Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales: Estructura, Propiedades y Aplicaciones
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Conceptos Fundamentales en Ciencia e Ingeniería de Materiales
La CIENCIA DE LOS MATERIALES implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades.
La INGENIERÍA DE LOS MATERIALES se fundamenta en las propiedades y diseña la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades.
Estructura y Propiedades
La ESTRUCTURA se refiere a cómo los átomos o moléculas se encuentran organizados entre sí.
Las PROPIEDADES de un material se expresan en términos del tipo y magnitud de la respuesta a un estímulo específico impuesto.
Tipos de Propiedades de los Materiales
A continuación, se detallan las propiedades más importantes de los materiales:
Las PROPIEDADES MECÁNICAS se relacionan con la carga o fuerzas aplicadas. Ejemplo: el módulo elástico y la resistencia.
Las PROPIEDADES ELÉCTRICAS, como la conductividad eléctrica y la constante dieléctrica.
Las PROPIEDADES TÉRMICAS se relacionan con el comportamiento de los sólidos y se representan en función de la capacidad calorífica y de la conductividad térmica.
Las PROPIEDADES MAGNÉTICAS se refieren a la respuesta de un material frente a la influencia de un campo magnético o lumínica.
Las PROPIEDADES QUÍMICAS indican la reactividad química de un material.
El Rol del Ingeniero y la Selección de Materiales
Importancia del conocimiento de materiales para el Ingeniero
¿Por qué los ingenieros deben conocer los tipos de materiales?
Los ingenieros deben conocer la manufactura, el procedimiento, el diseño y la construcción de componentes o estructuras con el fin de seleccionar y utilizar materiales, y analizar las fallas de los mismos.
Aspectos clave en la selección de materiales
¿Qué aspectos o decisiones importantes debe tomar un ingeniero al seleccionar un material?
Los aspectos cruciales a considerar son:
- Que los materiales puedan ser transformados de manera consistente en un producto, con las tolerancias dimensionales correctas durante su uso.
- Que las propiedades se puedan conseguir y mantener durante su uso.
- Que el material sea compatible con el entorno y otros componentes.
- Finalmente, el costo del material.
Definiciones de Materiales
Un MATERIAL es toda sustancia con cualidades útiles (sean térmicas, mecánicas o eléctricas, entre otras) que compone alguna pieza o elemento.
El MATERIAL DE INGENIERÍA se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura-diseño.
En resumen, los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de procesamiento y aplicación.
Clasificación de los Materiales
Materiales Metálicos
Los metales son sustancias inorgánicas. Normalmente se componen de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener elementos no metálicos (aleaciones).
Características de los Metales
Una de las características más preponderantes son sus electrones libres o electrones de valencia, que no pertenecen a ningún átomo en concreto y son los que determinan sus propiedades típicas, tales como:
- Alta conductividad térmica y eléctrica.
- Alta resistencia mecánica.
- Rigidez.
- Ductilidad, etc.
Todos los metales tienen en común que sus electrones más externos son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad (eléctrica y térmica), su brillo y su plasticidad. Sin embargo, el uso de los metales puros es limitado debido a su baja resistencia mecánica y a su tendencia a corroerse.