CAPITULO 1: Generalidades, Estructura Atómica y Enlaces Atómicos 1.1 Generalidades 1.1.1 Introducción: La industria de los materiales ha progresado y que aun los ingenieros hoy en día trabajan con el el único fin de descubrir nuevos material materiales es y reinventar los ya conocidos con el fin de mejorar la economía y poder aprovechar de manera óptima los recursos que se tienen a la mano, a lo largo de las últimas décadas este ha sido el quehacer de la industria, no tan solo en los materiales sino en todas sus ramas, la evolución de la industria y los nuevos tiempos traen mayores necesidades y es responsabilidad nuestra la optimización de los procesos industriales. Todas las industrias hoy buscan mejorar los procesos y poder rehusar las mermas, todo como una cultura de reciclaje y mejora de la industria, la economía y el bienestar de la comunidad en conjunto; con este trabajo trataremos de mostrar ideas para ser mas concientes y además para mejorar nuestro conocimiento de la ciencia y la tecnología de los materiales, debido a que no podemos quedarnos ausentes de los cambios que en nuestra industria se generan momento a momento, es de gran importancia el conocimiento de dichas tecnologías.
1.1.2 Perspectiva Histórica-
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. Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. En efecto, las primeras civilizaciones se conocen por el nombre del material que usaban (Edad de Piedra, Edad de Bronce). El hombre primitivo sólo tuvo acceso a muy reducido número de materiales presentes en la naturaleza: piedras, maderas, arcilla, cuero... Con el transcurso del tiempo, descubrió técnicas para producir materiales con nuevas propiedades superiores a las de los naturales (Principalmente aleaciones). Como los productos están fabricados a base de materiales, estos se encuentran en cualquier parte alrededor nuestro. Los más comúnmente encontrados son madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel. Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar a su alrededor para darse cuenta de el. Debido al progreso
de los programas de investigación y desarrollo, se están creando continuamente nuevos materiales. La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el mas adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de procesado. Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales ya existentes, los modificados o los nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de modo inverso: los ingenieros de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un nuevo material por parte de los científicos investigadores e ingenieros. Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, la búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas. Se puede afirmar que una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales, y en especial del acero.
1.1.3 Ciencia de materiales e Ingeniería de materiales La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión. La ciencia de materiales Es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales, y los fenómenos existentes (física, metafísica o conceptualmente). Ingeniería de los Materiales
La Ingeniería se basa en los estudios de la ciencia y usan esos conocimientos para aplicarlos en varias áreas de la ciencia y la ingeniería misma, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. La ingeniería de los materiales es la encargada de OPTIMIZAR, REDUCIR, SIMPLIFICAR; para así obtener un MEJOR RENDIMIENTO.
1.1.4 Relación entre estructura, propiedades y procesamiento. Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en los últimos 200 años aproximadamente, los ha capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este campo haya sido Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su estructura. Se hará hincapié en las relaciones existentes entre las propiedades de los materiales y sus elementos estructurales. "Estructura" es un término confuso que necesita alguna explicación. Normalmente la estructura de un material se relaciona con la disposición de sus componentes internos. La estructura subatómica implica a los electrones dentro de los átomos individuales y a las interacciones con su núcleo. A nivel atómico, la estructura se refiere a la organización de átomos o moléculas entre sí. El próximo gran dominio estructural, que contiene grandes grupos de átomos enlazados entre sí, se denomina "microscópico" y significa que se puede observar utilizando algún tipo de microscopio. Finalmente, los elementos estructurales susceptibles de apreciarse a simple vista se denominan "macroscópicos"
La noción de "propiedad" necesita cierta elaboración. Un material en servicio está expuesto a estímulos externos que provocan algún tipo de respuesta. Por ejemplo, una muestra sometida a esfuerzos experimenta deformación; o un metal pulido refleja la luz. Las propiedades de un material se expresan en términos del tipo y magnitud de la respuesta a un estímulo específico impuesto. Las definiciones de las propiedades suelen ser independientes de la forma y del tamaño del material. Todas las propiedades importantes de los materiales sólidos se agrupan en seis categorías: mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas. Para cada categoría existe un tipo característico de estímulos capaz de provocar respuestas diferentes. Las propiedades mecánicas relacionan la deformación con la carga o fuerza aplicada; ejemplos de ellas son el módulo elástico y la resistencia. En las propiedades eléctricas, tales como conductividad eléctrica y constante dieléctrica, el estímulo es un campo eléctrico. El comportamiento térmico de los sólidos se representa 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. Para las propiedades ópticas, el estímulo es la radiación electromagnética o lumínica; el índice de refracción y la reflectividad son propiedades ópticas representativas. Finalmente, las propiedades químicas indican la reactividad química de un material. ¿Por qué se estudian los materiales? Muchos científicos técnicos o ingenieros, sean mecánicos, civiles, químicos o eléctricos, en alguna ocasión se encontrarán con un problema de diseño en el cual intervengan materiales. El engranaje de una transmisión, la superestructura de un edificio, el componente de una refinería de petróleo o el "chip" de un circuito integrado son algunos ejemplos. Por descontado, el ingeniero y el científico de materiales son especialistas totalmente involucrados en la investigación y en el diseño de materiales. A menudo el problema que se presenta es la elección del material más idóneo de entre los muchos miles de materiales disponibles. Existen varios criterios en los cuales se basa normalmente la decisión final. En primer lugar, deben caracterizarse las condiciones en que el material prestará servicio, y se anotarán las propiedades requeridas por el material para dicho servicio. En raras ocasiones un material reúne una combinación ideal de propiedades, por lo que, muchas veces, habrá que reducir una en beneficio de otra. El ejemplo clásico lo constituyen la resistencia y la ductilidad; generalmente, un material con alta resistencia tiene ductilidad limitada. En estas circunstancias habrá que establecer un compromiso razonable entre dos o más propiedades. La segunda consideración se refiere a la degradación que el material experimenta en servicio. Por ejemplo, las elevadas temperaturas y los ambientes corrosivos disminuyen considerablemente la resistencia mecánica. Finalmente, la consideración más convincente es probablemente la económica. ¿Cuál es el coste del producto acabado? Un material puede que reúna un conjunto idóneo de propiedades pero resulte caro. De nuevo se establece un inevitable compromiso. El coste de la pieza acabada también incluye los gastos de los procedimientos de conformación para conseguir laforma final. Cuanto más familiarizados estén los ingenieros o los científicos con las diferentes características y relaciones propiedad-estructura de los materiales, así como con las técnicas de su procesado , mayor será su habilidad y confianza para hacer elecciones sensatas basadas en estos criterios. 1.1.5 Clasificación general de los materiales
Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en cuatro grupos principales: materiales metálicos, poliméricos, cerámicos y compuestos. Materiales metálicos Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o mas elementos metálicos, por ejemplo: hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio; pudiendo contener también algunos elementos no metálicos como al carbono. Materiales Cerámicos Los materiales de cerámica, como los ladrillos, el vidrio, la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto. Materiales Poliméricos Entre los polímeros se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas. Materiales Compuestos Estos materiales cumplen como mínimos estas tres características: Son materiales de ingeniería hechos de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una intercara. Sus propiedades son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).
1.1.6 La necesidad de materiales modernos Es sin duda impresionante la manera en la que han evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino también a otro nivel como bien podría ser a nivel atómico ya que de esto depende en buena parte el comprender como habrá de comportarse un material en ciertas condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o su resistencia a algunos esfuerzos, es necesario conocer a los materiales por sus propiedades así como su clasificación, sus estructuras internas y externas.
Podemos sin lugar a dudas decir que los materiales forman una parte importante de la sociedad actual, a donde usted mire encontrara diversos materiales en sus miles de formas y modificaciones que el hombre, el ingeniero ha hecho con el único propósito de sacar mayor ventaja y poder adaptar su medio a las circunstancias requeridas en su momento, la sociedad cambia y con ella sus necesidades de toda índole, la industria evoluciona constantemente al igual que la ciencia, gracias a estos cambios podemos ir adelante y no ser victima de la estática, hay cambios, hay dinámica, pero esto exige cambios, tan necesarios y grandes como se deseen, quizás hasta se requiera cambios sociales, cambios de actitud y quizás hasta cambios de estructuras económicas y gubernamentales. La industria a mejorado y progresado a pasos acelerados durante las ultimas tres décadas, el uso de los aceros y toda clase de metales se ha hecho mucho mas común en las sociedades, la industrialización a exigido el uso de mas y mejores materiales para su desarrollo, hoy tenemos cubierta la mayoría de esas necesidades, pero falta mucho por recorrer, realmente no sabemos hacia donde la sociedad con sus industrias, su ciencia y su tecnología vayan, lo que si sabemos es que tenemos que ser concientes de los cambios y prepararnos para ellos, el afrontarlos adecuadamente, marcara la diferencia entre las economías fuertes, las débiles y las que deben perecer a causa de la mediocridad y la falta de actitud adecuada, podemos mirar hacia veinte años atrás y ver cuantos cambios al día de hoy se han dado y como las industrias exitosas los afrontaron y como otros hoy ni su recuerdo queda; una actitud y las acciones adecuadas han permitido el desarrollo de tecnologías nuevas y en gran manera mucho mejores que las de hace tan solo diez o cinco años, el progreso nos arrastra y es mejor remar en el sentido que el se desarrolla para ser mejores, también no podemos estar a expensas de casar tecnologías, tenemos la obligación de desarrollarlas y sacar adelante a nuestro país, su economía; no basta saber
manejar la tecnología, sino ser partes de ella y poder sacarle el máximo de provecho, hoy es tiempo de contribuir y de mejorar.
