Clasificación de los Materiales en Ingeniería: Propiedades y Aplicaciones

Clasificación de los Materiales en Ingeniería

Introducción

Los materiales se clasifican en función de su estructura química y atómica en tres familias principales: metálicos, cerámicos y polímeros. Además, se pueden incluir otros dos grandes grupos: compuestos y electrónicos, debido a su gran importancia en ingeniería.

Materiales Metálicos

Los metales y sus aleaciones son sustancias inorgánicas compuestas por elementos metálicos como el hierro, aluminio, cobre, etc., que pueden tener algunos elementos no metálicos como el carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. Los metales se utilizan en estado puro sin la adición de otros elementos, o también como combinación de dos o más metales y no metales, con el fin de mejorar ciertas propiedades; a estos últimos se les conoce como aleaciones.

Se caracterizan por tener brillo metálico y elevada conductividad eléctrica y térmica. Su estructura cristalina muestra los átomos ordenados en el espacio. Se utilizan en aplicaciones estructurales por sus buenas propiedades mecánicas (resistencia y dureza) y como conductores eléctricos por su buena conductividad.

Tipos de Metales

• Férreos: Aceros y fundiciones.
• No férreos: Pesados y ligeros.

Materiales Poliméricos o Plásticos

Son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y algunos elementos no metálicos, caracterizados por formar largas cadenas de elevado peso molecular. Se obtienen por procesos de polimerización a partir de pequeñas moléculas orgánicas e incluyen a los cauchos, plásticos y adhesivos.

Se caracterizan por tener baja densidad, gran flexibilidad y ser aislantes. Además, tienen temperaturas de descomposición o ablandamiento relativamente bajas, por lo que no son adecuados en aplicaciones a altas temperaturas.

Tipos de Polímeros

• Naturales: Termoestables y biopolímeros.
• Sintéticos: Termoestables y termoplásticos.

Polímeros Termoplásticos

Forman una larga cadena principal de átomos de carbono unidos de forma covalente. Tienen buena ductilidad y conformabilidad. Se comportan de forma plástica al ser calentados y en la industria se conforman por fusión y posterior solidificación en molde.

Polímeros Termoestables

Son más resistentes y frágiles por formar redes tridimensionales; al calentarse sufren una reacción química que los transforma en redes macromoleculares ricas en entrecruzamientos. No pueden ser reprocesados después de ser calentados porque se descomponen.

Elastómeros

Como el caucho, se caracterizan por tener grandes deformaciones elásticas debido a su estructura de cadenas entrecruzadas obtenidas en los procesos de vulcanización.

Clasificación de los Polímeros según su Estructura Molecular

• Lineales: Se caracterizan por su gran flexibilidad.
• Ramificados: Las cadenas se enlazan con otras transversales.
• Entrecruzados: Las cadenas están unidas de forma transversal por enlaces covalentes.
• Reticulados: Forman redes tridimensionales.

Materiales Cerámicos

Son compuestos químicos formados por metales y no metales. Son materiales duros, fuertes y frágiles. La baja conductividad eléctrica y térmica les confiere buenas propiedades aislantes.

Tipos de Materiales Cerámicos

• Vidrios: Contienen 70% de sílice además de sosa y cal en estado no cristalino. La resistencia al calor y a los choques térmicos se consigue incrementando el porcentaje de sílice.
• Vitrocerámicas: Son vidrios que por procedimientos de solidificación controlada, pierden su estado amorfo para llegar a su estado policristalino; son aptos para aplicaciones a elevadas temperaturas.
• Arcillas: Son silicatos de aluminio hidratados fáciles de conformar.
• Refractarios: Están compuestos por partículas gruesas de óxidos metálicos unidos por material refractario más fino. Resisten ataques químicos a altas temperaturas.
• Abrasivos: Pueden ser naturales o artificiales como el diamante, el carburo de silicio. Se emplean como muelas abrasivas para operaciones de desgaste o corte en materiales más blandos.
• Cementos: Están formados por silicatos de calcio en forma de polvos finos.
• Cerámicas técnicas: Poseen composiciones químicas muy controladas. Se clasifican en función de sus aplicaciones en electrónicas, ópticas, magnéticas y estructurales.

Materiales Compuestos

Son materiales formados por dos o más constituyentes con diferente forma y composición química, e insolubles entre sí. Esta mezcla de dos o más constituyentes hace que el material resultante posea las mejores propiedades de cada uno de los componentes por separado. Están compuestos por una matriz o material aglutinante y otros materiales en forma de fibras o partículas.

Tipos de Materiales Compuestos

• Reforzados: Se utilizan para dar resistencia a la tracción, además de presentar un peso relativamente bajo y unas buenas propiedades de moldeo y conformado. Están formados por una matriz de materia plástica, y una armadura de fibras de vidrio, carbono o boro.
• Aglomerados: Están formados por la aglutinación de partículas de material con un producto aglutinante o aglomerante. El hormigón está formado por partículas que contienen arena gruesa o grava en una matriz de cemento.

Estructura de los Materiales

La estructura de los materiales se caracteriza a diferentes niveles:

• Nivel atómico: Los átomos o moléculas pueden distribuirse espacialmente de forma ordenada o de forma desordenada.
• Subatómica: La estructura está definida por la distribución de los electrones en cada uno de los átomos y sus propiedades dependerán de la interacción de los electrones con el núcleo. De esta forma se define el comportamiento eléctrico, térmico, magnético y óptico. Además, la configuración electrónica define el tipo de enlace que se establece entre los átomos (enlace iónico, covalente y metálico).
• Fase: Tiene estructura, composición química y propiedades homogéneas y diferentes entre cada una de ellas. La cantidad de cada fase presente, su tamaño y su distribución influye en las propiedades del material.

Propiedades de los Materiales

La propiedad de un material se establece en función de la respuesta de éste frente a un estímulo externo. La respuesta dependerá de sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas y magnéticas. Cuando un material es sometido a un esfuerzo de tracción se deforma elásticamente y plásticamente en función de la carga aplicada y de sus propiedades mecánicas: módulo elástico y rigidez.