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0. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
0. 1. Introducción
La Ciencia de los Materiales es la disciplina que se encarga de estudiar cómo están
formados los materiales y cuales son sus propiedades. El objetivo de esta disciplina es
proporcionar criterios para buscar y seleccionar los materiales más apropiados para cada
aplicación de ingeniería.
Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. Desde el
comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el
hombre para mejorar su nivel de vida. La producción de nuevos materiales y el procesado
de éstos constituyen una base importante de nuestra economía actual. La búsqueda de
nuevos materiales progresa continuamente, así los ingenieros mecánicos buscan materiales
resistentes a altas temperaturas, de forma que los motores de reacción funcionen más
eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para
conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y
temperaturas.
El estudio de los materiales se abordaría de la forma siguiente:
En primer lugar estaría el estudio de la estructura de los materiales, intentando comprender
cómo están constituidos. Tanto la composición como la estructura de un material tienen una
influencia muy importante sobre sus propiedades y su comportamiento.
Los ingenieros y los científicos que estudian y desarrollan materiales deben comprender su
estructura atómica. Veremos que las propiedades de los materiales se pueden controlar y
que, en realidad, se pueden adaptar a las necesidades de determinada aplicación, mediante
el control de la estructura y su composición.
La estructura de los materiales se puede examinar y describir en cinco niveles diferentes:
Macroestructura
Microestructura
Nanoestructura
Estructura atómica
Arreglos atómicos de corto y largo alcance
Macroestructura
La macroestructura es la estructura del material a nivel macroscópico, donde la escala de
longitud es aproximadamente mayor a 1000nm (nanómetros). Entre las propiedades que
constituyen la macroestructura están la porosidad, los recubrimientos superficiales y las
microfisuras internas o externas.
Microestructura
La microestructura es la estructura del material a una escala de longitud de
aproximadamente 10 a 1000nm. La escala de longitud es una longitud o intervalo de
dimensiones características dentro de la que se describen las propiedades o los fenómenos
que suceden en los materiales. En el caso normal, la microestructura comprende
propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la
orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los
materiales (un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos
es casi idéntico).
Estructura atómica
También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que los enlaces
atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales. La estructura
atómica incluye todos los átomos y sus arreglos, que constituyen los bloques estructurales
de la materia. A partir de estos bloques estructurales emergen todos los nano, micro y
macroniveles de estructura.
Las perspectivas obtenidas al comprender la estructura atómica y las configuraciones de
enlace de los átomos y moléculas son esenciales para una buena selección de materiales de
ingeniería, así como para desarrollar nuevos materiales avanzados.
Estructura cristalina
Los diversos átomos que forman el material se agrupan entre sí al solidificar. Dependiendo
de la forma o patrón cómo se agrupen los átomos se pueden clasificar los sólidos como:
Materiales cristalinos si los átomos se agrupan siguiendo patrones de ordenamiento
definidos. A los conjuntos de átomos ordenados de manera regular y definida se les llama
cristales. A un material cuyos átomos forman cristales se le llama material cristalino.
Materiales amorfos si los átomos se agrupan sin seguir ningún patrón de ordenamiento. Los
átomos se disponen al azar.
Materiales semicristalinos el material posee zonas cristalinas y zonas amorfas.
Un examen detenido del arreglo atómico permite distinguir entre materiales que son
amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) o cristalinos (los
que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones).
Los materiales amorfos sólo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras que los
materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglos atómicos de
corto alcance, los átomos o los iones muestran determinado orden sólo dentro de distancias
relativamente cortas.
Capítulo 0. Introducción
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Figura 0.1. Estructura de la sílice SiO2 cristalina (a) y amorfa (b).
Estudio de las propiedades de los materiales. Las propiedades de los materiales dependen
principalmente de su estructura atómica, su estructura cristalina y su microestructura. Las
propiedades del material son conceptos que permiten cuantificar el comportamiento o la
reacción del material ante estímulos externos.
Estudio de la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Las
propiedades que posea un material dependen en general de su estructura. Por ejemplo el
módulo de elasticidad de un material depende de la forma como se comporta el enlace
químico que une a sus átomos (estructura atómica). Ciertas propiedades magnéticas de los
materiales dependen de la estructura cristalina. Por ejemplo, el hierro con cierta estructura
cristalina es capaz de ser atraído por un imán (propiedad conocida como magnetismo); ese
mismo hierro (los mismos átomos) con una estructura cristalina diferente (algunos
materiales pueden cristalizar en diferentes tipos de redes, dependiendo de las condiciones,
lo cual se conoce como polimorfismo) no puede ser atraído por un imán (no posee
magnetismo). Las propiedades mecánicas dependen directamente de la microestructura que
presente el material. La Ciencia de Materiales estudia el vínculo entre la estructura (en
todos sus niveles) y las propiedades.
Estudio del procesamiento de los materiales. Durante el proceso de manufactura es habitual
cambiar la forma geométrica del material. Este proceso de cambio de geometría lleva
asociado cambios en las propiedades de los materiales.
Capítulo 0. Introducción
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0.2. Clasificación de los Materiales
Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos. Esta clasificación es muy
importante por que ayuda a generalizar y facilita la comprensión de ellos ya que se clasifican
ya sea por sus propiedades o estructura.
Metales. Son materiales cuyos átomos están unidos entre sí por enlaces metálicos. El enlace
metálico se caracteriza por tener electrones libres, lo cual motiva la elevada conductividad
eléctrica y térmica de estos materiales. Además el enlace metálico combinado con la
microestructura hacen que los metales puedan ser deformados significativamente cuando se
les aplica una fuerza. A esta propiedad la llamaremos ductilidad. Poseen también una
elevada resistencia mecánica, rigidez y ductilidad de ahí su amplio uso en aplicaciones
estructurales. Las aleaciones (combinaciones de metales y no metales) logran alcanzar
alguna propiedad deseable en mayor proporción o lograr una combinación de propiedades.
Materiales cerámicos. Son compuestos químicos entre elementos metálicos y no metálicos
(óxidos, nitratos, carburos..). Los átomos en las cerámicas están unidos entre sí por enlaces
iónicos. Este tipo de enlace provoca que este tipo de materiales no posea conductividad
térmica ni eléctrica, por lo que una de sus principales aplicaciones es como aislantes de la
electricidad y el calor. El enlace químico entre los átomos también motiva que las
cerámicas no puedan ser deformadas significativamente por lo que son considerados
materiales frágiles. Debido a su naturaleza química las cerámicas son inertes, por lo que no
reaccionan químicamente con el entorno que las rodea, lo que las hace resistentes a la
corrosión y degradación. Son materiales resistentes y duros aunque débiles y quebradizos.
Polímeros. La mayoría son compuestos orgánicos basados en elementos como el carbono,
hidrógeno y otros elementos no metálicos. Su estructura está formada por cadenas muy
largas. Los átomos que forman las moléculas están unidos entre sí por enlaces covalentes
mientras que las moléculas están adheridas entre sí por enlaces débiles. Normalmente los
materiales poliméricos tienen baja densidad, lo que se traduce en un peso bajo. La mayoría
son flexibles y fáciles de deformar.
Materiales compuestos. Son mezclas físicas de dos o más tipos diferentes de materiales
(metales con cerámicas, metales con polímeros, cerámicas con polímeros...). Lo que se
busca es obtener materiales con propiedades específicas proporcionadas por los
componentes que lo forman. Por ejemplo si se mezcla un polímero con fibras metálicas, es
posible obtener un material compuesto con bajo peso (aportado por el polímero) y que al
mismo tiempo pueda conducir la electricidad (propiedad aportada por las fibras metálicas).
Semiconductores. Su importancia se debe principalmente a que son la base de la
electrónica. Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores (metales) y los
aislantes (cerámicos). Estas propiedades eléctricas pueden controlarse en función de las
impurezas (átomos diferentes) que se encuentren en el material. Son muy frágiles.