Tecnología de materiales
La tecnología de materiales es el estudio y la práctica de técnicas analíticas, estudios de física y desarrollo de materiales. Es también la disciplina de la ingeniería que se ocupa de los procesos industriales que nos proporcionan las piezas que componen las máquinas y los objetos diversos, basados en materias primas. El estudio de las propiedades de los materiales y de cómo podemos fabricarlos de una manera que cumpla con el propósito que queremos lograr es de vital importancia para cualquier rama de la ingeniería.
La vida, tal como la conocemos hoy en día, sería imposible sin esta parte del conocimiento científico-técnico. En este mismo momento, cuando lees estas palabras, estás haciendo uso de decenas de años de investigación en Tecnología de Materiales: para desarrollar todos los dispositivos electrónicos que hacen llegar esta información.
Con la ayuda de la Tecnología de Materiales, se lograron metas que parecían inaccesibles y dispositivos que hasta hace unos años formaban parte de la ciencia ficción. Cada día alcanzamos estándares de calidad más altos que facilitan a los ingenieros de otras áreas la mejora del mundo poco a poco.
Propiedades de los materiales
Estas propiedades se manifiestan en respuesta a estímulos como la electricidad, la luz, el calor o la aplicación de fuerzas a un material.
Describen características como la elasticidad, la conductividad eléctrica o térmica, el magnetismo o el comportamiento óptico, que generalmente no son alterados por otras fuerzas que actúan sobre él.
Propiedades mecánicas:
Las propiedades mecánicas son aquellas propiedades de los sólidos que se manifiestan cuando aplicamos una fuerza. Las propiedades mecánicas de los materiales se refieren a su capacidad de resistir la acción de las cargas: las cargas o fuerzas actúan momentáneamente, tienen un carácter de choque, en las que se subdividen:
Señal cíclica o variable:
Las cargas varían en valor, por dirección o por ambas simultáneamente.
Las principales propiedades mecánicas son: dureza, resistencia, elasticidad, plasticidad y elasticidad, aunque también se pueden considerar entre fatiga y fluencia.
Cohesión:
Resistencia de los átomos a separarse unos de otros.
Plasticidad:
Capacidad de un material de deformarse antes de la acción de una carga, la deformación restante cuando se retira. En otras palabras, es una deformación permanente e irreversible.
Dureza:
Es la fuerza de un cuerpo para ser raspado por otro. Lo opuesto a lo duro es lo blando. El diamante es duro porque es difícil de rayar. Es la capacidad de resistir la resistencia a la deformación de la superficie por una más dura.
Resistencia:
Se refiere a la propiedad que presentan los materiales para soportar las distintas fuerzas. Es la oposición al cambio de forma y a la separación, es decir, a la destrucción por acción de fuerzas o cargas.
Ductilidad:
Se refiere a la propiedad de que los materiales deben deformarse sin romper la rosca.
Maleabilidad:
Se refiere a la propiedad que los materiales deben deformar sin romper las hojas.
Elasticidad:
Se refiere a la propiedad que presentan los materiales que vuelven a su estado inicial cuando se les aplica una fuerza. La deformación recibida antes de la acción de una fuerza o carga no es permanente, devolviendo el material a su forma original cuando se retira la carga.
Higroscopicidad:
Se refiere a la propiedad de absorber o exhalar agua.
Sensibilidad:
Es la propiedad de dividir en la dirección de las fibras o de las hojas (si las tiene).
Resistencia:
Es la capacidad de resistir la resistencia a la destrucción por carga dinámica.
Opacas:
No dejan pasar la luz.
Transparentes:
Dejan entrar la luz.
Translúcidas:
permiten el paso de parte de la luz.
Propiedades acústicas
Transmisión de materiales o aislantes acústicos.
Propiedades eléctricas
Resistencia (p):
Es la medida de oposición de un material al paso de la corriente eléctrica. Se mide según el número de ohmios (Ω) que tiene una porción de 1 cm2 por unidad de longitud. De los cuales: p: Ω. cm2 / cm = Ω .cm
Conductividad eléctrica (σ):
Es la propiedad totalmente opuesta a la resistencia, ya que mide la capacidad de paso de la corriente eléctrica sin ninguna oposición, su valor es de 1 / p = 1 / Ω. cm.
Propiedades térmicas
Materiales aislantes conductores o térmicos. Las propiedades térmicas determinan el comportamiento térmico de los materiales.
Conductividad térmica:
Es la propiedad de los materiales de transmitir calor y, lógicamente, producir una sensación de frío al tacto. Un material puede ser un buen conductor térmico o uno malo.
Fusibilidad:
La facilidad con la que un material puede fundirse.
Soldadura:
Facilidad con la que un material puede soldarse consigo mismo o con otro material. Por supuesto, los materiales con buena fusión generalmente tienen buena soldabilidad.
Propiedades magnéticas
Los materiales magnéticos En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y atravesar campos magnéticos, que viene dada por la relación entre la fuerza del campo magnético existente y la inducción magnética que aparece dentro de dicho material.
Propiedades físico-químicas
Resistencia a la corrosión:
La corrosión se define como el deterioro de un material como resultado de un ataque electroquímico por su entorno. Cuando la corrosión es causada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que ocurre dependerá en cierta medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión por otros mecanismos. La corrosión puede ser por medio de una reacción química (reducción de óxidos) en la que intervienen dos factores: la parte fabricada y/o el medio ambiente, o por medio de una reacción electroquímica.
Las más conocidas son las alteraciones químicas de los metales debidas al aire, como la oxidación del hierro y del acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) y a todos los ambientes (medio acuoso, atmósfera, alta temperatura, etc.). Es un problema industrial importante porque puede causar accidentes (rotura de una pieza) y también representa un coste significativo, porque se estima que cada pocos segundos 5 toneladas de acero se disuelven en el mundo, a partir de unos pocos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero, multiplicadas por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituye una cantidad importante. La corrosión es un campo de la ciencia de los materiales que invoca nociones de química y física (físico-química).
Maleabilidad:
La maleabilidad es la propiedad de un material blando de adquirir una deformación acuosa por descompresión sin romperse. A diferencia de la ductilidad, que permite obtener hilos, la maleabilidad favorece la obtención de láminas delgadas de material.
El elemento más maleable conocido es el oro, que se puede pesar en hojas de una milésima de milímetro de espesor. Esta característica también tiene otros metales como el platino, la plata, el cobre, el hierro y el aluminio.
Reducción: se denomina reacción redox, reacción redox o simplemente reacción redox, a partir de reacciones químicas en las que se transfieren uno o más electrones entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.
Principios fundamentales de la tecnología de materiales
Las propiedades de uso de los materiales vienen dadas por su estructura. Los procesos de fabricación pueden cambiar esta estructura de una manera específica y predecible.
Las propiedades de los materiales cambian con el tiempo y a través del contacto con el medio ambiente.
Al seleccionar un material para una aplicación específica, primero debe probar este material para asegurarse de que su comportamiento es aceptable durante la vida útil del producto.
Reseña histórica de la tecnología de materiales
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades están estrechamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y dar forma a los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los prehistóricos encontraron útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos de los materiales utilizados: la Edad de Piedra, la Edad del Cobre, la Edad del Bronce o la Edad del Hierro. La última secuencia parece universal en todas las áreas, y el uso del hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su vez requiere una mayor mecanización que el uso de la piedra.
Las primeras civilizaciones tenían una disponibilidad mucho menor de materiales diferentes que las civilizaciones más técnicas. Inicialmente, sólo se disponía de materiales naturales o seminaturales, como piedras, madera, arcilla, pieles, etc. Los metales no preciosos rara vez se encuentran en la naturaleza, sino en formas minerales y se requiere un proceso de separación del metal puro del mineral correspondiente. Con el tiempo, en diferentes zonas del planeta, se han desarrollado técnicas para producir materiales con nuevas propiedades superiores a las naturales (principalmente aleaciones).
Es relativamente reciente que los científicos han llegado a comprender la relación entre los elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Estos conocimientos, adquiridos en los últimos 200 años, les han permitido, en gran medida, modificar o adaptar las características de los materiales. Quizás uno de los científicos más relevantes en este campo fue Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su microestructura.
Decenas de miles de materiales diferentes han sido desarrollados con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrio y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales y, en particular, del acero. Hoy en día, los avances electrónicos más sofisticados se basan en componentes llamados materiales semiconductores.
La historia de la humanidad ha estado estrechamente ligada al tipo de materiales que cada sociedad ha desarrollado. Por eso se conocen varias etapas históricas en este sentido, sin tener necesariamente una fecha exacta, o incluso que ocurran en diferentes momentos en diferentes sociedades humanas.
La edad de piedra se refiere entonces al período en el que un determinado grupo humano utilizó este material junto con otros de origen natural, como la madera o el hueso predominantemente. Normalmente asociada a una etapa tecnológicamente subdesarrollada, lo que no es necesariamente cierto, porque las culturas que hicieron importantes avances culturales como la azteca o la maya no pasaron formalmente la edad de piedra, no por falta de progreso, sino por la enorme variedad de materiales pétreos de los que dependían estas sociedades, que en gran medida satisfacían las necesidades a las que se enfrentaban.
La Edad del Bronce, que algunos llaman «Age Metal», se refiere al uso de metales y aleaciones, cuya importancia radica en que su obtención requiere la adquisición de complejas tecnologías metalúrgicas. El bronce es la aleación más famosa mencionada en la historia para referirse a la aparición de las culturas clásicas y del acero en la era de la revolución industrial.
Los tiempos más recientes se conocen como la «era de los polímeros», porque su uso se debe definitivamente a los avances en química altamente compleja. Los polímeros pueden tener prácticamente cualquier propiedad física, por lo que su uso se ha vuelto tan masivo que define muy bien a las sociedades modernas (sociedades plásticas).
Sin embargo, la historia, como el desarrollo de los materiales, no se detiene. Actualmente, se imponen materiales compuestos o compuestos. Formado por la unión de los demás.
Importancia de la tecnología de materiales en el campo de la ingeniería
Las actividades de los ingenieros de materiales van desde la producción de materias primas, incluido el reciclaje, pasando por el diseño y desarrollo de nuevos materiales, hasta la fabricación fiable y económica de productos acabados. Estas actividades suelen formar parte de las industrias aeroespacial, de transporte, electrónica, de conversión de energía y de sistemas biomédicos. El futuro traerá consigo retos y oportunidades cada vez mayores para nuevos materiales y procesos mejorados. Hoy en día, los materiales evolucionan más rápido que en cualquier otro momento de la historia. Los materiales nuevos y mejorados son una «tecnología subyacente» que puede fomentar la innovación y la mejora de los productos. Los productos de alta calidad se consiguen a través de un mejor procesamiento, y en el futuro se hará más hincapié en los procesos de recuperación y reciclaje. Por estas razones, muchas investigaciones designan el campo de los materiales como una de las carreras con excelentes oportunidades en el futuro.
La ingeniería de materiales se dedica al estudio de metales y no metales, en estado sólido y semisólido de agregación, en forma de adaptación y fabricación a las necesidades de la tecnología moderna, utilizando técnicas de laboratorio e instrumentos de investigación básica. Su importancia radica en el hecho de que esta ingeniería proporciona al hombre la oportunidad de adaptar su entorno a sus necesidades, utilizando los materiales para conseguir una «adaptación artificial» que le costaría millones de años de evolución. En este artículo se hace una breve historia de la ingeniería de materiales y cómo interviene en el hombre, tanto a nivel global como en México.