Materiales de Ingeniería: Estructura, Familias, Componentes y Propiedades Clave

Estructura, Familias y Propiedades de los Materiales de Ingeniería

La estructura de los materiales depende principalmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que constituyen un elemento sólido y de las fuerzas de enlace que existen entre ellos. Esta disposición, al estar ordenada, forma un objeto tridimensional que posee una estructura cristalina, denominándose sólido o material cristalino, como ocurre con algunos metales y materiales cerámicos.

Familias de Materiales

Las familias de materiales se caracterizan y se denominan así debido a las propiedades que posee cada material y en función de sus componentes, siendo estos: metálicos, cerámicos, polímeros y electrónicos. Un criterio de diferenciación es la semejanza de sus propiedades físicas específicas, definiéndose en familias que poseen propiedades mecánicas, de conducción eléctrica, magnéticas, térmicas, nucleares, con resistencia a la corrosión y ópticas.

Naturaleza de los Componentes

Los materiales se pueden clasificar en las siguientes categorías:

1. Materiales Metálicos: Compuestos de sustancias inorgánicas, fundamentalmente metales, que no conforman óxidos ni sales metálicas. Sus características forman una estructura cristalina específica de cada metal en su enlace interatómico. Poseen una resistencia aceptable hasta media temperatura, son buenos conductores de electricidad y calor, tenaces y deformables en general, conformables a altas temperaturas, y poseen altas densidades. Ejemplos: acero, aluminio, cobre, hierro, titanio, etc.
2. Materiales Cerámicos: Compuestos de sustancias inorgánicas, formados por óxidos y sales metálicas, excluyendo los metales puros y metales preciosos. Poseen un enlace iónico, conformado de una estructura cristalina específica de los cerámicos. Son pésimos conductores de electricidad y calor, frágiles e indeformables, con alta resistencia a altas temperaturas, y poseen densidades medias. Ejemplos: ladrillo, tejas, porcelana, vidrio, etc.
3. Materiales Polímeros: Compuestos de sustancias orgánicas conformados por cadenas lineales muy largas o redes, basados en Carbono, Hidrógeno, Oxígeno u otros elementos no metálicos. Poseen enlace covalente, son resistentes a bajas temperaturas, malos conductores de electricidad y calor, y son de baja densidad. Ejemplos: polietileno, nylon, poliéster. Algunos son frágiles, otros tenaces y plásticos.
4. Materiales Electrónicos: Compuestos por sustancias inorgánicas en base al silicio y germanio. Poseen un enlace covalente y se conforman de una estructura cristalina de tipo metálico. Son semiconductores y de conductividad condicionada. Ejemplos: diodos, chips y tiristores.
5. Materiales Compuestos: Son aquellos materiales compuestos por uno o más materiales, que tienden principalmente a mejorar las condiciones y propiedades de algunos materiales débiles y potenciar la fuerza de otros sin cambiar su estructura. Ejemplo: hormigón armado, donde la matriz es el hormigón reforzado por una cadeneta metálica que lo refuerza o potencia, dándole mayor resistencia a la tracción, siendo la cadeneta el refuerzo.

Familias y Propiedades

Cada material se emplea para almacenar o transmitir las variables que definen sus diferentes energías, sean estas mecánica, eléctrica, magnética, química, térmica, ondulatoria, etc. Por ejemplo, la energía mecánica se define por las variables de fuerza y desplazamiento, y sus requerimientos tienen propiedades físicas o químicas que constituyen su índice de análisis, clasificándolas como los componentes de cada uno de los tipos de energía.

Propiedades de los Materiales

1. Propiedades Mecánicas: Estos materiales deben ser capaces de transmitir energía mecánica soportando esfuerzos en los desplazamientos requeridos, los que a su vez requieren soportar esfuerzos estáticos y dinámicos, que se identifican en las aplicaciones mecánicas, conformar por técnicas de deformación plástica, permitir deslizamientos superficiales, trabajar en un campo de bajas, medias y altas temperaturas.
2. Propiedades Térmicas: Poseen dos tipos de funciones: el almacenamiento de energía térmica y su posterior transmisión, siendo definida por la interacción de la capacidad térmica en la masa y la temperatura. Esta transferencia de energía térmica se realiza por la interacción de su coeficiente de transmisión (k), que se caracteriza en los materiales y la temperatura.
3. Propiedades Eléctricas: Es la interacción de las intensidades eléctricas con el campo y la diferencia de potencial eléctrico, debiendo ser cada material capaz de permitir el paso de intensidades de campos eléctricos en tiempos definidos, donde se distinguen aplicaciones muy diferenciadas dependiendo de su permisividad, que se explica por la relación inversa entre intensidad y voltaje.