equilibrio de fases 291 Introducción

291

10-1 Fases y diagrama de fases 292 10-2 Solubilidad y soluciones sólidas 296 10-3 Condiciones para la solubilidad sólida ilimitada 299 10-4 Reforzamiento por solución sólida 301 10-5 Diagramas de fases isomorfos 303 10-6 Relación entre las propiedades y el diagrama de fases 312 10-7 Solidificación de una aleación de solución sólida 314 RESUMEN 317 ■ GLOSARIO 318 ■ PROBLEMAS 319

Capítulo 11 Reforzamiento por dispersión y diagramas de fases eutécticos 324 11-1 11-2 11-3

Introducción 324 Principios y ejemplos del reforzamiento por dispersión 325 Compuestos intermetálicos 326 Diagramas de fases que contienen reacciones entre tres fases 328 Diagrama de fases eutécticas 331 Resistencia de las aleaciones eutécticas 341 Eutécticos y procesamiento de materiales 347 Solidifacación sin equilibrio en el sistema eutéctico 349

11-4 11-5 11-6 11-7 RESUMEN 350

■

GLOSARIO 350

■

PROBLEMAS 352

CONTENIDO

Capítulo 12 Reforzamiento por dispersión por medio de transformaciones de fase y tratamiento térmico 357 12-1 12-2 12-3 12-4 12-5 12-6 12-7 12-8

Introducción 357 Nucleación y crecimiento en las reacciones en estado sólido 358 Aleaciones reforzadas excediendo el límite de solubilidad 362 Endurecimiento por envejecimiento o por precipitación 364 Aplicaciones de las aleaciones endurecidas por envejecimiento 364 Evolución microestructural en el endurecimiento por envejecimiento o por precipitación 365 Efecto de la temperatura y del tiempo de envejecimiento 367 Requerimientos para el endurecimiento por envejecimiento 369 Uso de aleaciones endurecibles por envejecimiento a altas temperaturas 369 Reacción eutectoide 370 Control de la reacción eutectoide 375 Reacción martensítica y revenido 380

12-9 12-10 12-11 RESUMEN 384

■

GLOSARIO 385

■

PROBLEMAS 387

Capítulo 13 Tratamiento térmico de aceros y hierros fundidos 391 Introducción

391

13-1 Designaciones y clasificación de los aceros 392 13-2 Tratamientos térmicos simples 396 13-3 Tratamientos térmicos isotérmicos 398 13-4 Tratamientos térmicos de templado y revenido 401 13-5 Efecto de los elementos de aleación 406 13-6 Aplicación de la templabilidad 409 13-7 Aceros especiales 412 13-8 Tratamientos superficiales 415 13-9 Soldabilidad del acero 417 13-10 Aceros inoxidables 418 13-11 Hierros fundidos 422 RESUMEN 428 ■ GLOSARIO 428 ■ PROBLEMAS 431

Capítulo 14 Aleaciones no ferrosas 436 14-1 14-2 14-3 14-4

Introducción Aleaciones de Aleaciones de Aleaciones de Aleaciones de

436 aluminio 438 magnesio y berilio 444 cobre 447 níquel y cobalto 451

xi

xii

CONTENIDO

14-5 Aleaciones de titanio 454 14-6 Metales refractarios y preciosos 462 RESUMEN 463 ■ GLOSARIO 463 ■ PROBLEMAS 464

Capítulo 15 Materiales cerámicos 468 Introducción

468

15-1 Aplicaciones de las cerámicas 469 15-2 Propiedades de las cerámicas 471 15-3 Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos 472 15-4 Características de las cerámicas sinterizadas 477 15-5 Vidrios inorgánicos 479 15-6 Vitrocerámicas 485 15-7 Procesamiento y aplicaciones de productos de arcilla 15-8 Refractarios 488 15-9 Otros materiales cerámicos 490 RESUMEN 492 ■ GLOSARIO 493 ■ PROBLEMAS 495

487

Capítulo 16 Polímeros 496 Introducción

496

16-1 Clasificación de los polímeros 497 16-2 Polimerización por adición y por condensación 501 16-3 Grado de polimerización 504 16-4 Termoplásticos comunes 506 16-5 Relaciones estructura-propiedades en los termoplásticos 16-6 Efecto de la temperatura sobre los termoplásticos 512 16-7 Propiedades mecánicas de los termoplásticos 518 16-8 Elastómeros (cauchos) 523 16-9 Polímeros termoestables 528 16-10 Adhesivos 530 16-11 Procesamiento y reciclaje de polímeros 531 RESUMEN 537 ■ GLOSARIO 538 ■ PROBLEMAS 540

509

Capítulo 17 Compuestos: trabajo en equipo y sinergia en los materiales 543 17-1 17-2 17-3 17-4

Introducción 543 Materiales compuestos endurecidos por dispersión 545 Materiales compuestos particulados 547 Materiales compuestos reforzados con fibras 553 Características de los materiales compuestos reforzados con fibras

557

CONTENIDO

17-5 Fabricación de fibras y materiales compuestos 564 17-6 Sistemas reforzados con fibras y sus aplicaciones 568 17-7 Materiales compuestos laminares 575 17-8 Ejemplos y aplicaciones de materiales compuestos laminares 17-9 Estructuras tipo emparedado 578 RESUMEN 579 ■ GLOSARIO 580 ■ PROBLEMAS 582

577

Apéndice A. Propiedades físicas seleccionadas de algunos elementos 585 Apéndice B. Radios atómicos y iónicos de elementos seleccionados 587 Respuestas a problemas seleccionados 589 Índice 592

xiii

1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales ¿Se ha preguntado alguna vez?

■

¿Por qué los joyeros añaden cobre al oro?

■

¿Cómo puede procesarse una lámina de acero para producir un material muy resistente, ligero, absorbente de energía y maleable utilizado en la fabricación del chasis de automóviles?

■

¿Pueden fabricarse circuitos electrónicos flexibles y ligeros utilizando plásticos?

■

¿Qué es un “material inteligente”?

■

¿Qué es un superconductor?

En este capítulo, se le introducirá al campo de la ciencia e ingeniería de materiales (CIM) utilizando diferentes ejemplos en el mundo real. Después se proveerá una introducción a la clasificación de materiales. La ciencia de materiales es la base de la mayoría de los avances tecnológicos. La comprensión de los conceptos básicos de los materiales y sus aplicaciones no sólo lo harán un mejor ingeniero,

también lo ayudarán durante el proceso de diseño.

Para ser un buen diseñador, debe aprender qué materiales serán apropiados emplear en distintas aplicaciones. El aspecto más importante de los materiales es que son permisibles; hacen que las cosas sucedan. Por ejemplo, en la historia de la civilización, los materiales como la piedra, el hierro y el bronce desempeñaron una función clave en el desarrollo 1

2

CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

de la humanidad. En el mundo vertiginoso actual, el descubrimiento de los monocristales de silicio y la comprensión de sus propiedades han permitido la era de la información.

En este capítulo y a lo largo del libro, se proveerán ejemplos convincentes de aplicaciones en el mundo real de los materiales de diseño. La diversidad de aplicaciones y los usos únicos de los mate-

1-1

riales ilustran el porqué un ingeniero necesita comprender a profundidad y conocer cómo aplicar los principios de la ciencia e ingeniería de materiales.

En cada capítulo, se inicia con una sección titulada ¿Se ha preguntado alguna vez? Estas preguntas están diseñadas para despertar su curiosidad, poner las cosas en perspectiva y formar un marco para lo que aprenderá en ese capítulo.

¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales?

La ciencia e ingeniería de materiales (CIM) es un campo interdisciplinario que trata con la invención de nuevos materiales y el mejoramiento de materiales conocidos anteriormente desarrollando una comprensión más profunda de las relaciones de la microestructura-composición-síntesis-procesamiento. El término composición se refiere a la constitución química de un material. El término estructura se refiere a la descripción de los arreglos de los átomos, como se observan en los diferentes niveles de detalle. Los científicos e ingenieros de materiales no sólo tratan con el desarrollo de materiales, también con la síntesis y procesamiento de materiales y los procesos de fabricación relacionados con la producción de componentes.

El término “síntesis” se refiere a cómo se fabrican materiales a partir de sustancias químicas de estado natural o hechos por el hombre. El término “procesamiento” se refiere a cómo se transforman los materiales en componentes útiles. Una de las funciones más importantes de los científicos e ingenieros de materiales es establecer las relaciones entre las propiedades de un material y su desempeño. En la ciencia de materiales, el énfasis está en las relaciones básicas entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales.

En la ingeniería de materiales, el enfoque está en cómo convertir o transformar materiales en dispositivos o estructuras útiles.

Uno de los aspectos más fascinantes de la ciencia de materiales involucra la investigación de la estructura de un material. La estructura de los materiales tiene una influencia profunda sobre muchas propiedades de los materiales, ¡aun si la composición general no cambia! Por ejemplo, si toma un alambre de cobre puro y lo dobla de manera repetida, ¡el alambre no sólo se vuelve más duro sino también se vuelve cada vez más quebradizo! Con el tiempo, el alambre de cobre puro se vuelve tan duro y quebradizo que se romperá con bastante facilidad. La resistencia eléctrica del alambre también aumentará a medida que se doble de manera repetida. En este ejemplo sencillo, observe que no se cambió la composición del material (es decir, su constitución química). Los cambios en las propiedades del material se deben con frecuencia a un cambio en su estructura interna. Si examina el alambre después de doblarse utilizando un microscopio óptico, observará lo mismo que antes (aparte de los dobleces, por supuesto). Sin embargo, su estructura ha cambiado a una escala muy pequeña o microscópica. La estructura a esta escala microscópica se le conoce como microestructura. Si se puede comprender lo que ha cambiado a un nivel micrométrico, se comenzarán a descubrir maneras de controlar las propiedades de los materiales.

1-1

¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales?

Desempeño Costo

3

¿Cuál es la capacidad de conducción de corriente? ¿Cuál es el costo de enfriamiento y fabricación?

A: Composición YBa2Cu3O7-X TIBa2Ca3Cu4O11 Bi2Sr2Ca2Cu3O10

C: Síntesis y procesamiento ¿Cómo pueden prepararse polvos puros, homogéneos, finos, de estequiometría bien definida? ¿Cómo se fabrican grandes longitudes de alambre?

B: Microestructura ¿Qué características de la estructura limitan la capacidad de conducción de corriente? ¿Cuál es la textura del material?

Figura 1-1 Aplicación del tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales a los superconductores cerámicos. Observe que la microestructura-síntesis y el procesamiento-composición están interconectadas y afectan la razón desempeño-costo.

Se pone en perspectiva el tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales examinando un producto de muestra de superconductores cerámicos inventada en 1986 (figura 1-1). Puede saber que los materiales cerámicos por lo regular no conducen electricidad. Los científicos encontraron, por accidente, que ciertos compuestos cerámicos basados en óxidos de itrio, bario y cobre (conocidos como OIBC) pueden en realidad conducir corriente eléctrica sin ninguna resistencia bajo ciertas condiciones. Con base en lo que se conocía entonces acerca de los superconductores metálicos y las propiedades eléctricas de las cerámicas, el comportamiento superconductor en las cerámicas no se consideraba como una gran posibilidad. Por tanto, la primera etapa en este caso fue el descubrimiento del comportamiento superconductor en materiales cerámicos. Estos materiales fueron descubiertos a través de investigación experimental. Una limitación de estos materiales es que sólo pueden superconducir a bajas temperaturas (<150 K).

La siguiente etapa fue determinar cómo hacer mejores estos materiales. Por “mejor” se refiere a: ¿cómo puede mantenerse el comportamiento superconductor en estos materiales a temperaturas más altas, o cómo puede transportarse una gran cantidad de corriente por una distancia larga? Esto involucra el procesamiento de materiales y estudios cuidadosos de estructura-propiedad. Los científicos de materiales deseaban conocer cómo la composición y la microestructura afectan el comportamiento superconductor. También querían conocer si

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CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

existían otros compuestos que exhiben superconductividad. A través de la experimentación, los científicos desarrollaron la síntesis controlada de polvos ultrafinos o películas delgadas que se utilizan para crear dispositivos útiles.

Un ejemplo de aproximar esto a partir de la perspectiva de la ingeniería de materiales será encontrar una manera de fabricar alambres largos para transmisión de energía. En aplicaciones, lo que se desea en última instancia es saber si se pueden fabricar grandes longitudes reproducibles y confiables de alambres superconductores que sean superiores a los alambres de cobre y aluminio actuales. ¿Se pueden producir tales alambres de una manera rentable?

El siguiente reto era fabricar grandes longitudes de alambres superconductores cerámicos. Los superconductores cerámicos son quebradizos, por lo que fabricar grandes longitudes de alambres era difícil. Por tanto, tenían que crearse técnicas de procesamiento de materiales para desarrollar la creación de estos alambres. Una forma exitosa de crear estos alambres superconductores fue llenar tubos de plata huecos con polvos de cerámica superconductora y después trefilarlas.

Aunque el descubrimiento de los superconductores provocó mucho entusiasmo, el camino hacia la conversión de este descubrimiento en productos útiles se ha encontrado con varios retos relacionados con la síntesis y el procesamiento de estos materiales.

En algunas ocasiones, los descubrimientos de nuevos materiales, fenómenos o dispositivos son señalados como revolucionarios. Actualmente, en retrospectiva, se considera revolucionario el descubrimiento en 1948 del transistor basado en silicio utilizado en los chips de computadora. Por otro lado, los materiales que han evolucionado por un periodo pueden ser igual de importantes. Estos materiales se consideran como evolucionarios. Varias aleaciones basadas en hierro, cobre y similares son ejemplos de materiales evolucionarios. Por supuesto, es importante reconocer que los que se consideran como materiales evolucionarios en la actualidad, crearon avances revolucionarios hace varios años. No es poco común que se descubran primero materiales o fenómenos y después pasen varios años antes de que aparezcan productos o procesos comerciales en el mercado. La transición del desarrollo de materiales o procesos nuevos a aplicaciones comerciales o industriales útiles puede ser lenta y difícil.

Examínense otros ejemplos utilizando el tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales. Obsérvense las “láminas de acero” utilizadas en la fabricación de chasises de automóviles.

Los aceros, como podría saber, han sido utilizados en la fabricación por más de una centena de años. Es probable que los primeros aceros existieran de una forma cruda durante la Era del Hierro, hace miles de años. En la fabricación de chasises de automóviles, se necesita un material que posea una resistencia extremadamente alta pero que se transforme fácilmente en contornos aerodinámicos. Otra consideración es la eficiencia del combustible, por lo que las láminas de acero también deben ser delgadas y ligeras. Las láminas de acero también deben ser capaces de absorber cantidades significantes de energía en el caso de un choque, por ende incrementando la seguridad del vehículo. Estos son requerimientos un tanto contradictorios.

Por tanto, en este caso, los científicos de materiales se interesan en la ■

composición;

■

resistencia;

■

densidad;

■

propiedades absorbentes de energía; y

■

ductilidad (conformabilidad) de las láminas de acero.

Los científicos de materiales examinarían el acero a un nivel microscópico para determinar si sus propiedades pueden alterarse para cumplir todos estos requerimientos.

También tendrían que procesar este material en un chasis de automóvil de una manera rentable. ¿Afectará el proceso de moldeado las propiedades mecánicas del acero? ¿Qué tipo de recubrimiento puede desarrollarse para hacer al acero resistente a la corrosión? También se necesita saber si estos aceros pudieran soldarse fácilmente. A partir de esta explicación, puede ver que se necesitan considerar varios aspectos durante el diseño y la selección de materiales para cualquier producto.

1-2 Clasificación de materiales

1-2

5

Clasificación de materiales Existen varias formas para clasificar materiales. Una es describir cinco grupos (tabla 1-1): 1. metales y aleaciones; 2. cerámicas, vidrios y vitrocerámicas; 3. polímeros (plásticos); 4. semiconductores; y 5. materiales compuestos.

Los materiales en cada uno de estos grupos poseen distintas estructuras y propiedades.

Las diferencias en resistencia, las cuales se comparan en la figura 1-2, ilustran el amplio intervalo de propiedades a partir de las cuales pueden seleccionar los ingenieros. Dado que los

TABLA 1-1 ■ Ejemplos, aplicaciones y propiedades representativos para cada categoría de materiales Ejemplos de aplicaciones

Propiedades

Cobre

Alambre conductor eléctrico

Hierro fundido gris

Bloques de motores de automóviles

Aceros de aleación

Llaves inglesas, chasis de automóviles

Conductividad eléctrica alta, buena conformabilidad Moldeable, torneable, amortiguador de vibraciones Endurecimiento significativo por tratamiento térmico

Metales y aleaciones

Cerámicas y vidrios SiO2-Na2O-CaO

Vidrios de ventanas y vidrios de sosa-cal

Al2O3, MgO, SiO2

Refractarios (es decir, recubrimientos resistentes al calor de hornos) para contención de metal fundido Capacitores para microelectrónica

Titanato de bario Sílice

Fibras ópticas para tecnología de la información

Ópticamente transparente, aislante térmico Aislantes térmicos, soportan altas temperaturas, relativamente inertes al metal fundido Alta capacidad de almacenamiento de carga Índice refractivo, pérdidas ópticas bajas

Polímeros Polietileno

Empaquetamiento de alimentos

Epoxi

Encapsulación de circuitos integrados

Fenólicos

Adhesivos para unir capas en madera laminada

Fácilmente convertible en películas delgadas, flexibles y herméticas Aislante eléctrico y resistente a la humedad Resistente, repelente a la humedad

Semiconductores Silicio (Si) GaAs

Transistores y circuitos integrados Sistemas optoelectrónicos

Comportamiento eléctrico único Convierte señales eléctricas a luz, láseres, diodos láser, etcétera

Componentes para aviones Herramientas de corte de carburo para maquinado Contenedores de reactores

Razón resistencia-peso alta Dureza alta, pero buena resistencia al impacto Bajo costo y alta resistencia del acero, con la resistencia a la corrosión del titanio

Compuestos Grafito-epoxi Carburo de tungsteno cobalto Acero revestido con titanio

CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

Compuestos Carbonoepoxi

Resistencia (MPa)

6

Kevlar-epoxi Cerámicas

Boropoliimida

SiC Si3N4 Polímeros PEEK Nailon Polietileno

ZrO2 Al2O3

Carbonopoliimida Vidriopoliéster

Metales y aleaciones Aleación de cobalto Acero de alta resistencia Acero de aleación Aleación de Cu-Be Aleación de níquel Aleación de titanio Latón de Cu-Zn Aleación de aluminio Aleación de zinc Plomo

Figura 1-2 Resistencias representativas de varias categorías de materiales. La resistencia de las cerámicas es bajo un esfuerzo de compresión.

materiales metálicos se utilizan de manera extensa en aplicaciones de carga, sus propiedades mecánicas son de gran interés práctico. Se dará una breve introducción aquí. El término “esfuerzo” se refiere a la carga o fuerza por unidad de área. La “deformación unitaria” se refiere a la elongación o cambio en dimensión dividida entre la dimensión original. La aplicación de “esfuerzo” ocasiona la “deformación unitaria”. Si la deformación unitaria no persiste después de que se quita la carga o tensión aplicada, se dice que la deformación es “elástica”. Si la deformación unitaria permanece después de que se quita la tensión, se dice que la deformación es “plástica”.Cuando la deformación es elástica, y el esfuerzo y la deformación están relacionados de manera lineal, a la pendiente del diagrama esfuerzo-deformación unitaria se le conoce como módulo de elasticidad o módulo de Young. Al valor del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se le conoce como “resistencia a la cedencia”.El porcentaje de deformación máximo que se puede obtener es una medida de la ductilidad de un material metálico. Estos conceptos se explicarán más adelante en el capítulo 6.

Metales y aleaciones Estos incluyen aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel. En general, los metales tienen buenas conductividades eléctricas y térmicas.

Los metales y las aleaciones tienen resistencias relativamente altas, rigidez alta, ductilidad o conformabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones de metales llamadas aleaciones proveen una mejora en una propiedad deseable en particular o permiten mejores combinaciones de las propiedades. La sección transversal de un motor de reacción mostrada en la figura 1-3 ilustra el uso de materiales metálicos en varias aplicaciones críticas.

Cerámicas Las cerámicas pueden definirse como materiales cristalinos inorgánicos. Las cerámicas son probablemente los materiales más “naturales”. La arena de la playa y las rocas son ejemplos de cerámicas de procedencia natural. Las cerámicas avanzadas son materiales preparados por la refinación de cerámicas de procedencia natural y otros procesos especiales.

Las cerámicas avanzadas se utilizan en los sustratos que albergan chips de computadora, sensores y activadores, capacitores, bujías de motores, inductores y aislantes eléctricos. Algunas cerámicas se utilizan como recubrimientos de barrera térmica para proteger los sustratos metálicos en motores de turbinas. Las cerámicas también se utilizan en productos de consumo

1-2 Clasificación de materiales

7

Figura 1-3 Corte de un motor de reacción. La sección de compresión delantera opera a temperaturas de baja a media y con frecuencia se utilizan partes de titanio. La sección de combustión trasera opera a altas temperaturas y se requieren superaleaciones basadas en níquel. La capa exterior experimenta bajas temperaturas, y son satisfactorios los materiales compuestos y las aleaciones base aluminio (cortesía de GE Aircraft Engines).

como pinturas, plásticos, neumáticos y en aplicaciones industriales tales como losetas para transbordadores espaciales, soporte de catalizadores y los sensores de oxígeno utilizados en automóviles. Las cerámicas tradicionales se utilizan para fabricar ladrillos, vajillas, sanitarios, refractarios (material resistente al calor) y abrasivos. En general, debido a la presencia de porosidad (agujeros pequeños), las cerámicas tienden a ser quebradizas. Las cerámicas también deben calentarse a temperaturas muy altas antes de que puedan fundirse. Las cerámicas son resistentes y duras, pero también son quebradizas. Por lo regular se preparan polvos finos de cerámicas y se convierten en distintas formas. Las nuevas técnicas de procesamiento forman cerámicas lo suficientemente resistentes a la fractura por lo que pueden utilizarse en aplicaciones de carga, tales como impulsores en motores de turbinas (figura 1-4). Las cerámicas tienen una

Figura 1-4 Una variedad de componentes cerámicos complejos, que incluyen impulsores y alabes, los cuales permiten que las turbinas operen de manera más eficiente a temperaturas más altas (cortesía de Certech, Inc.).

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CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

resistencia excepcional a la compresión (figura 1-2). ¿Puede creer que el peso de un camión de bomberos puede soportarse utilizando cuatro tazas de cerámica para café?

Vidrios y vitrocerámicas El vidrio es un material amorfo, aunque no siempre, derivado de la sílice fundida. El término “amorfo” se refiere a materiales que no tienen un arreglo regular y periódico de átomos. Los materiales amorfos se explicarán a detalle en el capítulo 3. La industria de la fibra óptica está basada en fibras ópticas fabricadas utilizando vidrios de sílice de alta pureza.

Los vidrios también se utilizan en casas, automóviles, pantallas de computadoras, televisores y cientos de otras aplicaciones. Los vidrios pueden tratarse de manera térmica (templarse) para hacerlos más resistentes. La formación de vidrios y la nucleación (creación) de cristales pequeños dentro de ellos por medio de un proceso térmico especial crea materiales que se conocen como vitrocerámicas. ZerodurTM es un ejemplo de un material vitrocerámico que se utilizan para construir los sustratos de espejos para telescopios grandes (por ejemplo, los telescopios Chandra y Hubble). Los vidrios y las vitrocerámicas se procesan por lo general por fusión y colado.

Polímeros Los polímeros son por lo regular materiales orgánicos producidos utilizando un proceso conocido como polimerización. Los materiales poliméricos incluyen al caucho (elastómeros) y varios tipos de adhesivos. Varios polímeros tienen muy buena resistencia eléctrica.

También proveen buen aislamiento térmico. Aunque tienen baja resistencia, los polímeros tienen una razón resistencia-peso muy buena. Por lo regular no son adecuados para el uso a altas temperaturas. Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a químicos corrosivos. Los polímeros tienen miles de aplicaciones que van de chalecos antibalas, discos compactos (CDs), cuerdas y pantallas de cristal líquido (LCDs) hasta ropa y tazas para café. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares grandes no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad y conformabilidad; los polímeros termofijos son más resistentes pero más quebradizos debido a que las cadenas moleculares están enlazadas estrechamente (figura 1-5). Los polímeros se utilizan en varias aplicaciones, incluyendo dispositivos electrónicos. Los termoplásticos se elaboran conformándolos en estado fundido. Los termofijos por lo regular se cuelan en moldes. El término plástico se utiliza para describir materiales poliméricos que contienen aditivos para mejorar sus propiedades.

Semiconductores Los semiconductores a base de silicio, germanio y arseniuro de galio son parte de una amplia clase de materiales conocidos como materiales electrónicos. La conductividad eléctrica de los materiales semiconductores está entre la de los aislantes cerámicos y los conductores metálicos. Los semiconductores han permitido la era de la información. En

Enlace cruzado de átomos o grupos de átomos

Termoplástico

Termofijo

Figura 1-5 La polimerización sucede cuando se combinan moléculas pequeñas, representadas por los círculos, para producir moléculas más grandes, o polímeros. Las moléculas de polímero pueden tener una estructura que consista en varias cadenas que estén enredadas pero no conectadas (termoplásticos) o pueden formar redes tridimensionales en las que las cadenas tengan enlaces cruzados (termofijos).

1-3 Clasificación funcional de los materiales

9

los semiconductores, el nivel de conductividad se controla para permitir su uso en dispositivos electrónicos tales como transistores, diodos, etc., se utilizan para construir circuitos integrados. En muchas aplicaciones, se necesitan monocristales grandes de semiconductores. Éstos se cultivan a partir de materiales fundidos. Con frecuencia, también se elaboran películas delgadas de materiales semiconductores utilizando procesos especializados.

Materiales compuestos La idea principal en el desarrollo de compuestos es combinar las propiedades de distintos materiales. Los compuestos se forman a partir de dos o más materiales, produciendo propiedades que no se encuentran en un solo material. El concreto, la madera laminada y fibra de vidrio son ejemplos de materiales compuestos. La fibra de vidrio se prepara dispersando fibras de vidrio en una matriz de polímero. Las fibras de vidrio hacen más rígida la matriz de polímero, sin aumentar de manera significativa su densidad. Con los compuestos se pueden producir materiales ligeros, resistentes, dúctiles y resistentes a altas temperaturas o pueden producirse herramientas de corte rígidas, pero resistentes al impacto que de otra manera se romperían. Los aviones avanzados y los vehículos aeroespaciales dependen en gran medida de compuestos tales como polímeros reforzados con fibra de carbono.

El equipamiento deportivo tal como bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis y similares también hacen uso de distintos tipos de materiales compuestos que son ligeros y rígidos.

1-3

Clasificación funcional de los materiales Los materiales se pueden clasificar con base en si la función más importante que desempeñan es mecánica (estructural), biológica, eléctrica, magnética u óptica. Esta clasificación de materiales se muestra en la figura 1-6. Se muestran algunos ejemplos de cada categoría. Estas categorías pueden dividirse en subcategorías.

Aeroespaciales Materiales ligeros tales como madera y una aleación de aluminio (que de manera accidental endurece la aleación utilizada para hacer al motor aun más resistente recogiendo cobre del molde utilizado para la fundición) fueron utilizados en el vuelo histórico de los hermanos Wright. Las aleaciones de aluminio, los plásticos, la sílice para losetas para transbordadores espaciales, los materiales compuestos de carbono-carbono y muchos otros materiales pertenecen a esta categoría.

Biomédicos Los huesos y dientes están hechos, en parte, de una cerámica formada de manera natural conocida como hidroxiapatita. Varios órganos artificiales, partes de remplazo de huesos, cánulas cardiovasculares, aparatos de ortodoncia y otros componentes se fabrican utilizando diferentes plásticos, aleaciones de titanio y aceros inoxidables no magnéticos. Los sistemas de imágenes ultrasónicas hacen uso de cerámicas conocidas como PZT (titanato de zirconio y plomo). Los imanes utilizados para la imagen de resonancia magnética hacen uso de superconductores metálicos de niobio con base de estaño.

Materiales electrónicos Como se mencionó anteriormente, los semiconductores, tales como los hechos de silicio, se utilizan para fabricar circuitos integrados para chips de computadoras. El titanato de bario (BaTiO3), el óxido de tantalio (Ta2O5) y muchos otros materiales dieléctricos se utilizan para fabricar capacitores cerámicos y otros dispositivos. Los superconductores se utilizan en la fabricación de imanes poderosos. El cobre, el aluminio y otros metales se utilizan como conductores en la transmisión de energía y en la microelectrónica.

Tecnología de energía y tecnología ambiental La industria nuclear utiliza materiales tales como dióxido de uranio y plutonio como combustibles. Otros numerosos materiales, tales como vidrios y aceros inoxidables, se utilizan en el manejo de materiales nucleares y desechos radiactivos. Las nuevas tecnologías relacionadas con las baterías y las celdas de combustible hacen

10

CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

Estructurales Aceros, aleaciones de aluminio, concreto, fibra de vidrio, plásticos, madera

Inteligentes PZT, aleaciones con memoria de forma de Ni-Ti, fluidos MR, geles de polímeros.

Ópticos SiO2, GaAs, Vidrios, Al2O3, YAG, ITO

Aeroespaciales Compuestos C-C, SiO2, silicio amorfo, aleaciones de Al, superaleaciones, ZerodurTM

Clasificación de los materiales funcionales

Magnéticos Fe, Fe-Si, NiZn y ferritas MnZn, Co-Pt-Ta-Cr, γ-Fe2O3

Biomédicos Hidroxiapatita, aleaciones de titanio, aceros inoxidables, aleaciones con memoria de forma, plásticos, PZT

Electrónicos Si, GaAs, Ge, BaTiO3, PZT, YBa2Cu3O7-x, Al, Cu, W, polímeros conductores

Tecnología de energía y medio ambiente UO2, Ni-Cd, ZrO2, LiCoO2, Si:H amorfo

Figura 1-6 Clasificación de los materiales funcionales. Observe que los metales, plásticos y cerámicas aparecen en distintas categorías. Se provee un número limitado de ejemplos en cada categoría.

uso de muchos materiales cerámicos tales como la zirconia (ZrO2) y polímeros. La tecnología de las baterías ha ganado una importancia significativa debido a la necesidad de muchos dispositivos electrónicos que requieren energía portable y más duradera. Las celdas de combustible también se están utilizando en algunos automóviles. La industria de la gasolina y el petróleo utiliza extensamente zeolitas, alúmina y otros materiales como sustratos catalizadores. Utilizan Pt, Pt兾Rh y varios otros metales como catalizadores. Muchas tecnologías de membranas para la purificación de líquidos y gases hacen uso de cerámicas y plásticos. La energía solar se genera utilizando materiales como Si cristalino y silicio amorfo (a:Si:H).

Materiales magnéticos Los discos duros de las computadoras y los casetes de audio y video utilizan varios materiales cerámicos, metálicos y poliméricos. Por ejemplo, las partículas de una forma especial de óxido de hierro, conocido como óxido de hierro gamma (γ-Fe2O3) se

1-4 Clasificación de los materiales con base en su estructura

11

depositan en un sustrato de polímero para fabricar casetes de audio. Se utilizan partículas de hierro de alta pureza para fabricar cintas de video. Los discos duros de las computadoras se elaboran utilizando mezclas basadas en aleaciones de cobalto-platino-tantalio-cromo (Co-Pt-Ta-Cr). Se utilizan muchas ferritas magnéticas para fabricar inductores y componentes para comunicaciones inalámbricas. Los aceros basados en hierro y silicio se utilizan para producir núcleos de transformadores.

Materiales fotónicos u ópticos La sílice se utiliza ampliamente para fabricar fibras ópticas.

Se han instalado casi 10 millones de kilómetros de fibra óptica alrededor del mundo. Los materiales ópticos se usan para producir detectores semiconductores y láseres empleados en los sistemas de comunicación de fibra óptica y otras aplicaciones. De manera similar, la alúmina (Al2O3) y los granates de itrio y aluminio (YAG, por sus siglas en inglés) se utilizan para elaborar láseres. El silicio amorfo se usa para fabricar celdas solares y módulos fotovoltaicos. Se utilizan polímeros para fabricar pantallas de cristal líquido (LCDs).

Materiales inteligentes Un material inteligente puede detectar y responder a un estímulo externo tal como un cambio en la temperatura, la aplicación de un esfuerzo o un cambio en la humedad o ambiente químico. Por lo regular un sistema basado en materiales inteligentes consiste en sensores y activadores que leen los cambios e inician una acción. Un ejemplo de un material inteligente de manera pasiva es el titanato de zirconio y plomo (PZT) y las aleaciones con memoria de forma. Cuando se procesa de manera apropiada, el PZT puede someterse a un esfuerzo y se genera un voltaje. Este efecto se utiliza para fabricar dispositivos tales como generadores de chispas para parrillas de gas y sensores que detectan objetos bajo el agua tales como peces y submarinos. Otros ejemplos de materiales inteligentes incluyen los fluidos magnetoreológicos o MR. Éstas son pinturas magnéticas que responden a campos magnéticos y se están utilizando en los sistemas de suspensión de automóviles. Otros ejemplos de materiales y sistemas inteligentes son los vidrios fotocrómicos y los espejos con opacidad automática basados en materiales electrocrómicos.

Materiales estructurales Estos materiales están diseñados para soportar algún tipo de esfuerzo. Se utilizan aceros, concreto y compuestos para construir edificios y puentes. Los aceros, vidrios, plásticos y materiales compuestos también se utilizan ampliamente para fabricar automóviles. En estas aplicaciones, se necesitan con frecuencia combinaciones de resistencia, rigidez y tenacidad bajo distintas condiciones de temperatura y carga.

1-4

Clasificación de los materiales con base en su estructura Como se mencionó con anterioridad, el término “estructura” se refiere al arreglo de los átomos de un material; a la estructura a una escala microscópica se le conoce como “microestructura”. Se pueden ver estos arreglos a diferentes escalas, que van de unas cuantas unidades angstrom a un milímetro. En el capítulo 3 se aprenderá que algunos materiales pueden ser cristalinos (donde los átomos de los materiales están acomodados de una manera periódica) o pueden ser amorfos (donde los átomos de los materiales no tienen un orden de largo alcance).

Algunos materiales cristalinos pueden estar en la forma de un cristal y se les conocen como monocristales. Otros consisten en varios cristales o granos, y se les conoce como policristalinos. Las características de los cristales o granos (tamaño, forma, etc.) y las de las regiones entre ellos, conocidas como límites del grano, también afectan las propiedades de los materiales. Se explicarán a detalle estos conceptos en capítulos posteriores. En la figura 1-7 se presenta una micrografía de una muestra de acero inoxidable (que muestra granos y límites del grano). Para esta muestra, cada grano refleja la luz de manera distinta y esto produce un contraste entre los granos.

12

CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales Figura 1-7 Micrografía de acero inoxidable que muestra granos y límites del grano (cortesía del Dr. Hua y del Dr. DeArdo, Universidad de Pittsburgh).

Efectos ambientales y de otra índole Las relaciones estructura-propiedad en materiales fabricados para formar componentes con frecuencia están influidas por el entorno al que el material está sujeto durante el uso. Esto puede incluir la exposición a altas o bajas temperaturas, esfuerzos cíclicos, impacto súbito, corrosión u oxidación. Estos efectos deben tomarse en cuenta en el diseño para asegurar que los componentes no fallen inesperadamente.

Temperatura Los cambios en temperatura alteran drásticamente las propiedades de los materiales (figura 1-8). Los metales y las aleaciones que se han reforzado por medio de ciertos tratamientos térmicos o técnicas de formación perderán su resistencia cuando se calienten.

Un recordatorio trágico de esto es el colapso de las vigas de acero utilizadas en las torres del World Trade Center el 11 de septiembre del 2001.

Las altas temperaturas cambian la estructura de las cerámicas y ocasionan que los polímeros se fundan o carbonicen. En el otro extremo, las temperaturas muy bajas pueden ocasionar que un metal o un polímero fallen de manera quebradiza, aun cuando las cargas aplicadas sean bajas. Este resquebrajamiento a baja temperatura fue un factor que ocasionó que el

Compuesto de carbono-carbono

ación de

ro

níquel

e ím

Temperatura (°C)

ica

m rá Ce

io

Superale

in lum Po l

Compuesto de aluminio reforzado con fibras

A

Resistencia

1-5

Figura 1-8 El aumento en la temperatura por lo general reduce la resistencia de un material. Los polímeros sólo son adecuados a bajas temperaturas. Algunos compuestos, tales como los compuestos de carbono-carbono, aleaciones especiales y cerámicas, tienen excelentes propiedades a altas temperaturas.

1-5 Efectos ambientales y de otra índole Superficie de vuelo operada eléctricamente

13

Forma del fuselaje aerodinámico

Losetas metálicas de protección térmica metálicas Aerocubierta de material compuesto

Motores aerospike integrados

Tanque de combustible de material compuesto

Estructuras térmicas de titanio

Figura 1-9 Esquema de la aeronave prototipo X-33. Observe el uso de distintos materiales para diferentes partes. Este tipo de vehículo probará varios componentes para el Venturestar (De “A Simpler Ride into Space”, por T. K. Mattingly, octubre, 1997, Scientific American, p. 125, Copyright © 1997 Slim Films).

Titanic se fracturara y se hundiera. De manera similar, el accidente del Challenger en 1986 se debió en parte al resquebrajamiento de las juntas de obturación “o” de caucho. Las razones del porqué algunos polímeros y materiales metálicos se vuelven quebradizos son diferentes. Estos conceptos se explicarán en capítulos posteriores.

El diseño de materiales con resistencia mejorada a temperaturas extremas es esencial en varias tecnologías relacionadas con la aeronáutica. A medida que se alcanzan velocidades más altas, ocurre más calentamiento de la cubierta del vehículo debido a la fricción con el aire. Al mismo tiempo, los motores operan de manera más eficiente a temperaturas más altas. Por lo que, para lograr mayor velocidad y mejor rendimiento de combustible, nuevos materiales han aumentado de forma gradual las temperaturas permisibles para la cubierta y el motor. Pero los ingenieros de materiales se enfrentan continuamente con nuevos retos. El X-33 y el Venturestar son ejemplos de vehículos reutilizables avanzados que pretenden llevar pasajeros al espacio utilizando motores de cohetes de una sola etapa. La figura 1-9 muestra un esquema del prototipo X-33. El desarrollo de materiales y técnicas de procesamiento aun más refinadas es necesario para poder tolerar las altas temperaturas que se desarrollarán.

Corrosión La mayoría de las veces, la falla de materiales sucede como resultado de la corrosión y de alguna forma de sobrecarga de tensión. La mayoría de los metales y polímeros reaccionan con el oxígeno u otros gases, particularmente a temperaturas elevadas. Los metales y las cerámicas pueden desintegrarse y los polímeros y las cerámicas no provenientes de óxidos pueden oxidarse. Los materiales también son atacados por líquidos corrosivos, lo que lleva a la falla prematura. El ingeniero se enfrenta al reto de seleccionar materiales o recubrimientos que prevengan estas reacciones y permitan la operación en ambientes extremos. En aplicaciones espaciales, se pueden tener que considerar los efectos de la presencia de la radiación, la presencia de oxígeno atómico y del impacto con escombros.

14

CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

Fatiga En muchas aplicaciones, los componentes deben diseñarse de tal manera que la carga sobre el material no pueda ser la suficiente como para ocasionar una deformación permanente. Sin embargo, cuando se carga y descarga el material miles de veces, pueden comenzar a desarrollarse pequeñas fisuras y el material falla a medida que estas fisuras crecen. A esto se le conoce como falla por fatiga. Al diseñar componentes de soporte de carga, debe tenerse en cuenta la posibilidad de fatiga.

Velocidad de deformación Puede conocer el hecho de que la Silly Putty®, un plástico basado en la silicona (no en silicio), puede estirarse de manera significativa si se jala lentamente (velocidad de deformación pequeña). Si se jala rápido (velocidad de deformación alta) se rompe. Puede ocurrir un comportamiento similar con varios materiales metálicos. Por tanto, en varias aplicaciones, debe considerarse el nivel y la velocidad de la deformación.

En muchos casos, los efectos, de la temperatura, fatiga, esfuerzo y corrosión pueden interrelacionarse, y otros efectos externos podrian afectar el desempeño del material.

1-6

Diseño y selección de materiales Cuando se diseña un material para una aplicación dada, deben considerarse un número de factores. El material debe poseer las propiedades físicas y mecánicas deseadas. Debe ser capaz de ser procesado o fabricado en la forma deseada y debe proveer una solución económica al problema de diseño. La satisfacción de estos requerimientos de una manera que proteja al ambiente, quizás alentando el reciclaje de los materiales, también es esencial. Al cumplir con estos requerimientos de diseño, el ingeniero debe tener que hacer una variedad de compensaciones para poder generar un producto útil, pero comercial.

Como ejemplo, el costo del material se calcula por lo general con base en el costo por kg. Debe considerarse la densidad del material, o su peso por unidad de volumen, en el diseño y selección (tabla 1-2). El aluminio puede costar más por kg que el acero, pero sólo pesa un tercio del peso del acero. Aunque las partes hechas de aluminio deberán ser más gruesas, la parte de aluminio puede ser menos costosa que la hecha de acero debido a la diferencia de peso.

TABLA 1-2 ■ Razones resistencia-peso de varios materiales Material Polietileno Aluminio puro

Resistencia (kg/m2)

Densidad (g/cm3)

Razón resistencia-peso (cm)

70 × 104

0.83

8.43 × 104

4

2.71

16.79 × 104

21 × 106

455 × 10

3.16

0.66 × 106

5

1.38

7.61 × 105

Acero aleado tratado térmicamente

17 × 107

7.75

0.22 × 107

Aleación de aluminio tratada térmicamente

60 × 106

2.71

2.21 × 106

Compuesto carbono-carbono

6

42 × 10

1.80

2.33 × 106

Aleación de titanio tratada térmicamente

12 × 107

4.43

0.27 × 107

Compuesto de kevlar-epoxi

6

46 × 10

1.47

3.13 × 106

Compuesto de carbono-epoxi

56 × 106

1.38

4.06 × 106

Al2O3 Epoxi

105 × 10

1-6 Diseño y selección de materiales

15

En algunos casos, particularmente en aplicaciones aeroespaciales, el peso es un tema crítico, dado que el peso adicional del vehículo aumenta el consumo de combustible y reduce su alcance. Con el uso de materiales que sean ligeros pero resistentes, pueden diseñarse vehículos automotrices o aeroespaciales para mejorar el rendimiento del combustible. Muchos vehículos aeroespaciales avanzados utilizan materiales compuestos en lugar de aleaciones de aluminio. Estos compuestos, tales como los de carbono-epoxi, son más costosos que las aleaciones de aluminio tradicionales; sin embargo, el ahorro de combustible que se obtiene por la razón resistencia-peso mayor del compuesto (tabla 1-2) puede compensar el costo inicial mayor de la aeronave. El cuerpo de uno de los últimos aviones Boeing conocido como Dreamliner está hecho casi por completo de materiales compuestos de carbono-carbono. Existen literalmente miles de aplicaciones en las que se aplican consideraciones similares. Por lo regular la selección de materiales involucra compensaciones entre varias propiedades.

En este punto de la explicación se espera que pueda apreciar que las propiedades de los materiales no sólo dependen de su composición, sino también en cómo se preparan los materiales (síntesis y procesamiento) y, más importante, de su estructura interna. Esto es el porqué no es una buena idea que un ingeniero simplemente consulte un manual y seleccione un material para una aplicación dada. Los manuales pueden ser un buen punto de inicio. Un buen ingeniero considerará: los efectos de cómo se hizo el material, cuál es la composición exacta del material propuesto para la aplicación que se está considerando, cualquier procesamiento que debe realizarse para modelar el material o para fabricar un componente, la estructura del material después del procesamiento en un componente o dispositivo, el ambiente en el que se utilizará el material y la razón costo-desempeño. El conocimiento de los principios de la ciencia e ingeniería de materiales lo capacitarán en los conceptos fundamentales. Esto le permitirá tomar buenas decisiones técnicas en el diseño con materiales de ingeniería.

EJEMPLO 1-1

Materiales para un marco de bicicleta

Los marcos para bicicletas se fabrican utilizando acero, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio que contienen aluminio y vanadio y compuestos de fibra de carbono (figura 1-10). a) Si una bicicleta con marco de acero pesa 14 kg, ¿cuál será el peso del marco suponiendo que se utiliza aluminio, titanio y un compuesto de fibra de carbono para fabricar el marco de tal manera que el volumen del marco (el diámetro de los tubos) sea constante? b) ¿Qué otras consideraciones pueden tomarse en el diseño de marcos para bicicletas?

Figura 1-10 Los marcos para bicicletas necesitan ser ligeros, rígidos y resistentes a la corrosión (para el ejemplo 1-1) (cortesía de Chris harve/StockXpert).

15 Materiales cerámicos

¿Se ha preguntado alguna vez?

■

¿De qué está hecha la tira magnética en una tarjeta de crédito?

■

¿Qué material se emplea para proteger el transbordador espacial de las altas temperaturas durante la reentrada a la atmósfera?

■

¿Qué material cerámico se le añade comúnmente a las pinturas?

■

¿Qué material cerámico se encuentra en los huesos y dientes?

■

¿De qué están hechas las bujías?

El objetivo de este capítulo es examinar más de cerca la síntesis, el procesamiento y las aplicaciones de los materiales cerámicos. Las cerámicas se han usado por varios miles de años. La mayoría de las cerámicas exhiben buena resistencia bajo compresión; sin embargo, por lo regular virtualmente no exhiben ductilidad bajo tensión. La familia de los materiales 468

cerámicos incluye los materiales inorgánicos policristalinos y de un solo cristal, los vidrios inorgánicos amorfos y los vidrios cerámicos.

En los capítulos 2 y 3, aprendió acerca del enlace en los materiales cerámicos, las estructuras cristalinas de las cerámicas tecnológicamente útiles y los arreglos de iones en los vidrios.

15-1 Aplicaciones de las cerámicas Este capítulo se enfoca en la síntesis, el procesamiento y la aplicación de las cerámicas. También se recapitulará sobre el procesamiento y las aplicacio-

15-1

469

nes de los vidrios inorgánicos y de las vitrocerámicas. Se inicia con una explicación que resume la clasificación y las aplicaciones de las cerámicas.

Aplicaciones de las cerámicas Una manera de clasificar las cerámicas es con base en la clase de sus compuestos químicos (por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros, sulfuros, fluoruros, etc.). Otra manera, la cual se empleará aquí, es clasificar las cerámicas por su función principal.

Las cerámicas se usan en un intervalo amplio de tecnologías como refractarios, bujías, dieléctricos en capacitores, sensores, abrasivos, medios de almacenamiento magnético, etc. Los transbordadores espaciales hacen uso de ⬃25 000 losetas cerámicas reusables, ligeras y altamente porosas que protegen el fuselaje de aluminio del calor generado durante la reentrada en la atmósfera de la Tierra. Estas losetas se fabrican de fibras de sílice de alta pureza y sílice coloidal recubierto con un vidrio de silicato de boro. Las cerámicas también aparecen en la naturaleza como óxidos y en materiales naturales; el cuerpo humano tiene la asombrosa habilidad de producir hidroxiapatita, una cerámica encontrada en los huesos y dientes. Las cerámicas también se usan como recubrimientos. Los barnices son recubrimientos cerámicos aplicados a objetos de vidrio; los esmaltes son revestimientos cerámicos aplicados a objetos metálicos. Observe la clasificación mostrada en la tabla 15-1 y tome nota de las distintas aplicaciones. La alúmina y la sílice son los materiales cerámicos más ampliamente usados y, como notará, existen numerosas aplicaciones enlistadas en la tabla 15-1 que dependen del uso de estas dos cerámicas.

Lo siguiente es un breve resumen de las aplicaciones de algunos de los materiales cerámicos más ampliamente usados: La alúmina (Al2O3) se usa para contener metal fundido o en aplicaciones donde un material debe operar a temperaturas altas, pero donde también se requiere una resistencia alta. La alúmina también se usa como un sustrato con una constante dieléctrica baja para el encapsulamiento electrónico de los chips de silicio. Una aplicación clásica es en los aislantes en las bujías. También se encuentran algunas aplicaciones únicas en el uso médico y dental.

La alúmina dopada con cromo se emplea para fabricar láseres. Las partículas finas de alúmina se usan como soportes catalíticos.

El diamante (C) es el material en estado natural más duro. Los diamantes industriales se usan como abrasivos para el molido y pulido. Los recubrimientos de diamante y parecidos al diamante preparados usando procesos de deposición químicos al vapor se usan para fabricar recubrimientos resistentes a la abrasión para muchas aplicaciones diferentes (por ejemplo, herramientas de corte). Por supuesto, también se emplea en la joyería.

La sílice (SiO2) probablemente es el material cerámico más ampliamente usado. La sílice es un componente esencial en los vidrios y muchos vitrocerámicos. Los materiales basados en sílice se usan en el aislamiento térmico, refractarios, abrasivos, compuestos reforzados con fibras, artículos de vidrio de laboratorio, etc. En la forma de fibras largas y continuas, la sílice se usa para fabricar fibras de vidrio para las comunicaciones. Los polvos formados usando partículas finas de sílice se usan en neumáticos, pinturas y muchas otras aplicaciones.

El carburo de silicio (SiC) provee una resistencia a la oxidación sobresaliente a temperaturas incluso por arriba del punto de fusión del acero. El SiC se usa con frecuencia como un recubrimiento para metales, compuestos carbono-carbono y otras cerámicas que proveen

470

CAPÍTULO 15

Materiales cerámicos

TABLA 15-1 ■ Clasificación funcional de las cerámicas* Función

Aplicación

Eléctrica

Dieléctricos en capacitores Dieléctricos en microondas

Ejemplos de cerámicas

BaTiO3, SrTiO3, Ta2O5 Ba(Mg1/3Ta2/3)O3, Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 BaTi4O9, Ba2Ti9O20, ZrxSn1–xTiO4, Al2O3 Óxidos conductores SnO2 dopado con In (ITO) Superconductores YBa2Cu3O7–x (YBCO) Encapsulamiento electrónico Al2O3 Aislantes Porcelana Celdas de combustible de óxidos sólidos ZrO2, LaCrO3, LaMnO3 Piezoeléctrica Pb(ZrxTi1–x)O3(PZT), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) Electroóptica PLZT, LiNbO3 Magnética Medios de almacenamiento g-Fe2O3, CrO2(casetes de “cromo”) Ferrofluidos, tarjetas de crédito Fe3O4 Circuladores, aisladores, Ferrita al níquel-zinc inductores, imanes Ferrita al manganeso-zinc Óptica Fibras ópticas SiO2 dopado Vidrios Basadas en SiO2 Láseres Al2O3, granate de itrio y aluminio (YAG) Iluminación Al2O3, vidrios Automotriz Sensores de oxígeno, celdas de combustible ZrO2 Soporte de catalizador Cordierita Bujías Al2O3 Neumáticos SiO2 Parabrisas/ventanas Vidrios basados en SiO2 Mecánica/estructural Herramientas de corte Cermet de WC-Co Sialon Al2O3 Compuestos SiC, Al2O3, fibras de vidrio de sílice Abrasivos SiC, Al2O3, diamante, BN, ZrSiO4 Biomédica Implantes Hidroxiapatita Odontología Porcelana, Al2O3 Imagen por ultrasonido PZT Construcción Edificios Concreto Vidrio Muebles sanitarios Otras Aplicaciones de militares PZT, B4C Materiales para blindaje Sensores SnO2 Nuclear UO2 Vidrios para triturador de basura Procesamiento de metales Refractarios basados en alúmina y sílice, sensores de oxígeno, moldes de fundición, etcétera Química Catálisis Varios óxidos (Al2O3, ZrO2, ZnO, TiO2) Filtración de aire y líquidos Sensores Pinturas, hule Doméstico Tejas, sanitarios Cerámicas basadas en arcilla, alúmina y sílice, materiales vitrocerámicos, diamante, rubí, circonio cúbico y otros cristales Azulejos, losa para pisos, muebles sanitarios, línea blanca, utensilios de cocina Alfarería, arte, joyería

*Los acrónimos se indican en letra cursiva.

15-2 Propiedades de las cerámicas

471

protección a esas temperaturas extremas. El SiC también se usa como un abrasivo en ruedas rectificadoras y como reforzamiento de partículas y fibroso en los compuestos de matriz metálica y de matriz cerámica. También se emplea para fabricar elementos de calentamiento para hornos. El SiC es un semiconductor y es una muy buena opción para dispositivos electrónicos a altas temperaturas.

El nitruro de silicio (Si3N4) tiene propiedades similares a las del SiC, aunque su resistencia a la oxidación y a altas temperaturas es un poco menor. El nitruro y el carburo de silicio son las opciones probables para los componentes para motores de automóviles y para turbinas de gas, permitiendo temperaturas de operación (o funcionamiento) mayores y eficiencias mejores de combustible con un peso menor que los metales y aleaciones tradicionales.

El bióxido de titanio (TiO2) se usa para fabricar cerámicas electrónicas como el BaTiO3.

Sin embargo, su uso mayor es como un pigmento blanco para preparar pinturas. La titania se usa en ciertos materiales vitrocerámicos como un agente de nucleación. Las partículas finas de TiO2 se usan para preparar lociones bronceadoras que proveen protección contra los rayos ultravioleta.

La zirconia (ZrO2) se usa para fabricar muchas otras cerámicas como el zircón. También se emplea para fabricar sensores de gas oxígeno que se usan en la industria automotriz para medir el oxígeno disuelto en los aceros fundidos. Además se usa como un aditivo en muchas cerámicas electrónicas al igual que como un material refractario. La forma cúbica de los cristales individuales de zirconia se emplea para fabricar artículos de joyería. Las celdas de combustible basadas en zirconia probablemente aparecerán en automóviles por el año 2015.

15-2

Propiedades de las cerámicas En la tabla 15-2 se resumen las propiedades de algunas cerámicas. En la tabla 15-3 se resumen las propiedades mecánicas de algunas cerámicas estructurales.

Tome nota de las altas temperaturas de fusión y de las resistencias a la compresión altas de las cerámicas. También debe recordar que los valores de las resistencias a la tensión y a la flexión muestran una variación considerable dado que la resistencia de las cerámicas depende de la distribución de los tamaños de las imperfecciones y no es afectada por el movimiento de las dislocaciones. En el capítulo 7 se explicaron la distribución de Weibull y la resistencia de cerámicas y vidrios. También observe que, al contrario de la creencia común, las cerámicas no siempre son frágiles. A velocidades de deformación pequeñas y a temperaturas altas, muchas cerámicas con un tamaño de grano muy fino de hecho muestran un comportamiento superplástico.

TABLA 15-2 ■ Propiedades de las cerámicas policristalinas de uso común Coeficiente de dilatación térmica (ⴛ10ⴚ6 cm/cm)/°C

Dureza Knoop (DK) (100 g)

1810 1840

⬃6.8 0.57a, ⫺0.46b ⬃3.7 1.02 4.5 8.8

2100 5000 2500 7000 — —

2700

10.5

Material

Punto de fusión (°C)

Al2O3 BN SiC Diamante Mulita TiO2

2000 2732 2700

ZrO2 cúbica a

Perpendicular a la dirección de la presión.

Paralela a la dirección de la presión.

b

—

472

CAPÍTULO 15

Materiales cerámicos

TABLA 15-3 ■ Propiedades mecánicas de cerámicas avanzadas seleccionadas

Material Al2O3 SiC (sinterizado) Si3N4 (enlazado por reacción) Si3N4 (prensado en caliente) Sialon ZrO2 (estabilizado parcialmente) ZrO2 (endurecido por transformación)

15-3

Resistencia Resistencia Resistencia a Densidad a la tensión a la flexión la compresión (MPa) (MPa) (MPa) (g/cm3)

Módulo Tenacidad de Young a la fractura — (MPa) (MPa √m )

3.98 3.1 2.5 3.2 3.24 5.8

207 172 138 552 414 448

552 552 241 896 965 690

3025 3860 1030 3450 3450 1860

386 ⫻ 103 414 ⫻ 103 207 ⫻ 103 310 ⫻ 103 310 ⫻ 103 207 ⫻ 103

5.5 4.4 3.3 5.5 9.9 11.0

5.8

345

793

1725

200 ⫻ 103

12.1

Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos Los materiales cerámicos se funden a temperaturas altas y por lo general exhiben un comportamiento frágil a la tensión. Como resultado, los procesamientos de fundición y termomecánicos, empleados ampliamente para los metales, aleaciones y termoplásticos, no pueden aplicarse cuando se procesan cerámicas. Sin embargo, los vidrios inorgánicos aprovechan las temperaturas de fusión menores debidas a la formación de eutécticos y se hacen mediante el proceso de vidrio flotado. Dado que los procesamientos de fundición, vaciado y termomecánicos no son una opción viable para las cerámicas policristalinas, por lo regular se procesan las cerámicas en formas útiles comenzando con polvos cerámicos. Un polvo es una colección de partículas finas. La etapa de fabricación de un polvo cerámico se define aquí como la síntesis de cerámicas.

Se comienza con un polvo de cerámica y se prepara para moldearlo por trituración, molido, separación de impurezas, mezclado de distintos polvos y secado por atomización (o aspersión) para formar aglomerados blandos. Se emplean diversas técnicas como compactación, moldeo en cinta, extrusión y moldeo por escurrimiento para convertir de manera apropiada los polvos procesados en una forma deseada para obtener lo que se conoce como cerámica verde. Una cerámica verde es aquella que todavía no se ha sinterizado. A las etapas de la conversión de un polvo cerámico (o mezcla de polvos) en una forma útil se le conoce como procesamiento de polvos. La cerámica verde se consolida posteriormente empleando un tratamiento a alta temperatura conocido como sinterización o quemado. En este proceso, la cerámica verde se calienta a una temperatura alta, usando un tratamiento térmico y una atmósfera controlados, por lo que se obtiene un material denso. La cerámica puede sujetarse (o someterse) a operaciones adicionales como el rectificado, pulido o maquinación conforme sea necesario para la aplicación final. En algunos casos, se fijarán terminales, se depositarán electrodos o se tendrá que depositar revestimientos. En la figura 15-1 se resumen estas etapas generales encontradas en la síntesis y procesamiento de cerámicas.

Los polvos cerámicos preparados usando técnicas convencionales o químicas se moldean usando las mostradas en la figura 15-2. Se enfatiza en que se emplean procesos muy similares para el procesamiento de polvos metálicos y aleaciones, una ruta conocida como metalurgia de polvos. Los polvos consisten en partículas que están enlazadas débilmente y el procesamiento de polvos involucra la consolidación de éstos en una forma deseada. Con frecuencia, los polvos de cerámica preparados necesitan convertirse en aglomerados blandos atomizando una lechada del polvo a través de una boquilla en una cámara (secador por atomización) en la presencia de aire caliente. Este proceso conduce a la formación de aglomerados blandos que fluyen en los moldes empleados para la compactación de los polvos; a esto se le conoce como secado por atomización.

15-3 Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos Síntesis de polvos cerámicos

473

Figura 15-1 Etapas comunes para el procesamiento de cerámicas.

Trituración en molino de bolas, mezclado y secado por atomización de polvos usando aditivos de procesamiento

Moldeado de los polvos en formas útiles (cerámicas verdes) usando prensado, moldeo por escurrimiento, moldeo en cinta, etcétera

Consolidación en un objeto denso monolítico empleando sinterización o quemado

Procesamiento secundario (por ejemplo, rectificado, corte, pulido, deposición de electrodos, revestimiento, etcétera)

Producto cerámico sinterizado final

Compactación y sinterización Una de las maneras más rentables para producir miles de piezas relativamente pequeñas (⬃<15 cm) de formas sencillas es la compactación y el sinterización. Muchas cerámicas electrónicas y magnéticas, las puntas de herramientas de corte de WC-Co (cermet) y otros materiales se procesan empleando esta técnica. La fuerza conductora para la sinterización es la reducción en el área de superficie de un polvo (capítulo 5). Los polvos finos pueden secarse por atomización, formando aglomerados blandos que fluyen y se compactan bien. En la figura 15-3a) en la página 475 se muestran las diferentes etapas de la compactación uniaxial, en la que la fuerza de compactación se aplica en una dirección. Como ejemplo, en la figura 15-3b) se muestra la microestructura de una cerámica de tantalato de magnesio bario preparada usando compactación y sinterización. La sinterización involucra distintos mecanismos de transporte de masa [figura 15-3c)]. Con la sinterización, el límite de grano y la difusión de la masa (volumen) contribuyen a la densificación (incremento en la densidad). La difusión superficial y la condensación de la evaporación pueden ocasionar el crecimiento de los granos, pero no ocasionan densificación.

El proceso de compactación puede completarse en un minuto para partes pequeñas; por tanto, la compactación uniaxial es adecuada para la fabricación de un gran número de formas más pequeñas y sencillas. Éste proceso se emplea para crear lo que se llama “cerámicas verdes”; que tienen resistencias respetables, y que pueden manipularse y maquinarse. En algunos casos, pueden producirse piezas muy grandes (de hasta 100 cm de diámetro y de 200 a 240 cm de largo) usando un proceso llamado prensado isostático en frío (PIF) donde se aplica presión usando aceite. Estas piezas grandes se sinterizan después con o sin presión.

474

CAPÍTULO 15

Materiales cerámicos Polvos cerámicos

Molido en molino de bolas, mezclado y secado por atomización: aglutinantes surfactantes, plastificantes, etc., añadidos

Vaciado o moldeo por escurrimiento

Compactación (uniaxial o isostática)

Vaciado o moldeo en cinta

Extrusión

Moldeo por inyección

Secado

Maquinado opcional de la cerámica verde

Quemado y sinterizado del aglutinante utilizando una atmósfera controlada como sea necesario

Desgasificación

Prensado en caliente o prensado isostático en caliente

Maquinado secundario u otras operaciones

Producto cerámico sinterizado final Figura 15-2 Distintas técnicas para el procesamiento de cerámicas avanzadas.

El prensado isostático en frío se usa para alcanzar una densidad mayor de la cerámica verde o donde se requiere la compactación de formas más complejas.

En algunos casos, pueden producirse partes en condiciones en las que la sinterización se conduce aplicando presión. Esta técnica, conocida como prensado en caliente, se emplea para cerámicas refractarias y enlazadas de manera covalente que no muestran un buen comportamiento de sinterización sin presión. De manera similar, piezas grandes de metales y aleaciones compactadas empleando PIF pueden sinterizarse bajo presión en un proceso conocido como prensado isostático en caliente (PIC). En el prensado en caliente o PIC, la presión aplicada actúa contra la presión interna en los poros e incrementa la densificación sin ocasionar crecimiento de los granos. El prensado en caliente o prensado isostático en caliente también se usa para fabricar cerámicas o aleaciones metálicas donde se requiere muy poca o casi ninguna

15-3 Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos

1. Inicio del ciclo

475

3. Comienza la 2. Carga compactación (llenado) del molde con el polvo

Límite de grano

Grano Poro

Grano Grano

4. Compactación 5. Eyección 6. Recarga del completada de la parte molde

Figura 15-3 a) Compactación uniaxial de polvos que muestra el ensamble del molde y el punzón durante las diferentes etapas. Por lo regular, para partes pequeñas estas etapas se completan en menos de un minuto. (Fuente: de Materials and Processes in Manufacturing, octava edición, por E. P. DeGarmo, J.T. Black y R.A. Koshe, Fig. 16-4, Copyright © 1997 Prentice Hall. Reimpresa con permiso de John Wiley & Sons, Inc.). b) Microestructura de una cerámica de tantalato de magnesio bario (BMT) preparada empleando compactación y sinterización. (Fotografía cortesía de Schott North America). c) Diferentes mecanismos de difusión involucrados en la sinterización. El límite de grano y la difusión volumétrica (1, 2 y 5) hasta cuello contribuyen a la densificación. La condensación de la evaporación (4) y la difusión superficial (3) no contribuyen a la densificación. (Fuente: de Physical Ceramics: Principles for Ceramic Science and Engineering, por Y. M. Chiang, D. Birnie y W.D. Kingery, Fig. 5-40. Copyright 1997 John Willey & Sons, Inc. Material reproducido con permiso de John Wiley & Sons, Inc.).

476

CAPÍTULO 15

Materiales cerámicos

porosidad. También recientemente se han desarrollado procesos innovadores que hacen uso de microondas (similar a la forma en la que se calientan los alimentos en un horno de microondas) para el secado y sinterización de los materiales cerámicos.

Algunas cerámicas como, el nitruro de silicio (Si3N4), se producen por medio de enlace por reacción. El silicio se produce en una forma deseada y reacciona con nitrógeno para formar el nitruro. El enlazamiento por reacción, el cual puede realizarse a temperaturas más bajas, provee un mejor control dimensional en comparación con el prensado en caliente; sin embargo, se obtienen densidades y propiedades mecánicas menores. Como comparación, en la tabla 15-4 se muestra el efecto del procesamiento en las cerámicas de nitruro de silicio.

TABLA 15-4 ■ Propiedades del Si3 N4 procesado usando diferentes técnicas Resistencia a la compresión (MPa)

Resistencia a la flexión (MPa)

Moldeo por escurrimiento

138

69

Enlazamiento por reacción

772

207

Prensado en caliente

345

862

Proceso

Moldeo en cinta La técnica conocida como moldeo o vaciado en cinta se emplea para la producción de cintas cerámicas delgadas (⬃3 a 100 μm). La cinta se sujeta (o somete) a sinterización. Muchos de los encapsulamientos electrónicos comercialmente importantes basados en sustratos de alúmina y millones de capacitores de titanato de bario se fabrican usando este tipo de proceso de moldeo o vaciado en cinta.

Moldeo por escurrimiento Esta técnica por lo regular usa una lechada acuosa del polvo cerámico. La lechada, conocida como suspensión acuosa, se vierte en un molde de yeso blanco (CaSO4 : 2H2O) (figura 15-4). A medida que el agua de la lechada comienza a salir por la acción capilar, se forma una masa espesa a lo largo de la pared del molde. Cuando se forma el suficiente grosor del producto, se vierte el resto de la lechada (a esto se le llama vaciado por drenaje).

También es posible continuar vertiendo más lechada para formar una pieza sólida (a esto se le llama vaciado sólido) (figura 15-4). También se puede aplicar una presión para inyectar la lechada en moldes de polímero. La cerámica verde después se seca y se sinteriza o se “quema” a una temperatura elevada. El vaciado por escurrimiento se emplea ampliamente para fabricar arte cerámico (figurillas y estatuas, lavamanos y otros muebles sanitarios cerámicos).

Extrusión y moldeo por inyección Éstas son técnicas populares empleadas para fabricar tubos para hornos, ladrillos, tejas y aislantes. La idea detrás del proceso de extrusión es usar una mezcla viscosa parecida a una masa de partículas de cerámica que contiene un aglutinante y otros aditivos. Esta mezcla tiene una consistencia parecida a la de la arcilla, la cual se introduce en una extrusora donde se mezcla bien en una amasadora, se corta, se pasa por un desaireador e inyecta en un dado donde la forma continua de la cerámica verde es producida por la extrusora. Este material se corta en longitudes apropiadas y después se seca y sinteriza.

Las cerámicas de cordierita usadas para fabricar estructuras en forma de panal de los convertidores catalíticos también se hacen usando el proceso de extrusión.

El moldeo por inyección de cerámicas es similar al de por inyección de polímeros (capítulo 16). El polvo de cerámica se mezcla con un plastificante termoplástico y otros aditivos. La mezcla se pasa a través de una extrusora y se inyecta en un molde. El moldeo por inyección de cerámicas es el más adecuado para formas complejas. El polímero contenido en la cerámica moldeada por inyección se quema y el resto del cuerpo cerámico se sinteriza a temperatura alta. Esta técnica es especialmente útil para la fabricación de formas complejas.

15-4

a) Se llena el molde con la solución acuosa

c) Se drena el exceso de la solución acuosa

Características de las cerámicas sinterizadas

477

b) El molde extrae el líquido y forma productos compactos a lo largo de las paredes del molde

d) Se extrae la pieza colada después de un secado parcial

Figura 15-4 Etapas en el vaciado por escurrimiento de cerámicas. (Fuente: de Modern Ceramic Engineering, por D.W. Richerson, p. 462, Fig. 10-34. Copyright © 1992 Marcel Dekker. Reimpresa con permiso).

15-4

Características de las cerámicas sinterizadas Para las cerámicas sinterizadas, el tamaño promedio del grano, la distribución del tamaño de grano, y el nivel y tipo de porosidad son importantes. De manera similar, dependiendo de la aplicación, pueden ocurrir segundas fases en la microestructura como granos separados de componentes disueltos en las soluciones sólidas de la matriz. Por tanto, las segundas fases en los límites de grano también se vuelven importantes. En el caso de las cerámicas extruidas, los efectos de la orientación también pueden ser importantes.

Granos y límites de grano El tamaño promedio del grano con frecuencia está relacionado con el tamaño de la partícula primaria. Una excepción a esto es si hay crecimiento del grano debido a tiempos de sinterización largos, crecimiento exagerado o anormal de los granos

478

CAPÍTULO 15

Materiales cerámicos

(capítulo 5). Por lo regular, las cerámicas con un tamaño de grano pequeño son más resistentes que las cerámicas con granos gruesos. Los tamaños de granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en los límites de los granos debido a la expansión y contracción anisotrópica. Por lo general, el comenzar con materias primas cerámicas finas produce un tamaño más fino de grano. Las propiedades magnéticas, dieléctricas y ópticas de los materiales cerámicos dependen del tamaño promedio de grano y, en estas aplicaciones, el tamaño del grano debe controlarse de manera apropiada. Aunque no se ha explicado esto a detalle aquí, en ciertas aplicaciones es importante usar cristales individuales de materiales cerámicos para evitar los límites de grano perjudiciales que siempre se presentan en las cerámicas policristalinas.

Porosidad Los poros representan el defecto más importante en las cerámicas policristalinas.

La presencia de poros por lo general es perjudicial para las propiedades mecánicas de cerámicas voluminosas, dado que los poros proveen una localización preexistente a partir de la cual puede crecer una grieta. La presencia de poros es una de las razones del porqué las cerámicas muestran comportamiento frágil bajo cargas de tensión. Dado que hay una distribución de tamaños de poros y el nivel general de porosidad cambia, las propiedades mecánicas de las cerámicas varían. La variabilidad se mide usando las estadísticas de Weibull (capítulo 7). Por otro lado, la presencia de poros puede ser útil para incrementar la resistencia al choque térmico. En ciertas aplicaciones, como filtros para metales y aleaciones calientes o para líquidos o gases, la presencia de poros interconectados es deseable.

Los poros en una cerámica pueden estar interconectados o cerrados. La porosidad aparente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad, o la facilidad con la que los gases y fluidos se trasminan a través de los componentes cerámicos. La porosidad aparente está determinada por el peso de la cerámica seca (Wd), volviendo a pesar la cerámica cuando está suspendida en agua (Ws) y después de que se remueve del agua (Ww). Usando unidades de gramos y cm3:

Porosidad aparente ⫽

Ww Ww

Wd Ws

100

(15-1)

La porosidad real incluye los poros interconectados y los cerrados. La porosidad real, la cual se correlaciona mejor con las propiedades de las cerámicas es:

Porosidad real ⫽

r

B r

100

(15-2)

donde

B⫽

Wd Ww

Ws

(15-3)

B es la densidad volumétrica y r es la densidad real o gravedad específica de la cerámica. La densidad volumétrica es el peso de la cerámica dividido entre su volumen. El siguiente ejemplo ilustra cómo se determinan los niveles de porosidad en las cerámicas.

EJEMPLO 15-1

Cerámicas de carburo de silicio

Las partículas de carburo de silicio se compactan y queman a una temperatura alta para producir una forma cerámica resistente. La gravedad específica del SiC es de 3.2 g兾cm3. La forma cerámica se pesa subsecuentemente cuando está seca (360 g), después de remojarse en agua (385 g) y mientras se suspende en agua (224 g). Calcule la porosidad aparente, la real y la fracción del volumen de poros que están cerrados.

15-5

Vidrios inorgánicos

479

SOLUCIÓN Porosidad aparente ⫽

Ww Ww

Wd Ws Wd

Densidad volumétrica ⫽ B ⫽ Porosidad real ⫽

100 ⫽

r

Ww B

Ws

⫽

100 ⫽

r

385 ⫺ 360 385 ⫺ 224

100 ⫽ 15.5%

360 ⫽ 2.24 385 ⫺ 224

3.2 ⫺ 2.24 3.2

100 ⫽ 30%

El porcentaje de poros cerrados es la porosidad real menos la porosidad aparente o 30 ⫺ 15.5 ⫽ 14.5%. Por tanto,

Fracción de poros cerrados ⫽

Vidrios inorgánicos En el capítulo 3, se explicaron los materiales amorfos como los vidrios. También se explicaron los conceptos de orden de corto alcance en comparación a largo alcance en términos de los arreglos atómicos o iónicos en los materiales monocristalinos. El más importante de los materiales monocristalinos son los vidrios, especialmente los basados en sílice. Por supuesto, existen vidrios basados en otros compuestos (por ejemplo, sulfuros, fluoruros y distintas aleaciones).

Un vidrio es un material metaestable que se ha endurecido y vuelto rígido sin cristalizar. Un vidrio, en algunos aspectos, parece un líquido subenfriado. Abajo de la temperatura de vitrificación (Tv) (figura 15-5), la velocidad de contracción volumétrica durante el enfriamiento se reduce y el material puede considerarse un “vidrio” en lugar de un “líquido subenfriado”. La unión de tetraedros de sílice u otros grupos iónicos produce un sólido, pero una estructura de armazón no cristalina produce estructuras vidriosas (o vítreas) (capítulo 3).

Figura 15-5 Cuando la sílice se cristaliza en el enfriamiento, se observa un cambio abrupto en la densidad. Sin embargo, para los vidrios de sílice el cambio en la pendiente de la temperatura de vitrificación indica la formación de un vidrio del líquido subenfriado. El vidrio no tiene una Tm o Tv fija. Los materiales cristalinos tienen una Tm fija y no tienen una Tv .

Cristali

na

Vidrio

Líq sub uido en fria do

Densidad

15-5

14.5 ⫽ 0.483 30

Líq

uid

Tv

Temperatura

o

Este texto proporciona a los estudiantes una sólida comprensión de la relación entre estructura, procesamiento y propiedades de los materiales. Donald Askeland y Pradeep Fulay enseñan los conceptos fundamentales de la estructura atómica y del comportamiento de los materiales y claramente vinculan a las cuestiones de "materiales" aquello a lo que los alumnos tendrán que enfrentar al entrar en la industria o a la escuela de posgrado (por ejemplo, el diseño de estructuras, selección de materiales o fallas de materiales). Mientras presentan conceptos fundamentales y los conectan a las aplicaciones prácticas, los autores hacen hincapié en los conceptos básicos necesarios sin abrumar a los alumnos con demasiado de la química o física subyacentes. El libro cubre los fundamentos con un enfoque integrado que hace énfasis en las aplicaciones de las nuevas tecnologías que permiten los materiales de ingeniería. También se examinan los desarrollos nuevos e interdisciplinarios en este campo tales como los nano materiales, materiales inteligentes, sistemas micro-electromecánicos (MEMS) y biomateriales.

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