Ya hemos presentado hasta tres clasificaciones de los materiales claramente distintas entre sí, pero hay muchas más, y aunque no vamos a entrar en profundidad, sí mencionaremos al menos algunas otras con el fin de dar una visión general que permita situar y contextualizar los diferentes ejemplos que se presentarán en el libro. Estas clasificaciones alternativas son complementarias y no sustituyen a las anteriores; simplemente responden a que en determinadas situaciones puede interesar más agrupar los materiales de otras formas. Por ejemplo, una distinción clásica que se hace en ciencia de materiales para evitar el sesgo estructural del término material es distinguir entre materiales estructurales y funcionales. Los primeros serían los que tienen algún tipo de matiz estructural, ya sea en un edificio, un medio de transporte o cualquier otro ámbito análogo, mientras que los funcionales serían aquellos que desempeñan una función específica no estructural, como podría ser un catalizador, un imán, un pigmento o un dispositivo electrónico. También resulta habitual dar una clasificación directamente por aplicaciones, es decir, hablar de materiales de construcción, aeroespaciales, electrónicos, biomédicos, etc.
En general, la clasificación más común de los materiales, al margen de las que se han introducido ya, probablemente sea las que se hace según sus propiedades. En las monografías de ciencia de materiales a menudo se hace una exposición mixta o combinada entre las categorías que hemos detallado en el apartado anterior y la naturaleza de las propiedades que detallamos a continuación. Cabe destacar que cada grupo de propiedades es de mucha relevancia y para todas las que mencionaremos hay extensas monografías que las analizan pormenorizadamente.
- Propiedades mecánicas. Hacen referencia a la respuesta que dan los materiales al ser sometidos a fuerzas, tensiones, cargas o esfuerzos. Debido a estas perturbaciones externas los materiales pueden deformarse reversible (deformación elástica) o irreversiblemente (deformación plástica), o incluso fracturarse. Resulta obvio que este es un aspecto fundamental a considerar en los materiales estructurales, ya que, por ejemplo, es necesario conocer en detalle qué peso puede soportar una viga o un pilar de un edificio sin que haya deformaciones incontroladas, o cómo proyectar los cimientos de un puente, diseñar un coche para prevenir accidentes o el fuselaje de un avión que soporta la acción del viento y temperaturas extremas. El estudio de las propiedades mecánicas es, por tanto, un elemento fundamental en muchos sectores industriales actuales.
- Propiedades eléctricas. Afectan al comportamiento de los materiales en presencia de campos o cargas eléctricas, así como por el paso de corrientes eléctricas. La magnitud fundamental que indica la capacidad que tiene un material para transportar cargas eléctricas (o no oponerse al paso de corrientes eléctricas) es la conductividad, que varía en muchos órdenes de magnitud dependiendo del material. Se distingue entre superconductores (materiales que prácticamente no oponen resistencia al paso de la corriente eléctrica), conductores como los metales, semiconductores como el silicio, o aislantes como las cerámicas y los polímeros en general, que prácticamente no conducen la electricidad. En esta categoría también se englobaría el estudio de otros fenómenos relacionados con la producción de corrientes eléctricas o la respuesta a campos eléctricos como son la piezoelectricidad, la ferroelectricidad o la piroelectricidad.
- Propiedades térmicas. En este apartado se engloban aquellas respuestas que tienen que ver con la temperatura y el flujo de calor, que muy a menudo están relacionadas con las vibraciones reticulares de los sólidos o fonones. Se estaría hablando de los fenómenos relacionados con el transporte de calor (conducción, convección y radiación) así como de otras magnitudes implicadas como la capacidad calorífica o el calor específico y el estudio de las deformaciones provocadas por las variaciones de temperatura.
- Propiedades magnéticas. Son todas aquellas respuestas o cambios producidos por la presencia de campos magnéticos estáticos o variables en el tiempo. Son de gran importancia en la industria, ya que hay algunas sustancias que debido a su estructura electrónica presentan momentos magnéticos (o magnetización a nivel macroscópico) no nulos incluso en ausencia de campos magnéticos. Son los materiales ferromagnéticos, como los elementos hierro, cobalto y níquel (y sus aleaciones) y muchos otros materiales tanto metálicos como cerámicos. El ferromagnetismo tan solo es un caso particular de orden magnético, siendo habitual encontrar otras disposiciones (antiferromagnetismo, ferrimagnetismo, etc.). Conocer en detalle las propiedades magnéticas es de suma importancia para la producción de imanes permanentes, que son de gran interés en muchas ramas de la industria y en otras aplicaciones como los dispositivos de memoria y grabación, los aparatos para resonancia magnética nuclear, etc.
- Propiedades ópticas. Están relacionadas con la respuesta a la luz visible y a la radiación electromagnética en general. Se estudian fenómenos como la reflexión y la refracción de la luz, así como los de interferencia y difracción, absorción y dispersión; en general, todo lo que afecte a la interacción luz-materia, que da lugar a campos de estudio muy extensos y con múltiples aplicaciones como la construcción de sensores (dispositivos de medida de una precisión asombrosa), los láseres, las celdas solares, etc.
- Propiedades nucleares. Finalmente, también cabe mencionar el estudio de las propiedades nucleares, que igualmente son de gran importancia en la industria energética y otros sectores. Existen algunos materiales que tienen la capacidad natural de emitir radiación ionizante (emisores α, β o γ) debido a la desintegración espontánea de núcleos. Muchos lantánidos y actínidos tienen esa propiedad, como el uranio. Conocer cómo los materiales son capaces de interaccionar y absorber las radiaciones ionizantes es también muy importante de cara a la seguridad de aquellas instalaciones en las que se trabaja con radiaciones, como las centrales nucleares o los hospitales. Es una disciplina que se conoce como protección radiológica.
A lo largo del libro vamos a presentar distintos ejemplos en los que habitualmente se resaltará alguna de estas propiedades o se harán menciones específicas a propiedades magnéticas u ópticas por ejemplo. Sin embargo, de las propiedades que acabamos de señalar, queremos detenernos un poco más en las mecánicas, ya que por razones históricas son las que marcan la clasificación clásica de ciencia de materiales de metales, cerámicas y polímeros. Las propiedades mecánicas se estudian normalmente a partir de una serie de ensayos normalizados que permiten obtener resultados en condiciones reproducibles y así poder comparar adecuadamente unos materiales con otros. Existen muchos ensayos según el tipo de carga y cómo se ejerce (de tracción, compresión, dureza, flexión, fluencia, etc.). A modo de ejemplo, vamos a comentar brevemente el ensayo de tracción, que es uno de los más utilizados y con el que se determinan una serie de magnitudes que se mencionarán de forma recurrente durante todo el libro.
El ensayo de tracción, que se ilustra en la figura 1.4, consiste en someter a una probeta (muestra de un material de dimensiones normalizadas que se emplea para medir sus propiedades) a una tensión axial de tracción que va variando a una velocidad muy baja hasta que se produce la rotura de la probeta, que es cuando concluye el ensayo. Los resultados se obtienen de la llamada curva tensión-deformación (figura 1.4, derecha), donde se representa la tensión (la fuerza dividida por la sección original de la probeta) frente a la deformación lineal de la probeta.
De este ensayo se obtienen muchos parámetros relevantes del material, como el módulo de Young, que es la constante de proporcionalidad tensión-deformación en la parte inicial de la curva, la cual es lineal siempre. Este parámetro oscila aproximadamente entre 1 GPa (gigapascales) o menos para los polímeros, unos 200 GPa o más para aceros y otras aleaciones o alrededor de 400-500 GPa en las cerámicas avanzadas. Otro parámetro es el coeficiente de Poisson, que es la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza. Es una magnitud adimensional que oscila entre 0,1 y 0,5. El límite elástico es el valor de la tensión que soporta la probeta en la zona de transición entre las deformaciones elástica y plástica. Se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada (comportamiento también llamado fluencia). A veces se calcula como la tensión para la que se produce una deformación prefijada. Por último, la resistencia a la tracción es la tensión máxima que soporta la probeta antes de la fractura (punto M en la curva). Este valor varía entre 50 MPa (megapascales) para algunos polímeros y vidrios hasta 400-500 MPa para aceros convencionales, en torno a 2000 MPa para aleaciones más resistentes y cerámicas avanzadas y valores incluso más altos para algunos nanomateriales de baja dimensionalidad.
Además de estos parámetros que acabamos de describir, el ensayo de tracción da otro tipo de información cualitativa que también es muy importante. En la figura 1.4 se ha tomado de ejemplo el ensayo de un material metálico en el que se hace patente su carácter dúctil, ya que hay una región muy grande de deformación plástica antes de la fractura, la cual se producirá con una forma característica (copa y cono). Los materiales cerámicos, cuando son sometidos a este ensayo, prácticamente solo muestran la parte elástica, mientras que la parte plástica es casi inexistente, revelando su fragilidad (deformación plástica muy limitada) y una fractura muy diferente en la que a menudo se forman varios fragmentos. Por su lado, los polímeros tienen un comportamiento más variado y complejo, dando lugar tanto a regiones plásticas como elásticas grandes y con unas propiedades que varían mucho con la temperatura, pudiendo sufrir fracturas frágiles a baja temperatura y dúctiles a altas.
[1] Figura adaptada de W. D. Callister Jr. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª ed. John Wiley & Sons (2007).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
