Materiales en Ingeniería: Metales, Cerámicos y Polímeros

2 Materiales usados en la ingeniería
2.1 Metales
Los metales y las aleaciones que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro
fundido, titanio, cobre, níquel, entre algunos; tienen como características una
adecuada conductividad térmica y eléctrica, además resistencia mecánica, alta
rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.
Ejemplo:
1.-Cobre. - Una de sus aplicaciones son alambres para conductores eléctricos y sus
propiedades van desde su alta conductividad hasta confortabilidad aceptable.
2.-Hierro fundido gris. Con el se hacen bloques para motores de automóvil, y
algunas de sus propiedades son moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de
vibraciones, entre algunas.
Los metales son útiles en aplicaciones estructurales o de carga, y se prefiere el
empleo de sus combinaciones denominadas aleaciones. La manera más general de
clasificación de los materiales es la siguiente:
a) Metálicos

Ferrosos

No ferrosos
b) No metálicos

Orgánicos

Inorgánicos
2.2 Metales Ferrosos
Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro,
sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las
principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio
y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

Fundición de hierro gris

Hierro maleable

Aceros

Fundición de hierro blanco
Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus
principales problemas es la corrosión.
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2.3 Metales no Ferrosos
Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales
ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en
comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las
nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir
considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido
notablemente en los últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en
la manufactura son:

Aluminio

Cobre

Magnesio

Níquel

Plomo

Titanio

Zinc
Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos
complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales
puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren
determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre,
plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).
2.4 Cerámicos.
Cerámico. - Material inorgánico que puede ser cristalino y/o amorfo. Los materiales
de cerámica como ladrillos, el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienen
escasa conductividad térmica y eléctrica, tiene buena resistencia y dureza, son
deficientes en ductilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados
en aplicaciones estructurales.
Ejemplo:
1.- los vidrios planos para ventana tienen buena transparencia y son aislantes
térmicos.
2.- Los refractarios para contener material fundido y sus propiedades es que son
aislantes térmicos, tienen alto punto de fusión, inertes ante el metal fundido.
Los materiales cerámicos se pueden clasificar:
a) Con base en la clase de sus compuestos químicos: óxidos, nitruros, carburos,
floruros, sulfuros.
b) Por su funcionalidad: Eléctricos, magnéticos, ópticos, de construcción, químicos,
domésticos.
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Los tipos de enlace que une a los cerámicos son el iónico y el covalente. Los
materiales cerámicos se procesan en polvo debido a que no se pueden fundir tan
fácilmente como lo hacemos con los metales y esta es una diferencia entre un metal
y un cerámico.
Un material cerámico es un material inorgánico con elevada temperatura de fusión,
por lo común duro y frágil. En cambio un material vitroceramoico son formas
cerámicas que se producen en el estado vítreo y que posteriormente se dejan
cristalizar durante un tratamiento térmico para lograr una mejor resistencia a la
tenacidad.
A continuación se dan a conocer ejemplos de ciertos materiales cerámicos y sus
usos:

Aluminio. - Se usa para contener metales fundidos, tienen elevada resistencia
mecánica, se usa en empaques electrónicos, aisladores de bujías, etc.

Nitrato de Bario.- Material cerámico electrónico de mas alta utilización, se usa para
capacitares.

Diamante.- Material mas duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para
pulverizar y pulir, en herramientas de corte y joyería.

Silíceo Silica.- Su uso mas amplió es como ingrediente de vidrios y vitroceramicos,
aislamientos térmicos, refractarios y abrasivos.
Cabe mencionar que algunos de los polvos cerámicos mas comunes son el oxido
de alumina, bióxido de titanio, oxido de zinc y oxido de zirconio.
Algunas de las características mas comunes es que es que se funden a altas
temperaturas y presentan un comportamiento frágil a al tensión, los materiales
cerámicos con un tamaño pequeño de grano son mas resistentes que los de grano
grueso, además del tamaño de grano dependen otras características como
magnéticas, dieléctricas y ópticas.
La diferencia entre un vidrio un vitroceramico y cerámico radica en:

Vitrocerámico.-Derivado del vidrio pero con estructura cristalina

Vidrio.- Sustancia inorgánica amorfa.
2.5 Polímeros.
El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se producen creando
estructuras moleculares a partir del petróleo en un proceso llamado polimerización.
Los polímeros tiene baja conductividad térmica y eléctrica, poca resistencia
mecánica y a altas temperaturas.
Ejemplo:
1.-El polietileno se aplica para empacado de alimentos, una de sus propiedades es
que es fácilmente comformable en delgadas películas flexibles e impermeables.
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2.-Epoxicos.- Se aplican en encapsulado de circuitos integrados y como propiedad
es buen aislante eléctrico y resiste a al humedad.
Un polímero es una macromolécula formada de la unión de moléculas mas
pequeñas llamadas monómeros. Dentro de los polímeros encontramos los
polímeros sintéticos tales como PE, PS, ABS, Nylon, PET y los naturales como son
la celulosa como pulpa de madera y algodón y hule. La diferencia que encontramos
entre un polímero natural y uno sintético es que el natural se encuentra en su estado
normal en la naturaleza y los sintéticos son modificaciones que se le hacen a los
naturales para obtener mejores propiedades.
Los tipos de enlace que unen a los polímeros es el enlace Covalente y el de Van
der Waals, además todos los polímeros tienen una estructura tridimensional
compleja. Los polímeros se clasifican por sus mecanismos de polimerización, por
su estructura y por su comportamiento.
Un homopolímero es una macromolécula formada por un solo tipo de monómeros;
en cambio el copólimero se forma por dos o mas monómeros diferentes. Los
termoplásticos son aquellos que reblandecen al calentarse y fluyen al aplicárseles
una fuerza, al enfriarse pueden calentarse de nuevo y volver a reblandecer,
polimerizan en cadenas lineales. (1-D) , los termofijos son aquellos que reblandecen
al calentarse por primera ves al enfriarse y volver a calentarse de nuevo se queman,
polimerizan en redes moleculares (3D).
La polimerización es un proceso en el cual moléculas más pequeñas se unen para
crear moléculas gigantes. La polimerización puede ser por adición y su
característica es que la unidad repetitiva tiene la misma formula química que la del
monómero o por condensación y su característica involucra la aparición de un
subproducto agua o alcohol.
Aplicaciones y características de algunos polímeros:
-Polipropileno:
-De acuerdo al acomodo del CH3
Atactico.- Es aquel donde los grupos CH3 están colocados ala azar
Isotactico.- Los grupos CH3 están colocados del mismo lado de la cadena principal.
Sindiotactico.- Los grupos CH3 están alternados a uno y otro lado de la cadena
principal.
-Aplicaciones.- Envolturas de cajas de cigarros, jeringas, popotes, tapetes, etc
-Poliestireno:
-Homopolímero.-Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de
fácil procesamiento
-Copólimero.-Es traslucido, dúctil, no posee barrera a las grasas, es permeable al
agua.
-Aplicaciones.- Se usa para contenedores de chocolates finos, bolsas y para
defensas de automóviles.
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*ABS:
-Acrilonitrilo.- Resistencia química, al rayado, al envejecimiento, al calor, a la
tensión.
-Butadieno.- Resistencia al impacto.
-Estireno.- Procesabilidad, rigidez, brillo, transparencia.
-Aplicaciones.- Paneles de computadora, carcasas de planchas, cajas de teléfono.
-PET:
-Es un material semicristalino, alta resistencia al impacto, transparente, larga vida,
excelente al O2.
-Generalmente se usa para embalague de bebidas carbonatadas, agua potable,
aceite comestible, productos industriales, cosméticos, empaque de alimentos.
-PVC:
-Material amorfo menos de 10% de cristalinidad,
-Se aplica en la industria eléctrica, piso, construcciones.
2.6 Materiales Compuestos
Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo
no puede dar, como le concreto, el triplay y la fibra de vidrio.
Ejemplo:
1.- Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes aeronáuticos por su
propiedad adecuada resistencia-peso.
2.-Carburo de tungsteno en matriz de cobalto. - Se aplica en herramientas de corte
para maquinado gracias a su alta dureza y buena resistencia al impacto.
Un material compuesto se compone de:
Matriz ----------- Refuerzo/Relleno
Polimérica ------- Metal- Cerámico
Cerámica ------- Metal- Polímero
Metálica ------- Polímero- Cerámico
Matriz. - Material que se encuentra en mayor proporción.
Refuerzo. - Agregado en la matriz con el fin de mejorar propiedades del artículo
terminado.
Relleno. - Agregado en la matriz cuyo único fin es aglomerar más material sin alterar
las propiedades resultantes del material.
Los compuestos se clasifican en tres: 1) Con partículas, 2) Con fibras y 3) Laminares
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1) Compuestos Particulados.- Tienen grandes cantidades de partículas gruesas que
no bloquean el deslizamiento con eficacia. Podemos encontrar:

Carburos cementados.- Contienen partículas cerámicas duras dispersas en
una matriz metálica.

Contactos eléctricos.-Los materiales utilizados en interruptores y relevadores
para contactos eléctricos deben ser resistentes al desgaste y conducir la
electricidad, por lo que se usa plata reforzada con tungsteno

Compuestos particulados de metales fundidos.- Son fundiciones de aluminio
con partículas de SiC dispersas para aplicación automotriz, incluyendo
pistones y bielas.
2) Compuestos reforzados con fibras.- Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor
rigidez y mejor relación resistencia-peso, esto se logra al incorporar fibras
resistentes y rígidas aunque frágiles, en una matriz blanda y dúctil, pues la matriz
trasmite la resistencia a la fibra y esta resiste la fuerza.

Longitud y diámetro de las fibras.- Las fibras pueden ser cortas, largas o
continuas, se caracterizan sus dimensiones mediante la relación forma, la
resistencia mejora cuando la relación de forma es grande.

Cantidad de fibras.- Una fracción de volumen de fibras incrementa la
resistencia y la rigidez del compuesto, la fracción máxima es 80%.

Propiedades de las fibras.- Son resistentes rígidas y de poco peso, las
características mas importantes son resistencia especifica y modulo
especifico.

Propiedades de las matrices.- Soporta a las fibras manteniéndolas en su
posición correcta, trasfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de los
daños.

Compuestos avanzados.- Son de matriz polimérica y reforzados con fibras
poliméricas, metálicas o cerámicas. Se utilizan para artículos deportivos.
Raquetas, palos de golf, cañas de pescar, etc.

Compuestos de matriz metálica.- Se refuerzan con fibras metálicas o
cerámicas para resistencia a la alta temperatura., en compuestos matriz
metálica se usa el aluminio como en motores diesel, las fibras poliméricas
por tener baja temperatura de fusión y degradación no se usan comúnmente,
estos compuestos tienen aplicaciones en turborreactores y cohetes, una
aplicación única para los compuestos de matriz metálica es el alambre
superconductor que se requiere en los reactores de fusión.

Compuestos de matriz cerámica: Los compuestos carbono-carbono, se usan
para tener alta resistencia a la temperatura en aplicaciones aerospaciales;
los compuestos carbono-carbono se fabrican formando un tejido de fibra de
carbono en un molde y luego se impregna con una resina orgánica, luego se
piroliza y la resina se hace carbono; los compuestos matriz cerámica-fibra
cerámica han obtenido una mayor resistencia y tenacidad a la fractura, los
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refuerzos de fibra mejoran la tenacidad de la matriz cerámica; la diferencia
de la matriz cerámica con respecto a al polimérica o metálica es que la unión
entre la matriz y el refuerzo/relleno debe ser mala y no buena.
3) Metales Compuestos Laminares.- Incluyen recubrimientos delgados, superficies
protectoras mas gruesas, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados; están
diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando bajo costo, alta
resistencia o bajo peso; tienen una resistencia superior al desgaste o a la abrasión
y características de expansión térmicas poco usuales; para construir compuestos
laminados se usan técnicas de deformación y de unión tales como:

Unión por laminación adhesiva.- Se colocan varias capas, entre ellas se
coloca una película de polímero que no a terminado de polimerizar, al
comprimirse a altas temperaturas se polimeriza y se logra la unión.

Unión por explosión.- Una carga explosiva proporciona la presión requerida
para la unión de los metales.

Soldadura capilar.- Las hojas metálicas separadas por un espacio pequeño,
se calienta por encima de la temperatura de fusión del material de aporte, el
cual ya fundido es atraído por acción capilar a la unión.
3 Normas para la selección de los materiales
3.1 Dirección General de Normas (DGN)
La Dirección General de Normas, además de realizar directamente actividades
relacionadas con la metrología científica, industrial y legal, coordina los esfuerzos
del sector público federal a dichos sistemas por medio de las instituciones
competentes en la materia.
Las actividades que realiza directamente son:
• Conservar los prototipos nacionales del metro y del kilogramo.
• Expedir normas oficiales mexicanas (NOM’s) en la materia.
• Expedir la lista de instrumentos de medición cuya verificación inicial, periódica y
extraordinaria es obligatoria.
• Difundir el uso y aplicación del Sistema General de Unidades de Medida.
• Autorizar los patrones nacionales de medición.
• Conservar los prototipos nacionales del metro y kilogramo.
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• Coordinar la operación del Sistema Nacional de Calibración (SNC) mediante el
cual se acreditan laboratorios de calibración
3.2 AISI/SAE
(También conocida por SAE-AISI) es una clasificación de aceros y aleaciones de
materiales no ferrosos. Es la más común en los Estados Unidos.
AISI es el acrónimo en inglés de American Iron and Steel Institute (Instituto
americano del hierro y el acero), mientras que SAE es el acrónimo en inglés
de Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotores).
En 1912, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de aceros
donde se estableció una nomenclatura y composición de los aceros que
posteriormente AISI expandió.
En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la
aleación principal, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento
principal y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente
en la aleación.
Aleaciones principales
La aleación principal que indica el primer dígito es la siguiente:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Manganeso
Níquel
Níquel-Cromo, principal aleante el cromo
Molibdeno
Cromo
Cromo-Vanadio, principal aleante el cromo
Níquel-Cromo-Molibdeno, principal aleante el molibdeno
Níquel-Cromo-Molibdeno, principal aleante el níquel.
Los aceros resistentes al calor de denominación 7, prácticamente no se
fabrican
3.3 SAE
Es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers (Sociedad
Norteamericana de Ingenieros Automotores).
En 1912, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de aceros
donde se estableció una nomenclatura y composición de los aceros que
posteriormente AISI expandió.
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En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la
aleación principal, el segundo la aleación secundaria y con los dos últimos dígitos
se conoce la cantidad de carbono presente en la aleación.
Regulan desde materiales hasta grados de viscosidad de aceites y como todas
normas sirven para estandarizar y asegurar que las construcciones o los
componentes cumplan ciertos requisitos mínimos para así asegurar la calidad de un
producto
3.4 ASTM
Las normas ASTM las usan los individuos compañías y agencias en todo el mundo.
Los compradores y vendedores incorporan normas en sus contratos; los científicos
e ingenieros las usan en sus laboratorios y oficinas; los arquitectos y diseñadores
las usan en sus planos; las agencias gubernamentales de todo el mundo hacen
referencia a ellas en códigos regulaciones y leyes: y muchos otros las consultan
para obtener orientación sobre muchos temas.
Las normas de ASTM son "voluntarias" en el sentido de que ASTM no exige
observarlas. Sin embargo las autoridades gubernamentales con facultad normativa
con frecuencia dan fuerza de ley a las normas voluntarias, mediante su cita en leyes,
regulaciones y códigos.
En los Estados Unidos la relación entre los normalizadores del sector privado y el
sector público se ha fortalecido con una promulgación en 1995, de la Ley Nacional
sobre Transferencia y Avance tecnológico (Ley Pública 104-113). La ley exige a las
agencias gubernamentales el uso de normas desarrolladas en forma privada,
siempre que sea posible, ahorrando de esta manera millones de dólares a los
contribuyentes, al evitar la duplicación de esfuerzos de normalización. Los usos de
las normas ASTM so innumerables y entre ellos se encuentran:
Petróleo: los viajeros por tierra y por aire tienen confianza en la calidad estándar de
los combustibles que usan a donde quiera que vayan debido algún número de
normas ASTM aplicables al petróleo, reconocidas alrededor del mundo.
Medio Ambiente: Los constructores de edificaciones comerciales pueden satisfacer
los requisitos de la Ley de Respuesta Ambiental
Exhaustiva, compensación y Responsabilidad (CERCLA), valiéndose de las normas
ASTM para evaluaciones ambientales en el sitio.
Deportes y equipos recreativos: La incidencia y severidad de las lesiones en la
cabeza se reduce cuando los ciclistas usan casco y otros dispositivos de protección
fabricados con base en una norma ASTM.
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Si gusta conocer más de las Normas de ASTM, entre a la base Specs and
Standards, la cual provee acceso inmediato a información técnica y regulatoria más
completa del mundo. Incluye normas y especificaciones de más de 480 organismos
internacionales, así como códigos, reglamentos y manuales para todas las
industrias.
Y si quiere conocer información de ASTM Digital Library, base de datos con más
de 19,000 documentos de las áreas de ingeniería de gran uso para la industria y la
academia. Su contenido incluye: más de 13,000 artículos de revistas: Journal of
ASTM International
(JAI), Geotechnical Testing Journal (GTJ), Journal of Testing and Evaluation
(JOTE), Journal of Forensics Sciences, Journal of
Composites, Technology and Research (JCTR) Journal of Cement, Concrete and
Aggregates (CCA) y 50 manuales DIN
DIN es el acrónimo de Deutsches Institut für Normung ('Instituto Alemán de
Normalización').
El Deutsches Institut für Normung e.V. (su marca empresarial es DIN), con sede en
Berlín, es el organismo nacional de normalización de Alemania. Elabora, en
cooperación con el comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e
instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización y el
aseguramiento de la calidad. El DIN representa los intereses alemanes en las
organizaciones internacionales de normalización (ISO, CEI, etc.).
3.5 ASM
(Acceleration Simulation Mode) tiene su origen en EEUU de acuerdo a
determinaciones de la agencia ambiental de ese país (EPA). También se aplica en
México.
El 24 de abril de 2007 fue publicado en el Diario Oficial el Decreto 149/06 del MTT
que establece un nuevo procedimiento para el control de emisiones en vehículos en
uso, de encendido por chispa (ciclo Otto), con sello verde, en plantas de revisión
técnica (PRT).
Su entrada en vigencia en la RM, fue recientemente postergada para el 1 de
septiembre de 2008. En los próximos años se implementaría en regiones.
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La finalidad es identificar vehículos con problemas en el sistema de control de
emisiones mediante la medición de CO, NOx y HC en carga. En especial se busca
detectar problemas en el convertidor catalítico.
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BIBLIOGRAFÍA


http://www.buenastareas.com/ensayos/Normas-Asm/802191.html
http://hasaelduranluna.galeon.com/normas.pdf
http://html.rincondelvago.com/materiales-de-ingenieria.html

http://es.wikipedia.org/wiki/AISI-SAE


http://www.eumed.net/libros/2007b/281/50.htm
Hamrock Bernard, Jacobson Bo y Schmid Steven. Elementos de máquinas,
México: Editorial Mc Graw Hill. 2000 1ª edición.

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