Estructura, arreglo y movimiento de los átomos
Tetraedro del la CIM (Ciencia e Ingeniería de los materiales)


La ciencia e ingeniería de los materiales es un campo de aplicación e investigación del mejoramiento y creación de materiales, mediante el análisis de su microestructura, composición, síntesis y procesamiento, complementado en el función del costo y desempeño.

La microestructura de un material se refiere a la organización macroscópica a nivel atómico que dimensiona su arreglo a niveles de detalle. La composición sin embargo, describe químicamente la constitución del material. La síntesis indica la manera de fabricar los materiales a partir de elementos naturales o artificiales. El procesamiento indica cómo se conforman los materiales en componentes útiles y la alteración de sus propiedades mediante la realización de cambios.

El renglón ingenieril que compete a este campo se enfoca en la transformación de los materiales en dispositivos o estructuras que satisfagan necesidades en su utilidad. Sin embargo, el desempeño y el costo en la función requerida del material es un renglón definitivo en este tetraedro de la ciencia e ingeniería de los materiales. El desempeño y costo asumen el estudio de la factibilidad del uso del material para un propósito definido. Los costos de fabricación, la formabilidad, relaciones físicas como resistencia, durabilidad y densidad, son del estudio de este renglón científico del análisis de materiales.

Clasificación de los Materiales
Por propiedades
Existen varias formas de clasificar a los materiales, la que enfoca el conjunto de propiedades se relaciona a su vez con la Resistencia de Materiales y a la posesión de diferentes estructuras de los grupos dentro de esta organización. Hay un amplio margen de consideraciones físicas, tales como: la resistencia a la cedencia, que está expresada por el esfuerzo mínimo de deformación plástica de un material. Dicha deformación, dependiente de la fuerza aplicada por unidad de área, llamada esfuerzo, no es invertible. Al contrario, cuando la fuerza actúa con magnitud del renglón físico elástico del materia, su estructuración no se verá afectada permanentemente. Todas estas consideraciones guardan relación con Módulo de Elasticidad o Young de un material. Y este tipo de propiedades son consideradas para fraccionar los materiales en los siguientes grupos:

  1. Metales y Aleaciones: Una característica importante de esta división de materiales es su conductividad eléctrica y térmica. Como ejemplos: acero, aluminio, zinc, hierro colado, titanio, cobre y níquel. Físicamente los metales y aleaciones tienen capacidades ventajosas con respecto a la resistencia, rigidez, ductilidad y reacción a los efectos térmicos. Su utilización predomina bajo el efecto de cargas dinámicas y como estructuras.
  2. Cerámicos (Vidrios y Vitrocerámicos): Son materiales cristalinos inorgánicos, y es posible que sean los más “naturales”. Se demuestran desventajas con respecto a los choques térmicos de altas temperaturas, por la presencia de porosidad. Son muy duros, no obstante muy frágiles. Existen mejoras para el problema de la resistencia a la fractura. Sin embargo, la resistencia de este material a la compresión es su fuerte principal. Tres tazas de café de cerámica, pueden soportar todo el peso de un camión de bomberos. El vidrio es un material amorfo y se obtiene con frecuencia de la sílice diluida.
  3. Polímeros (Plásticos): Son orgánicamente comunes, y se producen con un proceso llamado polimerización. Tiene una relación de resistencia a peso muy buena. No lo son tanto para el uso en altas temperaturas. Los polímeros se usan en una diversidad de dispositivos electrónicos, como estos interruptores de palanca para computadora. Donde se requieren resistencia a la humedad y baja conductividad.
  4. Semiconductores: Estos materiales base silicio, germanio y arseniuro de galio, como los que se usan en las computadoras y electrónica, son parte de una clase más amplia de los materiales electrónicos. En algunos de ellos es posible controlar el valor de la conductividad.
  5. Materiales compuestos: Estos materiales se realizan en base a la combinación de materiales distintos, con la idea de mejorar las capacidades de utilización. Se forman a partir de dos o más materiales y se obtienen propiedades que no posee un solo material. Con estos compuetos se pueden obtener materiales ligeros, resistentes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas. Los vehículos aéreos dependen mucho de este tipo de materiales. Así la fibra de vidrio que refuerza plásticos, el concreto para construcción, y la madera terciada.
Por funcionalidad
Una clasificación funcional de los materiales puede ser de gran utilidad. Se pueden clasificar según su función más importante en los renglones preestablecidos de estudio práctico de la ciencia. A continuación las categorías generales, que a su vez, puede subdividirse:
  • Aeroespaciales
  • Biomédicos
  • Electrónicos
  • Tecnología de Energía y Ambiente
  • Magnéticos
  • Ópticos
  • Inteligentes
  • Estructurales
Por su estructura
En la exposición de esta clasificación de los materiales es necesario enunciar que las estructuras en escalas macroscópicas, llamadas microestructuras indican el arreglo atómico del material. Algunos materiales pude ser cristalinos, donde los átomos se ordenan periódicamente, en otros los átomos no tienen orden en gran escala y se llaman amorfos. Los límites de granos en los cristales definen si son monocristales o policristalinos, en análisis micográficos se observan los granos y límites de granos.

Diseño y selección de materiales
Cuando se diseña un material para determinada aplicación, deben tenerse en cuenta varios factores. El material debe adquirir las propiedades físicas y mecánicas necesarias, debe ser capaz de procesarse o fabricarse en al forma deseada y debe proporcionar una solución económica para el problema de diseño. También es esencial satifascer esos requerimientos en una forma que proteja al ambiente, quizás promoviendo su reciclado. Así las propiedades de un material no sólo dependen de su composición, sino también de la síntesis y procesamiento del mismo.