5.1 Materiales usados en la ingeniería

5.1.1 Metales

Los metales y las aleaciones que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel, entre algunos; tienen como características una adecuada conductividad térmica y eléctrica, además resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.

Ejemplo:

1.-Cobre.- Una de sus aplicaciones son alambres para conductores eléctricos y sus propiedades van desde su alta conductividad hasta confortabilidad aceptable.

2.-Hierro fundido gris.- Con el se hacen bloques para motores de automóvil, y algunas de sus propiedades son moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones, entre algunas.

Los metales son útiles en aplicaciones estructurales o de carga, y se prefiere el empleo de sus combinaciones denominadas aleaciones. La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente:

a) Metálicos

Ferrosos

No ferrosos

b) No metálicos

Orgánicos

Inorgánicos

5.1.2 Metales Ferrosos

Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

Fundición de hierro gris

Hierro maleable

Aceros

Fundición de hierro blanco

Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas es la corrosión.

5.1.3 Metales no Ferrosos

Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

Aluminio

Cobre

Magnesio

Níquel

Plomo

Titanio

Zinc

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).

5.1.4 Cerámicos.

Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalino y/o amorfo. Los materiales de cerámica como ladrillos, el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa conductividad térmica y eléctrica, tiene buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados en aplicaciones estructurales.

Ejemplo:

1.- los vidrios planos para ventana tienen buena transparencia y son aislantes térmicos.

2.- Los refractarios para contener material fundido y sus propiedades es que son aislantes térmicos, tienen alto punto de fusión, inertes ante el metal fundido.

Los materiales cerámicos se pueden clasificar:

a) Con base en la clase de sus compuestos químicos: óxidos, nitruros, carburos, floruros, sulfuros.

b) Por su funcionalidad: Eléctricos, magnéticos, ópticos, de construcción, químicos, domésticos.

Un material cerámico es un material inorgánico con elevada temperatura de fusión, por lo común duro y frágil..

A continuación se dan a conocer ejemplos de ciertos materiales cerámicos y sus usos:

Alumina.- Se usa para contener metales fundidos, tienen elevada resistencia mecánica, se usa en empaques electrónicos, aisladores de bujías, etc.

Nitrato de Bario.- Material cerámico electrónico de mas alta utilización, se usa para capacitares.

Diamante.- Material mas duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para pulverizar y pulir, en herramientas de corte y joyería.

Silíceo Silica.- Su uso mas amplió es como ingrediente de vidrios y vitroceramicos, aislamientos térmicos, refractarios y abrasivos.

Cabe mencionar que algunos de los polvos cerámicos mas comunes son el oxido de alumina, bióxido de titanio, oxido de zinc y oxido de zirconio.

Algunas de las características mas comunes es que es que se funden a altas temperaturas y presentan un comportamiento frágil a al tensión, los materiales cerámicos con un tamaño pequeño de grano son mas resistentes que los de grano grueso, además del tamaño de grano dependen otras características como magnéticas, dieléctricas y ópticas.

La diferencia entre un vidrio un vitroceramico y cerámico radica en:

Vitrocerámico.-Derivado del vidrio pero con estructura cristalina

Vidrio.- Sustancia inorgánica amorfa.

5.1.5 Polímeros.

El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se producen creando estructuras moleculares a partir del petróleo en un proceso llamado polimerización. Los polímeros tiene baja conductividad térmica y eléctrica, poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.

Ejemplo:

1.-El polietileno se aplica para empacado de alimentos, una de sus propiedades es que es fácilmente comformable en delgadas películas flexibles e impermeables.

2.-Epoxicos.- Se aplican en encapsulado de circuitos integrados y como propiedad es buen aislante eléctrico y resiste a al humedad.

La polimerización es un proceso en el cual moléculas más pequeñas se unen para crear moléculas gigantes. La polimerización puede ser por adición y su característica es que la unidad repetitiva tiene la misma formula química que la del monómero o por condensación y su característica involucra la aparición de un subproducto agua o alcohol.

Aplicaciones y características de algunos polímeros:

-Polipropileno:

-Deacuerdo al acomodo del CH3

Atactico.- Es aquel donde los grupos CH3 están colocados ala azar

Isotactico.- Los grupos CH3 están colocados del mismo lado de la cadena principal.

Sindiotactico.- Los grupos CH3 están alternados a uno y otro lado de la cadena principal.

-Aplicaciones.- Envolturas de cajas de cigarros, jeringas, popotes, tapetes, etc

-Poliestireno:

-Homopolímero.-Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de fácil procesamiento

-Copólimero.-Es traslucido, dúctil, no posee barrera a las grasas, es permeable al agua.

-Aplicaciones.- Se usa para contenedores de chocolates finos, bolsas y para defensas de automóviles.

*ABS:

-Acrilonitrilo.- Resistencia química, al rayado, al envejecimiento, al calor, a la tensión.

-Butadieno.- Resistencia al impacto.

-Estireno.- Procesabilidad, rigidez, brillo, transparencia.

-Aplicaciones.- Paneles de computadora, carcasas de planchas, cajas de teléfono.

-PET:

-Es un material semicristalino, alta resistencia al impacto, transparente, larga vida, excelente al O2.

-Generalmente se usa para embalague de bebidas carbonatadas, agua potable, aceite comestible, productos industriales, cosméticos, empaque de alimentos.

-PVC:

-Material amorfo menos de 10% de cristalinidad,

-Se aplica en la industria eléctrica, piso, construcciones.

5.1.6 Materiales Compuestos

Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo no puede dar, como le concreto, el triplay y la fibra de vidrio.

Ejemplo:

1.- Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuada resistencia-peso.

2.-Carburo de tungsteno en matriz de cobalto.- Se aplica en herramientas de corte para maquinado gracias a su alta dureza y buena resistencia al impacto.

Un material compuesto se compone de:

Matriz ----------- Refuerzo/Relleno

Polimérica ------- Metal- Cerámico

Cerámica ------- Metal- Polímero

Metálica ------- Polímero- Cerámico

Matriz.- Material que se encuentra en mayor proporción.

Refuerzo.- Agregado en la matriz con el fin de mejorar propiedades del artículo terminado.

Relleno.- Agregado en la matriz cuyo único fin es aglomerar más material sin alterar las propiedades resultantes del material.

Los compuestos se clasifican en tres: 1) Con partículas, 2) Con fibras y 3) Laminares

1) Compuestos Particulados.- Tienen grandes cantidades de partículas gruesas que no bloquean el deslizamiento con eficacia. Podemos encontrar:

Carburos cementados.- Contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica.

Contactos eléctricos.-Los materiales utilizados en interruptores y relevadores para contactos eléctricos deben ser resistentes al desgaste y conducir la electricidad, por lo que se usa plata reforzada con tungsteno

Compuestos particulados de metales fundidos.- Son fundiciones de aluminio con partículas de SiC dispersas para aplicación automotriz, incluyendo pistones y bielas.

2) Compuestos reforzados con fibras.- Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor rigidez y mejor relación resistencia-peso, esto se logra al incorporar fibras resistentes y rígidas aunque frágiles, en una matriz blanda y dúctil, pues la matriz trasmite la resistencia a la fibra y esta resiste la fuerza.

Longitud y diámetro de las fibras.- Las fibras pueden ser cortas, largas o continuas, se caracterizan sus dimensiones mediante la relación forma, la resistencia mejora cuando la relación de forma es grande.

Cantidad de fibras.- Una fracción de volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto, la fracción máxima es 80%.

Propiedades de las fibras.- Son resistentes rígidas y de poco peso, las características mas importantes son resistencia especifica y modulo especifico.

Propiedades de las matrices.- Soporta a las fibras manteniéndolas en su posición correcta, trasfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de los daños.

Compuestos avanzados.- Son de matriz polimérica y reforzados con fibras poliméricas, metálicas o cerámicas. Se utilizan para artículos deportivos. Raquetas, palos de golf, cañas de pescar, etc.

Compuestos de matriz metálica.- Se refuerzan con fibras metálicas o cerámicas para resistencia a la alta temperatura., en compuestos matriz metálica se usa el aluminio como en motores diesel, las fibras poliméricas por tener baja temperatura de fusión y degradación no se usan comúnmente, estos compuestos tienen aplicaciones en turborreactores y cohetes, una aplicación única para los compuestos de matriz metálica es el alambre superconductor que se requiere en los reactores de fusión.

3) Metales Compuestos Laminares.- Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras mas gruesas, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados; están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando bajo costo, alta resistencia o bajo peso; tienen una resistencia superior al desgaste o a la abrasión y características de expansión térmicas poco usuales; para construir compuestos laminados se usan técnicas de deformación y de unión tales como:

Unión por laminación adhesiva.- Se colocan varias capas, entre ellas se coloca una película de polímero que no a terminado de polimerizar, al comprimirse a altas temperaturas se polimeriza y se logra la unión.

Unión por explosión.- Una carga explosiva proporciona la presión requerida para la unión de los metales.

Soldadura capilar.- Las hojas metálicas separadas por un espacio pequeño, se calienta por encima de la temperatura de fusión del material de aporte, el cual ya fundido es atraído por acción capilar a la unión.

5.2 Normas para la selección de los materiales

 5.2.1 Dirección General de Normas (DGN)

La Dirección General de Normas, además de realizar directamente actividades relacionadas con la metrología científica, industrial y legal, coordina los esfuerzos del sector público federal a dichos sistemas por medio de las instituciones competentes en la materia.Las actividades que realiza directamente son:

• Conservar los prototipos nacionales del metro y del kilogramo.• Expedir normas oficiales mexicanas (NOM’s) en la materia.• Expedir la lista de instrumentos de medición cuya verificación inicial, periódica y extraordinaria es obligatoria.• Difundir el uso y aplicación del Sistema General de Unidades de Medida.• Autorizar los patrones nacionales de medición.• Conservar los prototipos nacionales del metro y kilogramo.• Coordinar la operación del Sistema Nacional de Calibración (SNC) mediante el cual se acreditan laboratorios de calibración 5.2.2 AISI/SAE (También conocida por SAE-AISI) es una clasificación de aceros y aleaciones de materiales no ferrosos. Es la más común en los Estados Unidos.

AISI es el acrónimo en inglés de American Iron and Steel Institute (Instituto americano del hierro y el acero), mientras que SAE es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotores).

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En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la aleación principal, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento principal y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente en la aleación.

Aleaciones principales

La aleación principal que indica el primer dígito es la siguiente:

1. Manganeso2. Níquel3. Níquel-Cromo, principal aleante el cromo4. Molibdeno5. Cromo6. Cromo-Vanadio, principal aleante el cromo7. Níquel-Cromo-Molibdeno, principal aleante el molibdeno8. Níquel-Cromo-Molibdeno, principal aleante el níquel.

Los aceros resistentes al calor de denominación 7, prácticamente no se fabrican

5.2.3 SAE

Es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers (Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores).

En 1912, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de aceros donde se estableció una nomenclatura y composición de los aceros que posteriormente AISI expandió.

En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la aleación principal, el segundo la aleación secundaria y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente en la aleación.

Regulan desde materiales hasta grados de viscosidad de aceites y como todas normas sirven para estandarizar y asegurar que las construcciones o los componentes cumplan ciertos requisitos mínimos para así asegurar la calidad de un producto

5.2.4 ASTM Las normas ASTM las usan los individuos compañías y agencias en todo el mundo. Los compradores y vendedores incorporan normas en sus contratos; los científicos e ingenieros las usan en sus laboratorios y oficinas; los arquitectos y diseñadores las usan en sus planos; las agencias gubernamentales de todo el mundo hacen referencia a ellas en códigos regulaciones y leyes: y muchos otros las consultan para obtener orientación sobre muchos temas.

Las normas de ASTM son "voluntarias" en el sentido de que ASTM no exige observarlas. Sin embargo las autoridades gubernamentales con facultad normativa con frecuencia dan fuerza de ley a las normas voluntarias, mediante su cita en leyes, regulaciones y códigos.

Los usos de las normas ASTM so innumerables y entre ellos se encuentran:

Petróleo: los viajeros por tierra y por aire tienen confianza en la calidad estándar de los combustibles que usan a donde quiera que vayan debido algún número de normas ASTM aplicables al petróleo, reconocidas alrededor del mundo.

Medio Ambiente: Los constructores de edificaciones comerciales pueden satisfacer los requisitos de la Ley de Respuesta Ambiental

Exhaustiva, compensación y Responsabilidad (CERCLA), valiéndose de las normas ASTM para evaluaciones ambientales en el sitio.

Si gusta conocer más de las Normas de ASTM, entre a la base Specs and Standards, la cual provee acceso inmediato a información técnica y regulatoria más completa del mundo. Incluye normas y especificaciones de más de 480 organismos internacionales, así como códigos, reglamentos y manuales para todas las industrias.

DIN es el acrónimo de Deutsches Institut für Normung ('Instituto Alemán de Normalización').

El Deutsches Institut für Normung e.V. (su marca empresarial es DIN), con sede en Berlín, es el organismo nacional de normalización de Alemania. Elabora, en cooperación con el comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización y el aseguramiento de la calidad. El DIN representa los intereses alemanes en las organizaciones internacionales de normalización (ISO, CEI, etc.).

5.2.6 ASM (Acceleration Simulation Mode) tiene su origen en EEUU de acuerdo a determinaciones de la agencia ambiental de ese país (EPA). También se aplica en México. 

establece un nuevo procedimiento para el control de emisiones en vehículos en uso, de encendido por chispa (ciclo Otto), con sello verde, en plantas de revisión técnica (PRT). 

Su entrada en vigencia en la RM, fue recientemente postergada para el 1 de septiembre de 2008. En los próximos años se implementaría en regiones. 

La finalidad es identificar vehículos con problemas en el sistema de control de emisiones mediante la medición de CO, NOx y HC en carga. En especial se busca detectar problemas en el convertidor catalítico.