Materiales de Ingeniería: Propiedades, Tipos y Criterios de Selección Esenciales
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Introducción a los Materiales de Ingeniería
¿Qué entendemos por materiales?
Sustancias cuyas propiedades las hacen útiles en estructuras, máquinas, dispositivos o productos; en definitiva, para la vida cotidiana del hombre y su hábitat.
El ciclo de vida de los materiales se puede esquematizar como:
Materias primas > Materias brutas > Materiales de ingeniería > Desecho/Reciclado
El Rol del Ingeniero en la Selección de Materiales
El ingeniero debe conocer los materiales y sus propiedades para poder seleccionar los más adecuados, considerando factores como:
- Solubilidad
- Resistencia
- Rigidez
- Ligereza (especialmente en vehículos)
- Rozamiento (importante en cojinetes)
- Dureza (para herramientas de corte)
- Resistencia a la corrosión
- El entorno de aplicación
El coste del material, su fabricación y conformación, junto con diversas soluciones, influyen en el atractivo y mantenimiento del producto final.
"No hay material que resista un mal diseño."
Criterios de Selección de Materiales (según sus propiedades)
- Funcionalidad y compatibilidad para cumplir su misión.
- Mantenimiento de forma y propiedades a lo largo del tiempo.
- Facilidad de conformación.
- Facilidad de unión, ensamblaje o soldabilidad.
- Economía y potencial de reciclado.
Clases de Materiales
Metales
Sustancias compuestas de uno o más elementos metálicos, que pueden contener no metálicos (como Carbono, Nitrógeno, Oxígeno). Su estructura cristalina, junto con el enlace metálico, les confiere propiedades distintivas como alta conductividad térmica y eléctrica, y plasticidad.
- Aleaciones Ferrosas: Cuyo metal base es el hierro (ejemplos: aceros y fundiciones).
- Aleaciones No Ferrosas: Carecen o contienen una pequeña cantidad de hierro (ejemplos: Aluminio (Al), Cobre (Cu), Titanio (Ti), Níquel (Ni)).
Poseen una superficie lustrosa capaz de reflejar la luz.
Cerámicos
Materiales inorgánicos y no metálicos, compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Poseen estructura cristalina o amorfa y un fuerte enlace químico.
Por ejemplo, el óxido de aluminio (Al₂O₃) es cerámico, a diferencia del aluminio metálico (Al) y sus aleaciones. El Al₂O₃ presenta estabilidad química en una amplia variedad de medios y funde a 2020 ºC, frente a los 660 ºC del Al. Tienen una importante aplicación como refractarios (capaces de soportar altas temperaturas). Presentan alta fragilidad, aunque se han desarrollado "cerámicos estructurales" para uso en motores (altas temperaturas). Los materiales cerámicos protegen la estructura de aluminio del transbordador espacial al reentrar en la atmósfera.
Polímeros
Materiales orgánicos formados por largas cadenas de carbono. Poseen una estructura predominantemente amorfa, pero mediante los procesos de obtención y conformado se pueden conseguir estructuras combinadas amorfas-cristalinas.
- Los más dúctiles son los plásticos.
- Otros presentan mayor resistencia mecánica y rigidez (materiales estructurales).
El polietileno es el polímero más básico. Ejemplo de cadena: -CH₂-CH₂-CH₂-...
Compuestos
Combinación de dos o más de los otros tipos de materiales, sin que lleguen a disolverse. Buscan la combinación de propiedades para obtener características superiores que no se encuentran en los materiales individuales.
Electrónicos
Principalmente semiconductores, con propiedades intermedias entre los conductores (metales) y los aislantes (polímeros, cerámicos).
Propiedades y Aplicaciones por Clase de Material
Metales
- Alta conductividad eléctrica y térmica.
- Alta ductilidad.
- Buena resistencia mecánica.
- Alta rigidez.
- Buena resistencia al impacto.
- Aplicaciones principales: estructurales y conducción eléctrica.
Cerámicos (compuestos inorgánicos)
- Baja conductividad (eléctrica y térmica).
- Fuertes y duros.
- Frágiles.
- Aplicaciones: cerámica tradicional, ladrillos (refractarios), abrasivos, vidrios, conductores electrónicos, piezoeléctricos, óxidos, silicatos, carburos, nitruros, semiconductores (ej. Si, GaAs).
Polímeros (cadenas orgánicas)
- Baja conductividad.
- Poca resistencia mecánica.
- Baja resistencia a la temperatura.
- Aplicaciones: plásticos, cauchos, pegamentos.
Tipos principales:
- Termoplásticos: Son fácilmente conformables en formas útiles mediante calor.
- Termoestables: Bastante frágiles y con una estructura de red tridimensional.
Compuestos
Combinan propiedades de sus componentes para lograr características mejoradas.
Ejemplos:
- PRFV (Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio)
- C/Resina Epoxi (Fibra de Carbono/Resina Epoxi)
- CSi/Co (Carburo de Silicio/Cobalto)
- Madera contrachapada
- Hormigón
Clasificación según Aplicaciones
- Materiales estructurales
- Materiales eléctricos
- Materiales electrónicos
- Materiales magnéticos
- Materiales fotónicos
- Biomateriales
- Materiales funcionales (ej. adhesivos)
La Interconexión: Propiedades, Procesado y Estructura
Existe una relación compleja entre las propiedades originales del material, su procesado y la estructura resultante, que a su vez determina las propiedades finales del mismo.
Propiedades Originales > Procesado > Estructura > Propiedades Finales