1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

1.1 Generalidades

Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto. El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto. En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material. En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin especifico. Los materiales se clasifican de forma muy general en:

� Metales � Cerámicos � Polímeros � Materiales compuestos

Sin embargo, está clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas, etc. 1. 2. Materiales puros El primer intento de hacer una clasificación de los materiales encontrados en la naturaleza fue hecho por el químico el químico J. W. Döbenreiner en 1829. Él organizó un sistema de clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en conjuntos de tres denominados tríadas. Las propiedades químicas de los elementos de una tríada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su masa atómica. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. En este caso, la masa de uno de los tres elementos de la tríada es intermedia entre la de los otros dos. Para 1850 ya se podían contar con unas 20 tríadas para llegar a una primera clasificación coherente.

En 1869, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev desarrolló una tabla periódica de los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas. Colocó lo elementos en columnas verticales empezando por los más livianos, cuando llegaba a un elemento que tenía propiedades semejantes a las de otro elemento empezaba otra

columna. Mendeleiev perfeccionó su tabla acomodando los elementos en filas horizontales. Su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades de elementos no descubiertos hasta el momento.

En 1914, el físico y químico inglés, Henry Moseley, descubrió que los átomos de cada elemento tienen un número único de protones en sus núcleos, siendo el número de protones igual al número atómico del átomo. Moseley organizó los elementos en orden ascendente de número atómico y no en orden ascendente solucionando los problemas de ordenamiento de los elementos en la tabla periódica. La organización que hizo Moseley de los elementos por número atómico generó un claro patrón periódico de propiedades.

En la actualidad, hay 18 grupos en la tabla estándar (Figura 1.1.). El hecho de que la mayoría de estos grupos correspondan directamente a una serie química no es fruto del azar. La tabla ha sido estructurada para organizar las series químicas conocidas dentro de un esquema coherente. La distribución de los elementos en la tabla periódica proviene del hecho de que los elementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su capa más externa. Como el comportamiento químico está principalmente dictado por las interacciones de estos electrones de la última capa, de aquí el hecho de que los elementos de un mismo grupo tengan propiedades físicas y químicas similares. Cabe señalar, además de los elementos naturales, se han agregado elementos sintéticos producidos en laboratorio,

Figura 1.1 Tabla periódica de los elementos químicos

En los materiales, el tipo de enlace químico determina una gran cantidad de sus propiedades. El orbital más externo llamado capa de valencia, determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Para que se forme un enlace se requiere:

� Que las capas de valencia se toquen; por esto debe ser el orbital más externo.

� Que haya transferencia de electrones en las capas de valencia de ambos átomos.

Existen tres diferentes tipos de enlace considerados energéticamente fuertes: el enlace iónico, el covalente y el metálico. Existen además las llamadas fuerzas de atracción débiles o fuerzas intermoleculares.

Enlace iónico

Para que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y, por el contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro da sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa (Figura 2.1).

Figura 2.1. Formación del cloruro de sodio (NaCl) a través del enlace iónico. Enlace covalente En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones (Figura 3.1.). Figura 3.1. Esquema de un enlace covalente. Ambos átomos comparten electrones para formar un solo enlace. Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que

es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos. Enlace metálico Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve (Figura 4.1.).

Figura 4.1. Modelo descriptivo del enlace metálico. Los iones positivos del metal forman una red que se mantiene unida gracias a la nube de electrones que los

envuelven.

Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores eléctricos. Enláces intermoleculares Este tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia entre los átomos es más grande, se encuentran las fuerzas de London, Van der Waalls y los puentes de hidrógeno. Estos enlaces son los que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que le dan a ciertos materiales propiedades eléctricas (electrostática). A diferencia de los otros enlaces, este es más común moléculas y no tanto para átomos.

Figura 5.1. Diagrama de un enlace intermolecular, puente de hidrógeno de las moléculas de agua. En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tienen impurezas de otra naturaleza en su estructura. Sin embargo, en realidad no existen materiales totalmente puros, por eso que se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por ejemplo, en metales preciosos, les da su valor comercial. 1.3. Materiales metálicos Metales en la historia

Al igual que la escritura, el descubrimiento de los metales y la forma de procesarlos, marcan la división entre la edad de piedra y el inicio de las civilizaciones en la llamada “Edad de los metales”. En la edad de cobre (4400 – 3800 a. C.) aparece la metalurgia y minería, comenzado a trabajarse el cobre y el oro, para fabricar armas rústicas como punzones, hachas, puñales, punta de flechas, y ornamentos como anillos y brazaletes. Tras el descubrimiento del bronce, una aleación de nueve partes de cobre y una de estaño se inicia la edad de bronce (a partir del 2800 a. C.). Este material ofrece la posibilidad de trabajar con mayor facilidad y se pueden producir utensilios mucho más duros y trabajos ornamentales más finos. La última era de los metales está representada por la edad de hierro (1300 a. C.) y es la etapa previa a la creación del imperio romano. La mayor ventaja del hierro sobre el bronce es que las vetas eran mucho más abundantes y por tanto era un material más económico. Además, no es necesaria aleación alguna y constituye un material admirable para la fabricación de sierras, hachas, azuelas y clavos. Sin embargo, es un material más difícil de trabajar y de temperatura de fundición más elevada, por eso se explica que su uso haya demorado tanto. La producción de hierro, sin embargo, no fue exclusiva del occidente, pues en China también hay registros de su uso a partir del año 600 a. C. Y de hecho, esta nación fue la única que pudo trabajar el hierro en molde. El trabajo en hierro promovió el perfeccionamiento de técnicas metalúrgicas, el desarrollo de la forja y la herrería para la construcción de armas y herramientas de mayor dureza, calidad y duración. El comportamiento metálico y las aleaciones A una gran parte de los elementos de la tabla periódica se les puede asociar un comportamiento metálico de diferentes valores, siendo más alto el de aquellos con enlaces netamente metálicos (Figura 6.1.). Los metales se caracterizan por ser buenos conductores térmicos y eléctricos. Todos son sólidos en condiciones naturales excepto el mercurio (Hg) y tienen un brillo característico, denominado brillo metálico

que ningún otro tipo de material posee. Los metales, una vez pulidos, reflejan la mayor parte de la luz que les llega, por lo que pueden ser usados como espejos, de hecho, son los materiales más usados para la producción de espejos astronómicos. Figura 6.1. Comportamiento metálico de los elementos químicos. Dentro de los metales reactivos, el comportamiento aumenta hacia debajo de la tabla, mientras que en los otros metales, incluyendo los de transición, el aumento va de derecha a izquierda de la tabla. El término aleación define una unión íntima y homogénea de dos o más metales. Esta se consigue con un proceso de calentamiento hasta llegar a fundir los compuestos y posteriormente un proceso de solidificación (enfriamiento) que puede ser lento o rápido dependiendo del tipo de aleación deseado. Las propiedades de las aleaciones están relacionadas con la composición, tamaño, forma y distribución de sus componentes, tan es así, que la adición de un componente, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación. Además de los componentes, el proceso de obtención también es determinante en las propiedades de las aleaciones, por lo que los estudiosos de los metales han construido experimentalmente diagramas de comportamiento de las aleaciones, denominados diagramas de fase, que permiten determinar las temperaturas y la estructura que tendrá cierta composición de aleación (Figura 7.1.). Estos diagramas se pueden construir para dos (binarios), tres (ternarios) e incluso cuatro elementos (cuaternarios). Figura 7.1. Diagrama de fase binaro. El eje delas abscisas contiene la composición de los elementos, a la izquierda se lee 100% de A y a la derecha 100% de B. El eje de las ordenadas es de la temperatura (ºC o K). Dentro del diagrama se marcan las fronteras y las fases contenidas en los intervalos de composición.

La ventaja de trabajar aleaciones sobre metales puros son que se pueden reducir las temperaturas de obtención, se pueden mejorar las propiedades de los materiales de origen y con ligeros cambios en la composición o agregando algún otro material en pequeñas cantidades se puede conseguir otra aleación con propiedades diferentes, lo cual abre un abanico de posibilidades en la investigación, estudio y producción de nuevos materiales metálicos. Aleaciones ferrosas y no ferrosas Algunos autores manejan los términos “aleaciones ferrosas” y no “aleaciones no ferrosas” (ferreas) para definir aquellas aleaciones que tiene o no al hierro como elemento mayoritario. Esto se debe a la importancia histórica del hierro, incluyendo la revolución industrial y la fabricación del acero como material de construcción. Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el Fe y en general, son aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener,. La mayor producción de estas son los aceros, aleaciones Fe – C, a los que cambiando el porcentaje de estos elementos y agregando algunos otros, se les pueden dar propiedades específicas, dependiendo de la industria a la que se van a aplicar. La industria del acero (Figura 8.1.) se divide en varias ramas:

� Aceros al carbón, con uso en construcción � Aceros inoxidables, para maquinado de piezas, platería e instrumental

quirúrgico � Aceros para herramientas, a los que se les agrega W y Mo para endurecerlos � Aleaciones de acero con distintos elementos. Estos ya son de usos más

específicos de acuerdo al elemento agregado � Aleaciones ultra resistentes (de baja aleación), que son los aceros de última

generación.

Figura 8.1. Ramas principales de la industria del acero. A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la industria ha desarrollado otras aleaciones con metales base distintos al Fe, denominadas aleaciones no ferrosas. Entre las más utilizadas en la industria se encuentran:

� Aleaciones base Cu. Son buenas conductoras y en algunos casos, tienen propiedades mecánicas especiales que las hacen muy útiles en la fabricación

Aceros

Al carbón (0-3%) C <1.65% Mn <0.60% Si <0.60%

Aleaciones V, Mo

Mn, Si, Cu

Ultra Resistentes

(Baja aleación)

Aceros inoxidables

Cr, Ni

Heramientas

W, Mo

de muelles, diafragmas y piezas que forman parte de aparatos de medida eléctrica y barométrica. Ejemplos son el bronce y las aleaciones Cu-Be.

� Aleaciones base Al. Son materiales ligeros y muy flexibles, lo que permite

maquinarlos a formas muy diversas, además de ser de baja corrosión. Se usan en el enlatado de alimentos y manufactura de todo tipo de piezas, incluyendo las de automóviles y aviones.

� Aleaciones base Ti. Son aleaciones menos densas que el acero pero con

propiedades mecánicas muy similares, por lo que se usan en la industria aeronáutica y aeroespacial. Además también son materiales de bajo porcentaje de corrosión por lo que son muy útiles en la industria química donde se trabajan muchas sustancias corrosivas y, en la actualidad, tienen además aplicación en el área de biomateriales como prótesis de huesos de alta carga mecánica (cadera, rodilla, fémur, etc.).

1.4. Materiales cerámicos. Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción eléctrica y mecánicamente frágiles. Algunos de estos materiales se utilizan desde la Antigüedad, pues son los materiales de uso en construcción más extendidos y antiguos del mundo, debido a la abundancia de terrenos arcillosos en casi todas las zonas del planeta (Figura 9.1.). Ladrillos, adobes y todo tipo de tabiques usados en construcción son ejemplos de estos.

Figura 9.1. Edificación de ladrillos de la antigua Mesopotamia. Sin embargo, en la actualidad, los diversos métodos de producción han permitido crear cerámicas avanzadas o estructurales, materiales de muy diversas características, incluyendo aquellas con buena conductividad eléctrica o con mejores propiedades mecánicas, por lo que el uso de estos va más allá que el de la edificación. Estos materiales se pueden clasificar en cerámicas basadas en óxidos y en basadas en nitruros, carburos, silicuros y otros. Entre las cerámicas avanzadas cabe destacar la alúmina, la berilia, los carburos, los nitruros y los boruros. La producción de cerámicas avanzadas sigue las etapas de producción de polvos, preparación de la masa por humectación, conformado y secado, prensado y sinterización, aplicando el calor con o sin presión simultánea, para acabar con el

mecanizado. La correcta composición de los polvos constituye un punto fundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impurezas y uniformar el tamaño de las partículas. Los procesos más utilizados industrialmente son:

� La fundición por revestimiento. Una suspensión de arcilla en agua se vierte en un molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se forma un sólido suave. El liquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira del molde. La unión en este punto es arcilla- agua.

� La conformación plástica en húmedo. En unos de los casos se apisona un

refractario húmedo en un molde y luego se lo destruye para que salga en una forma determinada. La masa plástica se fuerza a trabes de un troquel para producir una forma alargada que luego se corta a longitud deseada. Cuando se desea formar figuras circulares tales como platos, se coloca una masa de arcilla húmeda en una rueda rotativa, y se la conforma con una herramienta.

� Prensado con polvo seco. Se consigue rellenando un troquel con polvo y luego

prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como ácido, esteárico o cera. Después la pieza fresca o verde se somete al horneado. Mientras se calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.

� El prensado en caliente. Involucra simultáneamente las operaciones de

prensado y sinterización. Se obtienen mayor densidad y tamaño mas fino del grano. El problema es obtener una duración adecuada del troquel a temperaturas elevadas, para lo cual muchas veces se emplean atmósferas de protección.

� La compactación isostática. El polvo se encapsula en un recipiente que se

pueda comprimir y se sumerge en un fluido presurizado. Las formas del recipiente y de los corazones removibles determinan la forma del prensado. El prensado puede ser en caliente o en frio.

Algo que cabe señalar dentro de la clasificación de las cerámicas es que los vidrios NO son materiales cerámicos, se estudian de forma aparte, pues aunque tienen características similares, no son materiales sólidos sino líquidos subenfriados y su estructura no es cristalina sino amorfa (desordenda). 1.5. Materiales poliméricos Los polímeros son materiales que se forman por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros. A pesar de que cuando se habla estos materiales la imagen más recurrente es un envase o una bolsa plástica, la humanidad ha utilizado materiales poliméricos naturales desde hace mucho tiempo. El algodón, la seda, el caucho, el almidón y la celulosa son ejemplo de ello. Además, ahora se sabe que materiales como la la queratina, presente en el cuerpo o la glucosa, sustancia vital para nuestro funcionamiento también polímeros, incluso el formador de genes, el ácido desoxirribubucléico (ADN) es un polímero natural. No obstante, la historia de los polímeros sintéticos es reciente, pues fue hasta el año 1862 cuando se produjo el primer polímero sintético. Sin embargo, a partir de ese momento, la fabricación de nuevos materiales ha tenido un crecimiento exponencial, y para nuestros días existe una gran gama de estos, como ejemplos están: el polietileno, polipropileno y policloruro de vinilo, polímeros fluorados, poliacetato de vinilo y derivados, polímeros acrílicos, poliestireno y copolímeros, poliamidas, poliésteres,

poliacetales, policarbonatos, polímeros celulósicos, resina fenólicas y aminoplásticas, resinas epoxi poliuretanos y siliconas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen por distintas fuerzas de atracción intermolecular que dependen de la composición química del polímero (Van der Waals, puente de hidrógeno, dipolo-dipolo, etc.). La gran ventaja de los materiales poliméricos es que no tienen la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas la misma composición química y la misma estructura molecular, lo que permite formar una variedad amplia y jugar con las características del polímero para obtener propiedades particulares. Polimerización

La polimerización es el proceso por el cual se forman polímeros a partir de monómeros. De acuerdo a las reacciones de los proceso se pueden dividir en:

� Condensación. La molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero y genera subproductos, generalmente agua o HCL gaseoso (Figura 10.1a).

� Adición. La molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin

pérdida de átomos. La polimerización por adición no produce subproductos (Figura 10.1b).

� Crecimiento de cadena. Los monómeros pasan a formar parte de la cadena de

uno en uno. Primero se forman dímeros, después trímeros, a continuación tetrámeros, etc. La cadena se incrementa de uno en uno, monómero a monómero y sólo los monómeros pueden reaccionar con cadenas en crecimiento (Figura 11.1.).

� Crecimiento por etapas. Es posible que un oligómero reaccione con otros, es

decir, un dímero con un trímero, un tetrámero con un dímero, etc. La cadena se incrementa en más de un monómero, por lo que en este caso las cadenas en crecimiento pueden reaccionar entre sí para formar cadenas aún más largas. (Figura 12).

Figura 10.1. Esquemas de una reacción por (a) condensación y (b) por adición.

(a) (b)

Figura 11.1. Esquema de crecimiento por cadena Figura 12.1. Esquema de crecimiento por etapas. Este es el crecimiento típico de

todos los polímeros tridimensionales, tal como el ADN. Clasificación de los polímeros Los polímeros se pueden clasificar de distintas formas, por su estructura, sus compuestos o su comportamiento mecánico y térmico. De estas dos propiedades se puede hacer la división a polímeros termoplásticos y termoestables (termofijos). Los polímeros termoplásticos son relativamente blandos y dúctiles. La mayoría de los polímetros lineales y los que tienen estructuras ramificadas con cadenas flexibles son termoplásticos. Ejemplo de estos son todo el envasado plástico y piezas pequeñas en aparatos y automóviles. Por otro lado, los polímeros termoestables son blandos o "plásticos" al calentarlos por primera vez. Después de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores. Todos ellos tienen una estructura molecular de forma reticular tridimensional por lo que son materiales compactos y duros. No son afectados por la temperatura, es decir, tienen temperaturas de fusión relativamente altas y son insolubles a la mayoría de los solventes. Ejemplos son todas las resinas de moldeo, como la melanina y las resinas epóxicas que se usan para hacer formas duras y de alta resistencia mecánica.

1.6. Materiales compuestos Un material compuesto es el resultado de la combinación de dos tipos de materiales: metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero, polímero-cerámico, polímero-polímero y cerámico-cerámico. Estos se encuentran en diferente porcentaje (Figura 13.1.), siendo la fase que se encuentra en mayor proporción la matriz o fase continua, mientras que la fase que se de menor proporción se le denomina refuerzo o fase discontinúa.

Figura 13.1. Esquema de un material compuesto en donde se identifica la fase mayoritaria como matriz y la minoritaria como refuerzo.

Las variables que se manejan en este tipo de materiales son generalmente el volumen que ocupa el refuerzo, su tamaño, su forma y el tipo de acomodo que tiene, incluyendo distribución y orientación. Los materiales compuestos más usados son:

� Materiales Compuestos reforzados con fibras que están inmersas en una matriz (Figura 14.1a).

� Materiales compuestos reforzados con varias capas de láminas de distintos

materiales(Figura 14.1b).

� Materiales compuestos reforzados con partículas de diferente diámetro diseminadas en el volumen de la matriz (Figura 14.1c).

Figura 14. Esquemas de los materiales compuestos más usados, (a) refuerzo con fibras, (b) refuerzo en capas, (c) refuerzo con partículas. Las gran ventaja de los materiales compuestos es que, con el refuerzo adecuado, se puede modificar alguna de las propiedades de la matriz. Estas propiedades pueden ser mecánicas, como mayor resistencia, rigidez, resistencia al desgaste o a la fatiga; de tipo químico como mayor resistencia a la corrosión o de tipo físico como mejoras en el comportamiento de los materiales a campos eléctricos, acústicos o a la temperatura y la presión.

Matriz

Refuerzo

(a) (b) (c)

Debido a estas ventajas, los materiales compuestos tienen una gran aplicación en áreas donde las propiedades mecánicas, la resistencia y la baja densidad de los materiales son decisivos, como la construcción, la aeronáutica, la automotriz y la odontológica entre otras.