Los materiales de ingeniería se dividen en cuatro clases: metales, cerámicos, polímeros y compuestos. Las tres primeras se distinguen por el tipo de enlace químico entre los átomos (metálico, iónico o covalente, y covalente con fuerzas secundarias entre cadenas), y eso es lo que explica la rigidez, la ductilidad y la temperatura de servicio de cada una. Los compuestos combinan dos o más clases para obtener lo que ninguna tiene por sí sola.
Esta es la clasificación de Callister y Rethwisch (Materials Science and Engineering: An Introduction, cap. 1). Los mismos autores tratan por separado los materiales avanzados, como los semiconductores y los biomateriales, que se definen por su aplicación y pueden pertenecer a cualquier clase. A continuación: qué distingue a cada clase, propiedades típicas con su fuente, el diagrama de Ashby, cómo elegir el material y cómo ensayar cada uno.
Cuáles son los tipos de materiales en la ingeniería
Clasificar materiales, en ingeniería, es agruparlos por el enlace químico y por la estructura interna, porque de ellos salen las propiedades. Los metales tienen enlace metálico, los cerámicos tienen enlace iónico, covalente o una mezcla de ambos, y los polímeros son cadenas largas de átomos unidos por enlace covalente. El compuesto no es un cuarto tipo de enlace: es la combinación de dos o más de estas clases, con una fase continua, la matriz, y una fase de refuerzo. Estudiar, desarrollar y ensayar estas clases es el trabajo de la ingeniería de materiales.
Diez ejemplos comunes, ya clasificados:
- Acero: metal ferroso.
- Aluminio: metal no ferroso.
- Cobre: metal no ferroso.
- Vidrio: cerámico no cristalino.
- Alúmina (óxido de aluminio): cerámico técnico.
- Porcelana: cerámico tradicional.
- Polipropileno (PP): polímero termoplástico.
- PVC: polímero termoplástico.
- Hule vulcanizado: elastómero.
- Concreto y fibra de carbono con epóxico: compuestos.
Otras dos clasificaciones no deben confundirse con esta: la división entre materiales naturales y artificiales, didáctica, que no dice nada sobre el comportamiento mecánico, y la "clasificación de materiales" de la administración de compras y almacenes, que organiza artículos de inventario.
La siguiente tabla resume las cuatro clases; cada fila se explica en las secciones siguientes.
| Clase | Enlace | Ejemplos | Comportamiento típico |
|---|---|---|---|
| Metales | metálico | acero, aluminio, cobre, titanio | conducen, se deforman plásticamente antes de romperse |
| Cerámicos | iónico y covalente | alúmina, carburo de silicio, vidrio, porcelana | rígidos, refractarios, aislantes y frágiles |
| Polímeros | covalente en la cadena, secundario entre cadenas | PP, PVC, epóxico, hule | ligeros, poco rígidos, se ablandan con el calor |
| Compuestos | los de las fases que los forman | CFRP, fibra de vidrio, concreto, madera | propiedades de diseño, dependientes de la dirección |
Enlace químico: por qué cada clase se comporta de una manera
En el enlace metálico, los electrones de valencia no pertenecen a un átomo: forman una nube común que envuelve a los iones positivos. Como este enlace no tiene una dirección preferente, los planos de átomos pueden deslizarse unos sobre otros sin que el sólido se rompa. Este deslizamiento ocurre por el movimiento de dislocaciones, defectos lineales de la red cristalina, y es el origen de la deformación plástica y de la ductilidad de los metales. Los electrones libres explican también la buena conducción de calor y de electricidad.
En los cerámicos, el enlace iónico o covalente es fuerte y direccional. Desplazar un plano de átomos exige acercar iones de la misma carga o romper enlaces orientados, y las dislocaciones prácticamente no se mueven. El resultado es alta rigidez, alta temperatura de fusión, aislamiento eléctrico y fragilidad: en lugar de fluir plásticamente, el cerámico deja que una grieta pequeña crezca hasta la rotura.
En los polímeros, los átomos de cada cadena están unidos por enlace covalente, pero las cadenas se unen entre sí por fuerzas secundarias, de van der Waals o puentes de hidrógeno, decenas de veces más débiles. Bajo carga, lo que cede son estos enlaces entre cadenas. Por eso los polímeros tienen módulo bajo, baja densidad y baja temperatura de servicio. La tabla muestra la relación entre la energía de enlace y la temperatura de fusión:
| Enlace | Sustancia | Energía de enlace (kJ/mol) | Fusión (°C) |
|---|---|---|---|
| Iónico | NaCl | 640 | 801 |
| Iónico | MgO | 1,000 | 2,800 |
| Covalente | Si | 450 | 1,410 |
| Covalente | C (diamante) | 713 | > 3,550 |
| Metálico | Hg | 68 | −39 |
| Metálico | Al | 324 | 660 |
| Metálico | Fe | 406 | 1,538 |
| Metálico | W | 849 | 3,410 |
| Van der Waals | Ar | 7.7 | −189 |
| Puente de hidrógeno | H2O | 51 | 0 |
Fuente: Callister y Rethwisch, Tabla 2.3. La regla que se desprende de ella vale para todas las clases: cuanto mayor es la energía de enlace, mayores tienden a ser la temperatura de fusión y el módulo de elasticidad.
Metales: ferrosos y no ferrosos
Los metales se dividen en ferrosos, a base de hierro, y no ferrosos. Los ferrosos dominan por su costo y por la combinación de resistencia, tenacidad y conformabilidad; los no ferrosos entran cuando el diseño pide ligereza, conductividad o resistencia a la corrosión.
Ferrosos: acero y hierro fundido
El acero es una aleación de hierro y carbono con hasta cerca de 2.14 % de carbono en masa; por encima de eso, la aleación es hierro fundido (Callister, cap. 11). El hierro fundido funde a menor temperatura y llena bien el molde, por lo que es adecuado para monobloques de motor y carcasas; el hierro gris es frágil a tracción. El acero se lamina, se forja, se estampa y se trefila.
El acero al carbono común se oxida. La resistencia a la corrosión se obtiene por tres caminos: aleación, recubrimiento o pintura. El acero inoxidable lleva al menos cerca de 11 % de cromo, que forma en la superficie una capa delgada de óxido protector (Callister). La lata de alimentos es de hojalata, acero de bajo carbono recubierto de estaño: el estaño protege al acero, pero no forma parte de la aleación. En la foto, pilas de ángulos de acero laminado, el tipo de perfil usado en estructuras metálicas y que se ensaya a tracción (prueba de tensión) para verificar el certificado de la acería.
Las propiedades de un mismo acero cambian con el procesamiento. El acero 1020 laminado en caliente tiene un esfuerzo de fluencia de cerca de 205 MPa; estirado en frío, de cerca de 350 MPa. El temple, el revenido y el recocido cambian la microestructura y, con ella, la dureza y la resistencia, tema del artículo sobre tratamiento térmico de los metales. El módulo de elasticidad, en cambio, casi no varía: el valor de cálculo es 200 GPa según la ABNT NBR 8800 (la norma brasileña de diseño de estructuras de acero) y 210 GPa para el acero de refuerzo según la NBR 6118 (la norma brasileña de diseño de estructuras de concreto); la diferencia con los cerca de 207 GPa de los libros se explica en el artículo sobre el módulo de elasticidad del acero.
No ferrosos: aluminio, cobre, titanio y magnesio
El aluminio tiene una densidad de 2.70 g/cm³, cerca de un tercio de la del acero, y un módulo de 69 GPa. Conduce bien el calor, lo que lo lleva a los disipadores, y su ligereza, a aeronaves y carrocerías. El cobre es el conductor eléctrico estándar de cables y barras colectoras, con un módulo de 110 a 117 GPa; aleado con zinc forma el latón, y con estaño, el bronce. El titanio y la aleación Ti-6Al-4V combinan alta resistencia, densidad de cerca de 4.4 g/cm³ y excelente resistencia a la corrosión, lo que los lleva a la aeronáutica y a los implantes. El magnesio, con 1.74 g/cm³, es el metal estructural más ligero.
Los metales son reciclables por refusión, pero no sin límite: los elementos residuales se acumulan en la chatarra, como el cobre y el estaño en el acero, y la mezcla de aleaciones obliga a diluir la chatarra con metal nuevo para mantener la composición especificada.
Cerámicos: tradicionales, técnicos y vidrios
Los cerámicos son compuestos de elementos metálicos y no metálicos, en general óxidos, nitruros y carburos. Se dividen por la materia prima y por la aplicación.
Cerámicos tradicionales y técnicos
Los cerámicos tradicionales parten de materias primas naturales: arcilla, que da plasticidad a la pasta para moldearla; feldespato, que funciona como fundente; y sílice, que forma el esqueleto de la pieza. Son ladrillos, tejas, muebles sanitarios, porcelana y recubrimientos. La regla de que todo cerámico lleva arcilla y feldespato vale solo para ellos.
Los cerámicos técnicos, o avanzados, usan polvos sintéticos de alta pureza, sin arcilla: alúmina (Al2O3), zirconia, carburo de silicio y nitruro de silicio. El polvo se compacta y se consolida por sinterizado, por debajo de la temperatura de fusión. Aparecen en herramientas de corte, aisladores, sellos, implantes, blindajes y en los cerámicos piezoeléctricos de los transductores de ultrasonido, que convierten presión en señal eléctrica.
La fragilidad define cómo se diseña y se ensaya el cerámico. En la ficha de la alúmina 99.5 % de Accuratus, la resistencia a la compresión es de 2,600 MPa y la resistencia a la flexión, de 379 MPa: la compresión es cerca de 7 veces mayor, porque en compresión las grietas se cierran y en tracción se abren. Por eso el cerámico técnico trabaja bien a compresión y se caracteriza a flexión, y no a tracción. La tenacidad a la fractura de la misma alúmina es de 4 MPa·√m, contra 110 MPa·√m de un acero AISI 4130 (Dowling, citado en el artículo sobre tenacidad).
Vidrios
El vidrio es un cerámico no cristalino: los átomos no forman una red ordenada, porque el material se enfría demasiado rápido para cristalizar. El vidrio común de ventana es sódico-cálcico, a base de sílice, con un módulo de cerca de 69 GPa, prácticamente el del aluminio, y una tenacidad a la fractura de cerca de 0.76 MPa·√m. La resistencia de una hoja depende más de las rayas de la superficie que de la composición, y por eso el templado del vidrio, que deja la superficie a compresión, aumenta tanto la resistencia. En la foto, hojas de vidrio apiladas: el color verde de los cantos proviene del óxido de hierro presente en la materia prima.
Polímeros: termoplásticos, termofijos y elastómeros
Los polímeros son materiales formados por macromoléculas, cadenas largas de unidades que se repiten, los meros. La clasificación de ingeniería no es por uso (plástico, hule, fibra), sino por la estructura de las cadenas, que define cómo reacciona el material al calor.
- Termoplásticos: tienen cadenas independientes, unidas solo por fuerzas secundarias. Se ablandan al calentarse y pueden refundirse y moldearse de nuevo: polietileno (PE), polipropileno (PP), PVC, PET, poliestireno (PS) y policarbonato (PC).
- Termofijos: tienen las cadenas unidas entre sí por enlaces covalentes, el entrecruzamiento (reticulación), que se forma durante el curado. No se refunden: al calentarse demasiado, se degradan. Ejemplos: epóxico, resinas fenólicas y poliéster insaturado, matrices típicas de los compuestos.
- Elastómeros: admiten gran deformación elástica y recuperan su forma. El hule vulcanizado está ligeramente entrecruzado y no funde, por eso las llantas usadas se trituran y se reaprovechan, por ejemplo como hule agregado al asfalto. Los elastómeros termoplásticos (TPE) funden y pueden inyectarse.
"Fibra" no es una clase: es la forma en que se usa el polímero. El PET y el nylon se convierten en fibra textil; la aramida (Kevlar) es una fibra polimérica de alta resistencia; el algodón es una fibra natural de celulosa, otro polímero. En la foto, botellas de agua: el cuerpo es de PET y las tapas suelen ser de polipropileno o de polietileno de alta densidad, dos termoplásticos distintos en el mismo envase, lo que obliga a separarlos en el reciclaje.
El comportamiento mecánico de los polímeros depende de la temperatura y de la velocidad de carga mucho más que el de los metales. Por debajo de la temperatura de transición vítrea, el polímero amorfo es rígido y frágil; por encima de ella, se vuelve ahulado. Por eso las normas de ensayo de plásticos fijan la velocidad y el acondicionamiento de la probeta de ensayo. El origen de la materia prima es otro eje: los polímeros biodegradables, como el PLA, son termoplásticos que se descomponen por la acción de microorganismos en condiciones controladas.
Compuestos: matriz, refuerzo y dirección
Un compuesto es un material con dos o más fases de clases diferentes, diseñado para sumar cualidades: la matriz mantiene unido el conjunto y transfiere la carga, y el refuerzo, en partículas o fibras, aporta rigidez y resistencia. El adobe con paja, usado desde la Antigüedad, ya era un compuesto: las fibras de la paja sujetan el barro y reducen las grietas de secado. Por la matriz, los compuestos se dividen en tres grupos:
- Matriz polimérica (PMC): fibra de carbono con epóxico (CFRP), fibra de vidrio con poliéster (GFRP) y aramida con epóxico. El Kevlar por sí solo es fibra; el compuesto es la fibra en la matriz.
- Matriz metálica (MMC): por ejemplo, aluminio reforzado con partículas de carburo de silicio.
- Matriz cerámica (CMC): por ejemplo, carburo de silicio reforzado con fibras de carburo de silicio, para piezas calientes de turbinas.
Con fibras alineadas, las propiedades dependen de la dirección, lo que se llama anisotropía. En la ficha técnica de la fibra de carbono Toray T700S, el laminado unidireccional con epóxico y 60 % de fibra en volumen tiene un módulo de 134 GPa y una resistencia a la tracción de 2,860 MPa en la dirección de la fibra (0°), pero solo 81 MPa a 90°, cuando toda la carga recae en la matriz; por eso las piezas apilan capas en varias direcciones. La densidad estimada por la regla de las mezclas, ρc = Vf·ρf + (1 − Vf)·ρm, es 0.6 × 1.80 + 0.4 × 1.2 = 1.56 g/cm³, tomando la fibra con 1.80 g/cm³ (Toray) y la resina con 1.2 g/cm³ (intervalo de 1.11 a 1.4 g/cm³).
Compuestos de la construcción
El concreto es un compuesto particulado: agregados grueso y fino en una matriz de pasta de cemento. El concreto armado suma un segundo refuerzo, las varillas de acero, que resisten la tracción que el concreto no soporta; el comportamiento del concreto como material se trata en el artículo sobre el módulo de elasticidad del concreto. El acero, por sí solo, no es un compuesto: es una aleación metálica. La madera y el hueso son compuestos naturales, con fibras de celulosa y de colágeno que refuerzan una matriz.
La mezcla asfáltica también es un compuesto particulado, de agregado mineral y ligante asfáltico. En la foto, el rodillo compacta la mezcla recién tendida; al lado, una malla de refuerzo extendida sobre la base, que agrega al pavimento una segunda fase de refuerzo.
La dosificación de esta mezcla se controla en laboratorio con el ensayo Marshall (prueba Marshall) (DNER-ME 043, método de ensayo brasileño de carreteras), que comprime probetas cilíndricas de la mezcla para medir la estabilidad y el flujo. El siguiente video presenta la prensa CBR/Marshall de Biopdi, que realiza el ensayo Marshall y también el ensayo CBR de suelos.
Semiconductores y biomateriales
Los semiconductores y los biomateriales no son clases químicas nuevas: son materiales avanzados, definidos por su función, que entran en las cuatro clases.
Los semiconductores tienen una conductividad eléctrica intermedia entre la de los conductores y la de los aislantes. Esa conductividad se controla agregando impurezas en concentraciones muy pequeñas, lo que se llama dopado (Callister, cap. 1). El silicio, el principal de ellos, tiene enlace covalente (450 kJ/mol, fusión a 1,410 °C) y, mecánicamente, se comporta como una cerámica frágil. Su módulo varía de 130 a 185 GPa según la dirección cristalina (Engineering ToolBox).
Los biomateriales, según la definición de Williams (Biomaterials, 2009), son sustancias diseñadas para dirigir un procedimiento terapéutico o diagnóstico mediante su interacción con sistemas vivos. Hay biomateriales metálicos (Ti-6Al-4V en implantes), cerámicos (zirconia en prótesis; hidroxiapatita, el mineral del hueso, en injertos), poliméricos (PMMA en cemento óseo) y compuestos (resinas dentales con relleno cerámico). El diseño de un implante choca con la rigidez: la aleación de titanio tiene de 105 a 120 GPa y el hueso cortical, de 10 a 20 GPa. Un implante demasiado rígido absorbe la carga que debería recibir el hueso, y el hueso que lo rodea pierde masa. En odontología, la durabilidad de restauraciones e implantes se evalúa bajo carga repetida, en el ciclado mecánico.
Propiedades típicas por clase
Las diferencias entre las clases quedan claras al poner lado a lado la densidad, el módulo de elasticidad y la resistencia de materiales representativos. Todos los valores de abajo son típicos o mínimos de especificación, con la condición del material. La misma designación cambia con el tratamiento, la dirección y el lote, y solo el ensayo del lote real sustituye a la tabla. El significado de cada propiedad está en el artículo sobre propiedades mecánicas de los materiales.
| Material y condición | ρ (g/cm³) | E (GPa) | Resistencia (MPa) |
|---|---|---|---|
| Acero ASTM A36, mínimos | 7.85 | 200 | fluencia ≥ 250; Rm 400 a 550 |
| Acero 1020 laminado en caliente, típico | 7.85 | 200 | fluencia 205; Rm 380 |
| Aluminio 6061-T6, típico | 2.70 | 69 | Rp0.2 276; Rm 310 |
| Ti-6Al-4V recocido | 4.43 | 105 a 120 | fluencia 925 |
| Alúmina 99.5 % | 3.89 | 375 | flexión 379; compresión 2,600 |
| Vidrio sódico-cálcico | 2.4 a 2.8 | 69 | gobernada por los defectos de la superficie |
| Concreto | 2.0 a 2.4 | 25.4 a 36.6 | compresión: fck de la clase |
| Polipropileno | 0.90 | 1.14 a 1.55 | tracción 27 |
| PVC rígido | 1.33 | 2.41 a 4.14 | tracción 48 |
| PTFE | 2.1 | 0.4 | tracción 13 |
| Caucho, pequeña deformación | 1.1 | 0.01 a 0.1 | gran alargamiento hasta la rotura |
| CFRP T700S/epóxica, Vf 60 % | 1.56 (estimada) | 134 a 0° | 2,860 a 0°; 81 a 90° |
| Roble, en la dirección de las fibras | 0.72 | 11 | depende de la humedad |
Fuentes: acero, ABNT NBR 8800:2008 (la norma brasileña de diseño de estructuras de acero; E y ρ de cálculo), ASTM A36 y MatWeb (1020); aluminio, Callister y MatWeb/ASM; Ti-6Al-4V, Engineering ToolBox (E de las aleaciones de titanio), Wikipedia (ρ) y Dowling (fluencia); alúmina, ficha de Accuratus; vidrio y concreto, Sonelastic/ASM (E) y Engineering ToolBox (ρ); polímeros, Callister, Tabla B.2 (E del PP y del PVC) y Engineering ToolBox (los demás); CFRP, ficha de Toray T700S, con ρ calculada por la regla de las mezclas; roble, Engineering ToolBox.
La tenacidad a la fractura separa las clases todavía más que el módulo. Los valores de abajo, a temperatura ambiente, son los mismos del artículo sobre tenacidad:
| Material | KIc (MPa·√m) | Fuente |
|---|---|---|
| Acero AISI 4130 | 110 | Dowling, Tab. 8.1 |
| Ti-6Al-4V recocido | 66 | Dowling, Tab. 8.1 |
| Aluminio 7075-T651 | 29 | Dowling, Tab. 8.1 |
| Alúmina 99.5 % | 4 | Accuratus |
| ABS | 3.0 | Dowling, Tab. 8.2 |
| Policarbonato | 2.2 | Dowling, Tab. 8.2 |
| Vidrio sódico-cálcico | 0.76 | Dowling, Tab. 8.2 |
| Concreto | 0.2 a 1.4 | Dowling, Tab. 8.2 |
Las cerámicas técnicas son más rígidas y más ligeras que el acero, pero toleran grietas decenas de veces menos: duro no quiere decir tenaz, diferencia que se trata en el artículo sobre dureza. Los compuestos de fibra alcanzan la rigidez de los metales con una densidad cercana a la de los polímeros, pero solo en la dirección de las fibras.
Diagrama de Ashby y cómo elegir el material
El diagrama de Ashby coloca dos propiedades en ejes logarítmicos, por lo general el módulo de elasticidad E contra la densidad ρ, y muestra cada familia de materiales como una región de la gráfica (Ashby, Acta Metallurgica, 1989). En la escala log-log, cada razón entre las propiedades se convierte en una recta.
La gráfica de abajo usa los materiales citados en este artículo, no las regiones completas de las bases de datos de Ashby. Cada material es un punto cuando la fuente da un valor único, y un rectángulo o un trazo cuando da un intervalo. Los datos vienen de la ABNT NBR 8800 (acero), de Callister, de Engineering ToolBox, de las fichas de Accuratus (alúmina) y Toray (CFRP, con densidad estimada) y de Sonelastic/ASM. Las rectas punteadas pasan por el acero.
Las rectas corresponden a tres índices de mérito de Ashby (Materials Selection in Mechanical Design, 4.ª ed., 2011), cada uno para una función de pieza ligera y rígida: E/ρ para el tirante, con pendiente 1 en la gráfica; E1/2/ρ para la viga en flexión, con pendiente 2; y E1/3/ρ para la placa en flexión, con pendiente 3. Todo material por encima de una recta supera al acero en ese criterio; todo material por debajo queda atrás. El aluminio cae casi sobre la recta E/ρ del acero, pero queda muy por encima de las rectas de viga y de placa; el CFRP y las cerámicas técnicas quedan por encima de las tres.
El índice es una criba dentro de un método de cuatro pasos: definir la función de la pieza (tirante, viga, placa); enumerar las restricciones (temperatura, corrosión, costo, proceso); elegir el objetivo (menor masa, costo o volumen); y, con el índice y el diagrama, descartar candidatos y confirmar los restantes mediante ensayo en el lote real.
Ejemplo: viga ligera y rígida de acero, aluminio o CFRP
Una viga de sección cuadrada, con longitud y rigidez fijas y sección libre, debe tener la menor masa posible. El índice es M = E1/2/ρ, y la masa de la viga es inversamente proporcional a él.
- Acero: √200 / 7.85 = 14.14 / 7.85 = 1.80.
- Aluminio 6061-T6: √69 / 2.70 = 8.31 / 2.70 = 3.08.
- CFRP T700S/epóxica a 0°: √134 / 1.56 = 11.58 / 1.56 = 7.42.
Para la misma rigidez, la viga de aluminio pesa 1.80 / 3.08 = 58 % de la de acero, y la de CFRP, 1.80 / 7.42 = 24 %, siempre que las fibras estén alineadas con el eje de la viga. En un tirante, el resultado cambia: E/ρ da 200 / 7.85 = 25.5 para el acero y 69 / 2.70 = 25.6 para el aluminio, un empate, y la decisión pasa al costo, a la corrosión y a la resistencia. La alúmina daría 4.98 en la viga, pero su fragilidad la descarta en el paso de las restricciones en casi cualquier pieza estructural.
Cómo ensayar cada tipo de material
La clase del material define el ensayo, la probeta de ensayo y el intervalo de fuerza. El artículo sobre los principales ensayos mecánicos describe cada ensayo; aquí queda lo que cambia de una clase a otra.
- Metales: el ensayo de tracción (prueba de tensión) da la fluencia, la Rm, el alargamiento y, con extensómetro, el módulo. La curva muestra el tramo elástico, la fluencia, el endurecimiento por deformación (acritud) y la estricción, como en el diagrama esfuerzo-deformación.
- Polímeros: tracción en probeta tipo halterio, con velocidad y acondicionamiento fijados por norma, y flexión para el módulo de flexión de las fichas técnicas.
- Elastómeros: tracción con carrera larga, porque el alargamiento a la rotura es mucho mayor que el de cualquier metal.
- Cerámicas técnicas: ensayo de flexión en barras pequeñas, porque la tracción exige una alineación casi perfecta y la presión de las mordazas tiende a iniciar grietas. La curva es lineal hasta la rotura, sin meseta plástica.
- Compuestos: tracción en el plano del laminado, con la probeta cortada en la dirección de interés y la dirección registrada en el informe; la curva del CFRP a 0° es casi lineal hasta la rotura.
- Concreto y mortero: ensayo de compresión de cilindros de concreto (probetas cilíndricas).
La tabla resume la norma principal de cada clase; las ediciones están en la sección de normas.
| Clase | Ensayo principal | Normas | Fuerza típica |
|---|---|---|---|
| Metales | tracción | ISO 6892-1 (ABNT NBR ISO 6892-1 en Brasil), ASTM E8/E8M | de pocos kN (alambres) a cientos de kN (barras) |
| Plásticos | tracción y flexión | ASTM D638, ISO 527-1; ASTM D790, ISO 178 | hasta algunos kN |
| Elastómeros | tracción con gran alargamiento | ASTM D412 | cientos de N |
| Cerámicas técnicas | flexión | ASTM C1161 | cientos de N |
| Compuestos de matriz polimérica | tracción en el plano | ASTM D3039/D3039M | decenas de kN |
| Concreto | compresión | ABNT NBR 5739 (norma brasileña) | cientos de kN |
Ejemplo: tracción de polipropileno
Una probeta de PP tipo I de la ASTM D638, con sección útil de 13 mm × 3.2 mm, se rompe con una fuerza máxima de 1.12 kN. El área es S0 = 13 × 3.2 = 41.6 mm², y Rm = 1,120 / 41.6 = 26.9 MPa, coherente con los 27 MPa típicos del PP. Una fuerza de alrededor de 1 kN pide una celda de carga de baja capacidad, como la de la máquina universal de una columna de 2 a 10 kN (MBIOI-10-M2). Para cauchos y películas, la versión con carrera extendida, de 1,290 mm, está en la máquina para gran alargamiento.
Ejemplo: flexión de alúmina
Una barra de alúmina 99.5 % con ancho b = 4 mm y altura d = 3 mm se ensaya en flexión en tres puntos, con claro L = 40 mm. Con el esfuerzo de flexión σ = 3FL / (2bd²) y la resistencia de 379 MPa de la ficha, la fuerza de rotura es F = 2bd²σ / (3L) = (2 × 4 × 9 × 379) / (3 × 40) = 27,288 / 120 = 227 N. La ASTM C1161 usa barras de ese orden de tamaño y recomienda la flexión en cuatro puntos, que somete un tramo mayor de la barra al esfuerzo máximo.
Capacidad de la máquina, metalografía y software
La fuerza máxima del ensayo define la máquina. Una probeta redonda de acero A36 de 12.5 mm de diámetro (S0 = 122.7 mm²) llega a 550 × 122.7 = 67.5 kN y pide la máquina de 100 a 200 kN (MBIOII-200-M2); las láminas delgadas y los compuestos caben en la doble columna de 5 a 50 kN (MBIOII-50-M2). La elección de la capacidad y de las mordazas está en el artículo sobre la máquina universal de ensayos, y los modelos, en la página de la máquina universal de ensayos. El software BioLab convierte fuerza y desplazamiento en esfuerzo y deformación y genera el informe según la norma elegida. La compresión de cilindros de concreto se hace en las prensas eléctricas e hidráulicas.
En los metales, la metalografía muestra por qué el material resiste como resiste: tamaño de grano, fases, inclusiones y capas de tratamiento superficial. La muestra se corta en la cortadora metalográfica, se pule en la pulidora metalográfica y se observa en el microscopio metalográfico.
Normas citadas
La tabla reúne las normas de ensayo citadas en el artículo, con la edición vigente verificada el 30/09/2026 cuando se indica:
| Norma | De qué trata | Edición |
|---|---|---|
| ABNT NBR ISO 6892-1 | tracción de metales a temperatura ambiente (adopción brasileña de la ISO 6892-1) | 2024 |
| ISO 6892-1 | tracción de metales a temperatura ambiente | 2019 |
| ASTM E8/E8M | tracción de metales | E8/E8M-25 |
| ASTM D638 | tracción de plásticos | D638-22 |
| ISO 527-1 | tracción de plásticos, principios generales | 2019 |
| ASTM D790 | flexión de plásticos | D790-25 |
| ISO 178 | flexión de plásticos | 2019 |
| ASTM D412 | tracción de caucho vulcanizado y elastómeros termoplásticos | D412-16(2021) |
| ASTM C1161 | resistencia a la flexión de cerámicas avanzadas | C1161-18(2023) |
| ASTM D3039/D3039M | tracción de compuestos de matriz polimérica | D3039/D3039M-17(2025) |
| ABNT NBR 5739 | compresión de probetas cilíndricas de concreto (norma brasileña) | 2018 |
| ABNT NBR 8800 | diseño de estructuras de acero (valores de cálculo; norma brasileña) | 2008 |
| DNER-ME 043 | ensayo Marshall de mezclas asfálticas (método brasileño) | vigente |
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La ingeniería de materiales es la ingeniería que relaciona procesamiento, estructura, propiedades y desempeño de metales, polímeros, cerámicos y compuestos para seleccionar, desarrollar, fabricar y ensayar el material adecuado para cada uso. Vea qué hace el ingeniero, las atribuciones del Confea (el consejo federal de ingeniería de Brasil), el plan de estudios de la carrera, dónde estudiar en Brasil, el salario según el Caged (el registro oficial de empleo de Brasil) y el salario mínimo profesional de la Ley 4.950-A/66 (ley brasileña).
Tratamientos térmicos de los metales: qué son, tipos, diagrama hierro-carbono y curvas TTT
El tratamiento térmico es el calentamiento y enfriamiento controlados de un metal sólido para cambiar su microestructura y, con ella, la dureza, la resistencia y la tenacidad, sin cambiar la forma de la pieza. Vea las tres etapas, el diagrama hierro-carbono (eutectoide a 727 °C y 0.77 % C), las curvas TTT y CCT, las microestructuras, las familias de tratamientos, el 6061-T6, cómo elegir el proceso y cómo verificar el resultado.
Polímeros biodegradables: qué son, tipos (PLA, PHA, PBAT, PBS, PCL, almidón), normas y propiedades mecánicas
Los polímeros biodegradables son plásticos que los microorganismos convierten en CO₂, agua y biomasa, y no solo fragmentan. La biodegradación depende del ambiente: el PLA solo llega al 90 % en seis meses en compostaje industrial. Vea la diferencia entre biodegradable, compostable, de base biológica y oxodegradable, los tipos, las normas, las propiedades mecánicas y cómo ensayarlos.
Recocido del acero: qué es, tipos, temperaturas y efectos en las propiedades
El recocido es el tratamiento térmico que calienta el metal, mantiene la temperatura y lo enfría lentamente, en general dentro del horno, para reducir la dureza y los esfuerzos internos y recuperar la ductilidad y la maquinabilidad. En el acero, el recocido total austeniza unos 30 a 50 °C por encima de Ac3, y los tipos subcríticos quedan por debajo de Ac1 (alivio de esfuerzos de 550 a 650 °C, esferoidización de 700 a 720 °C). Vea los tipos, las temperaturas, la microestructura, los efectos con números y cómo verificar el resultado.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son los 4 tipos de materiales?
En ingeniería, metales, cerámicos, polímeros y compuestos (Callister y Rethwisch, cap. 1). Los tres primeros se distinguen por el enlace químico: metálico, iónico o covalente, y covalente con fuerzas secundarias entre las cadenas. El compuesto combina dos o más clases, como la fibra de carbono en matriz de epóxico.
¿Cuáles son 10 ejemplos de materiales?
Acero, aluminio y cobre (metales); vidrio, alúmina y porcelana (cerámicos); polipropileno, PVC y hule vulcanizado (polímeros); y fibra de carbono con epóxico (compuesto). El concreto también es un compuesto, de agregado en una matriz de cemento.
¿Cuál es la diferencia entre metales, cerámicos y polímeros?
Los metales conducen la electricidad y se deforman plásticamente antes de romperse. Los cerámicos son rígidos, refractarios y frágiles: la alúmina tiene una KIc de cerca de 4 MPa·√m, contra 110 MPa·√m de un acero 4130. Los polímeros son ligeros, con densidad cercana a 1 g/cm³ y módulo de 1 a 4 GPa, y se reblandecen a baja temperatura.
¿Qué son los materiales compuestos?
Son materiales con dos o más fases de clases diferentes, una matriz y un refuerzo, combinadas para obtener propiedades que ninguna tiene por sí sola. El laminado de fibra de carbono T700S con epóxico llega a 134 GPa y 2,860 MPa en la dirección de la fibra, con una densidad de cerca de 1.56 g/cm³ (ficha técnica de Toray). La madera y el hueso son compuestos naturales.
¿El vidrio es un material cerámico?
Sí. El vidrio es un cerámico no cristalino, a base de sílice en el caso del vidrio sodocálcico. Tiene un módulo de cerca de 69 GPa y una tenacidad a la fractura de cerca de 0.76 MPa·√m, lo que explica por qué se agrieta con facilidad a partir de un rayón.
¿Los semiconductores y los biomateriales son clases de materiales?
No en el sentido químico. Callister los trata como materiales avanzados, definidos por la aplicación. El silicio es covalente y frágil como un cerámico, y un biomaterial puede ser un metal (Ti-6Al-4V), un cerámico (zirconia), un polímero (PMMA) o un compuesto (resina dental), según Williams (2009).
¿Cuál es el material más rígido?
Entre los materiales de ingeniería, el diamante, con un módulo de 700 a 1,220 GPa según la fuente. En las aplicaciones estructurales, los cerámicos técnicos van a la cabeza: carburo de silicio de 450 a 650 GPa y alúmina 99.5 % con 375 GPa, contra 200 GPa del acero.
¿Cómo elegir el tipo de material para una pieza?
Defina la función, las restricciones (temperatura, ambiente, costo, proceso) y el objetivo, como la menor masa. Después calcule el índice de mérito, E/ρ para un tirante y E1/2/ρ para una viga (Ashby), haga la preselección en el diagrama y valide los candidatos con ensayos en el lote real.
¿Cómo ensayar cada tipo de material?
Metales: tracción según ISO 6892-1 (ABNT NBR ISO 6892-1 en Brasil) o ASTM E8/E8M. Plásticos: tracción según ASTM D638 o ISO 527-1 y flexión según ASTM D790 o ISO 178. Hules (caucho): ASTM D412. Cerámicos técnicos: flexión según ASTM C1161. Compuestos: ASTM D3039/D3039M. Concreto: compresión según ABNT NBR 5739 (la norma brasileña de ensayo de compresión de concreto). Todos caben en una máquina universal de ensayos con la celda de carga y las mordazas adecuadas.
¿Qué es el diagrama de Ashby?
Es una gráfica log-log de dos propiedades, como el módulo de elasticidad y la densidad, en la que cada familia de materiales ocupa una región (Ashby, 1989). Las rectas de pendiente 1, 2 y 3 representan los índices E/ρ, E1/2/ρ y E1/3/ρ y muestran de una sola vez los candidatos a tirante, viga y placa ligeros y rígidos.
¿Qué son los materiales naturales y artificiales?
Los naturales se usan tal como los proporciona la naturaleza o con poca transformación, como la madera, la piedra y el algodón. Los artificiales, o sintéticos, son producidos por la industria, como el acero, el plástico y el vidrio. Es una clasificación de la educación básica; la ingeniería clasifica por el enlace químico y por la estructura.
¿Qué significa "clasificación de los materiales"?
En ingeniería, es agrupar los materiales en metales, cerámicos, polímeros y compuestos según el enlace químico y la estructura. En la administración de suministros, el mismo término designa la organización de los artículos del inventario para compras y control. Son temas diferentes.