Materiales de Ingeniería: Clasificación y Guía de Selección

Material es materia usada para crear algo. Materiales de ingeniería son los usados para aplicaciones de ingeniería. Según propiedades mecánicas, físicas, químicas y de manufactura, se seleccionan según aplicación.

Propiedades mecánicas: resistencia (compresión/tracción), tenacidad, rigidez, elasticidad, plasticidad, ductilidad, fragilidad, dureza.

Propiedades físicas: densidad, conductividad (térmica/eléctrica), acústica (transmisión/absorción sonido), óptica, combustibilidad.

Propiedades químicas: composición (óxido/compuesto), acidez/alcalinidad, intemperismo, corrosión.

Propiedades de manufactura: fundibilidad, maquinabilidad, velocidades/avances de mecanizado, forma y tamaño para dimensionado.

Factores de selección para aplicación requerida:

1. Esfuerzos a los que será sometida la pieza/componente.
2. Resistencia a corrosión.
3. Resistencia a temperatura, desgaste.
4. Flexibilidad y rigidez.
5. Facilidad de proceso de manufactura.
6. Rentabilidad para desarrollo del producto.
7. Disponibilidad del material.

Clasificación de Materiales de Ingeniería

Según naturaleza de la sustancia:

1. Metales y aleaciones
2. Metales ferrosos
3. Metales no ferrosos
4. No metales
5. Cerámicos
6. Polímeros
7. Compuestos (Composites)
8. Semiconductores
9. Biomateriales

1. METALES Y ALEACIONES

Materiales metálicos son combinación de elementos metálicos. Propiedad destacada: electrones no localizados → en arreglo atómico, electrones de valencia exterior no pertenecen a átomo individual sino a todo el material. Electrón no localizado libre para transportar carga → buenos conductores eléctricos y térmicos.

Aspecto lustroso. Mayoría sólidos a temperatura normal; algunos como mercurio son líquidos.

Según presencia de hierro:

1. Metales ferrosos
2. Metales no ferrosos

Metales Ferrosos: Contenido principal: hierro y carbono. Magnéticos y vulnerables a óxido (herrumbre) expuestos a humedad. Hierro forjado no oxida por pureza; acero inoxidable por cromo. Ej: hierro, acero. Por propiedad magnética: usados en motores y aplicaciones eléctricas.

Metales No Ferrosos: Hierro no es contenido principal. Alta resistencia a óxido/corrosión y no magnéticos. Ej: cobre, latón, aluminio, tungsteno, plomo, zinc, oro, etc.

Aleación: Combinación de dos o más metales. Nombrada según carácter de enlace metálico. Dos tipos: aleación ferrosa y no ferrosa. Fundición gris: hierro, carbono, silicio. Latón: cobre y zinc.

Aplicaciones:

1. Por tenacidad y capacidad de esterilizar a alta temp: agujas, bisturíes quirúrgicos.
2. Por resistencia y soporte de pesos: hierro y acero en construcción.
3. Oro, plata, platino: joyería.
4. Máquinas y automóviles: soportan alta temp, presión, cargas.
5. Aluminio y titanio: papel clave en aleaciones ligeras para aeronaves.
6. Tungsteno: aplicaciones alta temperatura.

2. CERÁMICOS

Partículas o fibras para productos cerámicos. Estructura atómica y cristalina regular. Principalmente óxidos, nitruros, carburos. No conductores → aislantes. Muy duros y frágiles.

Ej: alúmina, sílice, carburo de silicio, diamante, ladrillos.

Aplicaciones:

1. Resistencia a compresión: ladrillos en construcción.
2. Buen aislamiento térmico: baldosas cerámicas en hornos.
3. Transparentes a radar/ondas electromagnéticas: radomos, transmisores.
4. Cerámicas de vidrio: alta capacidad térmica → equipos ópticos, aislamiento fibra.
5. Alúmina, sílice, carburo Si: herramientas.
6. Diamante: ornamentos y herramientas de corte.

3. POLÍMEROS

Estructura molecular en cadena con carbono como columna vertebral. Materiales orgánicos duros. Baja densidad y flexibles. En algunos casos no flexibles.

No solo materiales estructurales; pueden ser fibras y resinas en matriz de compuestos. Ej: poliéster fibras, fenólicos y epóxidos resinas.

Elastómeros también son polímeros pero considerados aparte por diseño específico: absorción choque/vibración.

Polímeros naturales: lana, seda, ADN, celulosa, proteínas.

Polímeros sintéticos:

1. Termoplásticos
2. Termoestables

Ej: nailon, polietileno, poliéster, teflón, epoxi, baquelita.

Aplicaciones:

1. Polietileno: bolsas.
2. Polipropileno: productos alta temp (biberones).
3. PEEK y PEK: botellas agua mineral.
4. Policarbonato: polímeros alto rendimiento transparentes.
5. Polianilina: polímero conductor.
6. Baquelita: materiales aislantes.

4. COMPUESTOS (COMPOSITES)

Composición de dos o más materiales constituyentes con distintas propiedades físicas/químicas para producir material con características diferentes. Pueden ser ambos metales, o metal-cerámico, metal-polímero, según aplicación.

Ej: madera, hormigón, fibra de vidrio, CFRP (plástico reforzado fibra carbono), GFRP (plástico reforzado fibra vidrio).

Aplicaciones:

1. CFRP y GFRP: carrocería automotriz.
2. CRPF y compuestos nido de abeja: chasis.
3. Depósitos combustible: Kevlar fibra reforzada.
4. Termoestables reforzados: resortes, sistemas paragolpes.
5. Plástico reforzado fibra vidrio: cascos barcos, cañas pesca, raquetas tenis, cascos, arcos/flechas.

5. SEMICONDUCTORES

Material conductor intermedio. Conductividad no alta como metales ni baja como cerámicos aislantes. Resistencia disminuye al aumentar temperatura. Estructura atómica única permite controlar conductividad.

Ej: silicio, germanio, arseniuro de galio, selenio.

Aplicaciones:

1. Arseniuro galio: dispositivos amplificación señal débil, bajo ruido, alta ganancia.
2. Dispositivo semiconductor funciona como tubo vacío con cientos de veces su volumen.

6. BIOMATERIALES

Materiales no viables. Ej: alúmina, zirconia, titanio, tantalio, niobio, carbono.

Aplicaciones:

1. Metales en medicina: curar deficiencias micronutrientes (hierro = hemoglobina → sulfato ferroso para anemia).
2. Implantes para reparar/reemplazar tejidos dañados.

NOTA: En compuestos, nombre indica composición. En semiconductores: semi (mitad) + conductor. Diferencia aleación vs compuesto: compuesto = refuerzo de otro material; aleación = mezcla de materiales en cantidad requerida. Semiconductores y biomateriales son sustitutos de metales, cerámicos y polímeros donde se requiera.