Fundamentos de Cristalografía y Estructura de Materiales

¿Cuántos sistemas cristalinos se conocen? Cite al menos tres de ellos.

Existen siete sistemas cristalinos reconocidos, clasificados según la geometría de sus celdas unidad, es decir, la forma en que los átomos se organizan en el espacio tridimensional. Estos sistemas determinan la simetría y las propiedades físicas del cristal. Ejemplos de tres sistemas comunes:

• Cúbico: como en el hierro γ (Feγ) o el cobre (Cu).
• Hexagonal: como en el titanio α (Tiα) o el magnesio (Mg).
• Tetragonal: como en el estaño blanco (Sn) o algunos compuestos cerámicos.

¿Cuáles son los tipos de celda unidad más comunes en los metales? Comente sus principales características.

• BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo): con 2 átomos/celda unidad. Su número de coordinación es de 8 y su factor de empaquetamiento de 0.68, es decir, que el 68% del volumen de la celda estará ocupado.
• FCC (Cúbica Centrada en las Caras): con 4 átomos/celda unidad. Su número de coordinación es de 12 y su factor de empaquetamiento es de 0.74.
• HCP (Hexagonal Compacta): 6 átomos/celda unidad. Su número de coordinación es de 12 y su factor de empaquetamiento es 0.74.

Indique y comente las diferencias entre un sólido cristalino y uno amorfo.

Un sólido cristalino tiene sus átomos dispuestos de forma ordenada y de largo alcance en el espacio tridimensional. Presenta propiedades como:

• Punto de fusión definido.
• Anisotropía (propiedades físicas que dependen de la dirección).
• Ejemplo: metales, compuestos iónicos.

Un sólido amorfo carece de estructura periódica a largo alcance, aunque puede presentar un orden de corto alcance. Características:

• No tienen punto de fusión definido (se ablandan progresivamente).
• Isotropía (propiedades iguales en todas direcciones).
• Ejemplo: vidrios, plásticos amorfos.

Defina isomorfismo, polimorfismo y alotropía. Indique ejemplos de materiales que presenten estas características.

• Isomorfismo: dos sustancias son isomórficas cuando presentan diferentes composiciones químicas, pero tienen la misma estructura cristalina. Es decir, los mismos ángulos y longitud de arista en sus celdas unidad. Ej: Olivinos.
• Polimorfismo: capacidad de un material sólido para cristalizar en distintos sistemas en función de la temperatura y presión. Ej: SiO₂.
• Alotropía: capacidad de un elemento para cristalizar en distintos sistemas. Ej: Hierro.

¿Qué celdilla cúbica presenta mayor factor de empaquetamiento? Justifique su respuesta.

Las estructuras FCC (cúbica centrada en las caras) y HCP (hexagonal compacta) presentan el mayor factor de empaquetamiento posible: 0.74, es decir, el 74% del volumen está ocupado por átomos. Esto significa que son las estructuras más eficientes en cuanto al aprovechamiento del espacio, razón por la cual materiales con estas estructuras suelen tener mayor densidad y mejor deformabilidad plástica.

Represente en un diagrama Temperatura vs. Tiempo todas las fases alotrópicas que presenta el hierro y comente las principales características de cada una de ellas.

Las fases alotrópicas del hierro son:

1. Fe Líquido (>1538°C): Estado líquido del hierro antes de solidificarse.
2. Feδ (BCC) (1538°C – 1394°C): Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Presenta una menor densidad comparada con otras fases sólidas.
3. Feγ (FCC) (1394°C – 912°C): Estructura cúbica centrada en las caras (FCC). Es más dúctil y maleable que Feα. Puede aceptar impurezas de mayor tamaño en su estructura.
4. Feα (BCC) (912°C – 768°C): Vuelve a una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Es más rígido y menos dúctil que Feγ. Presenta menor solubilidad para elementos intersticiales como el carbono.
5. Feβ (Ferrita Amagnética) (768°C – 912°C): Se diferencia del Feα en que pierde sus propiedades magnéticas por encima de 768°C (Temperatura de Curie). Mantiene la estructura BCC.
6. Feα (Ferrita Magnética) (<768°C): Estructura BCC con propiedades magnéticas. Es la forma estable del hierro a temperatura ambiente.

¿Por qué normalmente no se habla del alótropo Fe-β?

No se suele hablar del Fe-β porque, aunque existe como fase en el rango 768–912 °C, no cambia su estructura cristalina con respecto al Feα (ambos son BCC). La única diferencia significativa es que el Fe-β es amagnético, ya que pierde sus propiedades magnéticas al superar la Temperatura de Curie (768 °C). Como no implica un cambio estructural, suele omitirse en muchos diagramas o descripciones.

Justifique por qué el hierro puro sufre una contracción volumétrica cuando se calienta por encima de 912°C. ¿A qué es debido?

El hierro puro se contrae cuando se calienta por encima de 912°C debido a un cambio en su estructura cristalina de hierro alfa (BCC) a hierro gamma (FCC). Este cambio estructural resulta en una disposición más compacta de los átomos, lo que provoca una contracción volumétrica. El factor de empaquetamiento para BCC es del 68% y para el FCC del 74%.

Si un material tiene una estructura cristalina BCC, ¿cuál es el plano y la dirección de máxima densidad de este material? Calcule la densidad atómica planar de dicho plano e indique ejemplos de materiales que tienen esta estructura cristalina BCC.

El plano de máxima densidad en una estructura BCC es (110) y su dirección es [111]. Esto se debe a que en una estructura BCC (cúbica centrada en el cuerpo), los átomos están más próximos entre sí a lo largo de la dirección [111], y el plano (110) tiene la mayor cantidad de átomos por unidad de área.

Algunos ejemplos de materiales con estructura cristalina BCC son: hierro α (Feα), titanio β (Ti-β), cromo (Cr), vanadio (V), molibdeno (Mo), wolframio (W).

Si un material tiene una estructura cristalina FCC, ¿cuál es el plano y la dirección de máxima densidad de este material? Calcule la densidad atómica planar de dicho plano e indique ejemplos de materiales que tienen esta estructura cristalina FCC.

En la estructura FCC (cúbica centrada en las caras), el plano de máxima densidad atómica es el (111) y la dirección más densa es [110] (aunque algunas fuentes citan también [111] como dirección de máxima densidad).

Cálculo de la densidad atómica planar en (111):

• En el plano (111), hay 6 átomos por celda (contando fracciones).
• Área del plano (111) en FCC: 𝐴 = a² * √3 / 2
• La densidad atómica planar se calcula como: d = átomos en el plano / área del plano.

Ejemplos de materiales FCC: Aluminio (Al), Cobre (Cu), Níquel (Ni), Plata (Ag), Oro (Au), Platino (Pt), Hierro γ (Feγ).

Justifique por qué se pueden obtener metales amorfos cuando la velocidad de enfriamiento de estos es muy rápida.

Cuando un metal se enfría muy rápidamente, se impide que sus átomos se organicen en una estructura cristalina ordenada. El sistema no tiene tiempo suficiente para formar una red regular, y como resultado, el material entra en un estado vítreo o amorfo, sin orden a largo alcance. Esto ocurre típicamente con velocidades de enfriamiento del orden de 10⁵–10⁶ K/s.

¿Por qué la solubilidad máxima del carbono intersticial en el Feγ es del 2% y en el Feα es del 0,022%?

Aunque la celda FCC del Feγ tiene menos huecos por celda, su factor de empaquetamiento del 74% implica que estos huecos son más grandes, lo que permite acomodar mejor los átomos de carbono (intersticiales). En cambio, la estructura BCC del Feα tiene huecos más pequeños y un factor de empaquetamiento del 68%, lo que los hace menos favorables para disolver carbono. Por tanto, la solubilidad del carbono intersticial es mucho mayor en Feγ que en Feα.

Defectos Cristalinos y Difusión

Indique y comente las características principales de los diferentes tipos de defectos de las redes cristalinas en función de su geometría y forma. Ponga ejemplos de cada uno de ellos.

• Defectos puntuales: Son el tipo de defecto más simple y se dan por la ausencia de un átomo o la inserción de otros en la red cristalina. Un ejemplo de estos podría ser una vacante.
• Defectos lineales (Dislocaciones): Las dislocaciones introducen tensión en la red y, por tanto, son las responsables del endurecimiento por deformación. Los dos tipos más importantes de dislocaciones son las de borde y las de tornillo.
• Defectos superficiales: Los átomos de la superficie de un cristal no están sometidos a las mismas fuerzas que los del interior, ya que, mientras que cada uno de estos últimos reciben las acciones del conjunto, los superficiales solo las reciben de los vecinos de un solo lado. En consecuencia, los átomos superficiales tienen mayor contenido de energía. Ejemplos: bordes de grano o superficies libres.

Indique y comente brevemente los tipos de defectos que observa en la figura.

En la figura se identifican tres tipos distintos de defectos puntuales en la estructura cristalina:

• Defecto intersticial (zona izquierda): Se produce cuando un átomo adicional se sitúa en un espacio entre los átomos de la red (no en una posición regular). Este tipo de defecto puede generar tensiones locales y afectar la difusividad del material, así como aumentar su dureza y resistencia mecánica al obstaculizar el movimiento de dislocaciones.
• Vacante (zona central): Consiste en la ausencia de un átomo en una posición que normalmente estaría ocupada en la red cristalina. Las vacantes facilitan procesos de difusión atómica y pueden influir en propiedades como la conductividad térmica y eléctrica, además de intervenir en fenómenos como la fluencia a altas temperaturas.
• Defecto sustitucional (zona derecha): Ocurre cuando un átomo de la red es reemplazado por otro de diferente tipo. Este defecto es común en soluciones sólidas. Puede modificar propiedades como la resistencia eléctrica, la dureza y la estabilidad química del material, dependiendo del tamaño y naturaleza del átomo sustituyente.

¿Qué es un defecto intersticial? ¿Qué influencia tiene este tipo de defecto sobre las propiedades mecánicas de un material?

Los defectos intersticiales se generan cuando un átomo idéntico a los de la propia red cristalina se coloca en una posición intersticial (lo que raramente ocurre), o lo que es más común, cuando en estos intersticios o huecos se inserta un átomo adicional, por lo general de menor tamaño que los átomos localizados en las posiciones reticulares. Estos defectos intersticiales generan distorsiones en la red cristalina y crean estados de tensión, lo que provoca el endurecimiento del material.

¿Qué es un defecto sustitucional? ¿Qué influencia tiene este tipo de defecto sobre las propiedades mecánicas de un material?

Un defecto sustitucional es un defecto en el que un átomo de la red es sustituido por otro de diferente tipo, generalmente en aleaciones. No está activado térmicamente. Este tipo de defecto puede alterar significativamente:

• Propiedades mecánicas (resistencia, dureza).
• Propiedades físicas (densidad, conductividad).
• Propiedades químicas (resistencia a la corrosión).
• Propiedades eléctricas.

¿Qué es una vacante? ¿Qué influencia tiene este tipo de defecto sobre las propiedades mecánicas de un material?

Una vacante es la ausencia de un átomo en una posición que debería estar ocupada en la red. Está activada térmicamente; cuanta más temperatura, mayor número de vacantes. Crea zonas de tracción y compresión localizadas que:

• Deforman la red.
• Aumentan la resistencia mecánica al dificultar el movimiento de dislocaciones.
• Favorecen procesos como la difusión atómica.

En la estructura cristalina de los metales, ¿qué se considera como defecto intersticial? ¿Y qué se podría definir como un defecto superficial? Ponga ejemplos de ambos tipos de defectos.

• Defecto intersticial: Estos defectos se pueden generar cuando un átomo idéntico a los de la propia red cristalina se coloca en una posición intersticial (lo que raramente ocurre), o lo que es más común, cuando en estos intersticios o huecos se inserta un átomo adicional, por lo general de menor tamaño que los átomos localizados en las posiciones reticulares. Por ejemplo: el carbono en la red FCC del Feγ o el hidrógeno en procesos de soldadura.
• Defecto superficial: Los átomos de la superficie de un cristal no están sometidos a las mismas fuerzas que los del interior, ya que, mientras que cada uno de estos últimos reciben las acciones del conjunto de átomos que les rodean, los superficiales solo las reciben de los vecinos de un solo lado. En consecuencia, los átomos superficiales tienen mayor contenido de energía que los del interior. Por ejemplo: bordes de grano o superficies libres.

¿Qué es una dislocación? ¿Cómo la definiría? ¿En qué condiciones se forman? ¿De qué manera afectan a las propiedades de un material?

Una dislocación es un tipo de defecto lineal en la red cristalina que representa una discontinuidad en el orden atómico. Se forman durante:

• La solidificación.
• Procesos de enfriamiento rápido.
• Deformaciones mecánicas.
• Procesos de trabajo en frío.

Afectan las propiedades del material de manera importante:

• Facilitan el deslizamiento plástico.
• Son responsables de la deformación plástica.
• Permiten que los materiales se deformen a tensiones menores que las teóricas.
• Son clave en el endurecimiento por deformación.

Describa los tipos de dislocaciones que existen. ¿De qué forma se expresa su deslizamiento? ¿Están siempre presentes los distintos tipos? ¿Qué facilitan?

Existen tres tipos principales de dislocaciones:

1. Dislocación de borde: Un plano atómico adicional interrumpe la red. El deslizamiento ocurre perpendicular al borde.
2. Dislocación de tornillo: Se produce por esfuerzos cortantes. El deslizamiento ocurre paralelo a la dirección de la dislocación.
3. Dislocaciones mixtas: Combinan características de borde y tornillo.

Estas dislocaciones facilitan la deformación plástica y aumentan la resistencia cuando se acumulan.

¿Qué son los límites de grano? ¿Cómo se crean? ¿Cómo se determina su tamaño y qué factores condicionan dicho tamaño? ¿Cómo afectan a las propiedades de un material?

Los límites de grano son interfaces o regiones que separan los cristales individuales en un material policristalino. Se forman durante el proceso de solidificación de un material cuando los cristales en crecimiento se encuentran con otros cristales o impurezas dentro del material.

El tamaño de los límites de grano se determina por varios factores, como la velocidad de enfriamiento, la pureza del material y la composición química. Los límites de grano tienen un impacto en las propiedades de un material, como su dureza, resistencia, ductilidad, conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia a la corrosión, dependiendo del tamaño y características de los límites de grano.

¿En qué consiste la difusión? ¿Cuál es su importancia industrial?

La difusión es el movimiento de átomos o moléculas dentro de un material para alcanzar una composición homogénea.

Importancia industrial de la difusión:

• Esencial en transformaciones de fase.
• Aplicada en cementación, nitruración, solidificación y tratamientos térmicos.
• Permite el dopado de semiconductores para ajustar su conductividad.
• Afecta la velocidad de reacción, resistencia al desgaste y propiedades superficiales.

Explique los mecanismos de difusión que encontramos en las aleaciones metálicas y ponga un ejemplo de cada uno de ellos.

• Difusión por vacantes (sustitucional): En este mecanismo, un átomo de la propia red abandona su posición para ocupar alguna vacante próxima, dejando una nueva, de manera que se crea una corriente de átomos en una dirección y de vacantes en sentido contrario. Ejemplo: difusión de Zn en Cu en una aleación de latón.
• Difusión intersticial: En este mecanismo, los átomos en posiciones intersticiales, normalmente más pequeños (C, H, N, O y B) que los átomos de la propia red, se desplazan a otras posiciones intersticiales vacías sin desplazar permanentemente a ningún átomo de la red. Ejemplo: difusión de carbono en hierro en la cementación del acero.

¿Qué es la difusividad? Indique y explique los factores de los que depende dicho parámetro.

La difusividad es una medida de la velocidad con la que los átomos, iones o moléculas se mueven a través de un material. Se expresa generalmente en unidades de m²/s y depende directamente de la facilidad con la que las partículas pueden desplazarse en el seno del sólido. Este parámetro es clave en procesos como la difusión atómica en metales, aleaciones y otros sólidos, y se ve influenciado por varios factores fundamentales:

1. Temperatura (T): A mayor temperatura, mayor energía térmica tienen los átomos, lo que incrementa su movilidad. La difusividad suele aumentar de forma exponencial con la temperatura, de acuerdo con la ecuación de Arrhenius.
2. Tamaño atómico: Los átomos más pequeños se difunden más fácilmente, especialmente en mecanismos intersticiales, ya que pueden moverse por los huecos de la red cristalina.
3. Tipo de red cristalina del material: Redes con mayor empaquetamiento (como FCC) dificultan el movimiento de los átomos. Las redes más abiertas (como BCC) favorecen la difusión por tener más espacio libre.
4. Tipo de mecanismo de difusión:
   • Difusión por vacantes (sustitucional): más lenta, necesita la existencia de vacantes.
   • Difusión intersticial: más rápida, ya que pequeños átomos (como C, H, N) pueden moverse por huecos entre átomos más grandes.
5. Concentración de defectos cristalinos: A mayor cantidad de vacantes, dislocaciones o límites de grano, mayor facilidad para la difusión.
6. Naturaleza del material y del átomo difusor: La compatibilidad entre ambos influye en la energía de activación y, por tanto, en la difusividad.

Cite y describa de forma general, las aplicaciones de la difusión en los materiales utilizados en ingeniería.

La difusión es el movimiento de átomos, iones o moléculas dentro de un sólido con el objetivo de igualar concentraciones y lograr una composición homogénea. Sus aplicaciones en ingeniería son diversas:

1. Tratamientos térmicos superficiales:
   • Cementación: difusión de carbono en acero para endurecer la superficie.
   • Nitruración: difusión de nitrógeno que forma nitruros duros, aumentando la resistencia al desgaste.
   • Cianuración y boruración: se introducen elementos como cianuro o boro para formar capas cerámicas resistentes.
2. Fabricación de semiconductores:
   • Dopado del silicio: difusión de impurezas como boro, fósforo o arsénico para modificar su conductividad eléctrica.
3. Procesos de soldadura y unión de materiales:
   • Soldadura por difusión: se unen materiales aplicando calor y presión, sin necesidad de fundente ni fusión.
4. Sinterización: Unión de partículas metálicas o cerámicas a alta temperatura mediante difusión, muy usada en la metalurgia de polvos.
5. Descarburación: Pérdida de carbono superficial en aceros expuestos a atmósferas oxidantes, lo que puede debilitar el material.
6. Sulfinización: Difusión de azufre en aceros para facilitar el mecanizado mediante formación de sulfuros blandos.

Justifique por qué la difusión intersticial ocurre con mayor facilidad que la difusión por vacantes.

La difusión intersticial implica el movimiento de átomos pequeños (como C, H, N) entre los huecos de la red cristalina, sin desplazar a los átomos principales. En cambio, la difusión por vacantes requiere que un átomo abandone su posición para ocupar una vacante cercana, lo cual demanda más energía y es más lento. Por eso, la difusión intersticial es más eficiente y rápida, ya que requiere menor energía de activación para mover el átomo, lo que facilita su desplazamiento a través de la red.

Sabiendo que el Tiα presenta a temperatura ambiente estructura HCP y el Cu presenta estructura FCC. Atendiendo al tipo de estructura, indique y justifique qué material sería más fácil de mecanizar.

El cobre (Cu) es más fácil de mecanizar porque su estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) posee 12 sistemas de deslizamiento: combina 4 planos octaédricos {111} con 3 direcciones <110> por plano, lo que facilita enormemente la deformación plástica al permitir el movimiento de dislocaciones en muchas direcciones. En cambio, el titanio α (Tiα), que presenta una estructura HCP (hexagonal compacta) a temperatura ambiente, solo tiene 3 sistemas de deslizamiento activos, lo que limita el deslizamiento de las dislocaciones, reduce su ductilidad y dificulta su mecanizado. Por eso, el cobre es un material mucho más fácil de mecanizar que el titanio α.

Sabiendo que el Feα presenta a temperatura ambiente estructura BCC y el Cu presenta estructura FCC. Atendiendo al tipo de estructura, indique y justifique qué material sería más fácil de mecanizar.

El cobre (FCC) es más fácil de mecanizar, ya que aunque tanto BCC como FCC tienen 12 sistemas de deslizamiento teóricos, en la práctica, la estructura BCC es menos compacta y más difícil de deformar debido a la mayor energía requerida para mover las dislocaciones. El FCC, al tener planos más compactos, facilita ese movimiento.

En un acero con un 1% de C, 1.6% de Cr, 0.4% de Mn y 0.03% de N, indique qué átomos de estos elementos se mueven más rápido y por qué.

Los átomos que se mueven más rápido son el carbono (C) y el nitrógeno (N), ya que su difusión ocurre mediante el mecanismo intersticial, más ágil y eficiente. Por el contrario, el cromo (Cr) y el manganeso (Mn) difunden por vacantes, un proceso más lento y que requiere mayor energía.

Indique qué características deben tener los elementos que conforman una aleación para obtener una solución sólida sustitucional con solubilidad total.

Para que una aleación forme una solución sólida sustitucional con solubilidad total, los elementos que la componen deben cumplir los criterios de Hume-Rothery:

• Diferencia de radios atómicos menor al 15%.
• Estructura cristalina igual o muy similar.
• Electronegatividades próximas, para evitar la formación de compuestos intermetálicos.
• Valencias similares.

Si estas condiciones se cumplen, el soluto puede sustituir a los átomos del disolvente en la red cristalina sin generar fases separadas.

Solidificación y Endurecimiento de Materiales

Indique y justifique cuál de los mecanismos de nucleación requiere menor energía.

La nucleación es el proceso por el cual, durante el enfriamiento, se agrupan espontáneamente átomos del metal para formar núcleos de una nueva fase. Puede ser homogénea (en el seno del material) o heterogénea (sobre una superficie sólida preexistente).

El proceso implica un gasto energético que alcanza un máximo en el radio crítico. Los núcleos con un radio mayor al crítico crecen, mientras que los más pequeños se disuelven.

En la nucleación heterogénea, la presencia de una superficie sólida reduce el gasto energético necesario, haciendo que el radio crítico sea menor que en la nucleación homogénea. Por lo tanto, la nucleación heterogénea requiere menor energía.

Describa y comente brevemente las etapas de solidificación de un material metálico. En función de estas etapas, ¿cómo podemos influir en ellas para conseguir un material más dúctil? Justifique su respuesta.

Las etapas principales de la solidificación son:

1. Nucleación: Formación de núcleos sólidos a partir del líquido. Puede ser homogénea, si ocurre en el propio volumen del líquido sin necesidad de una superficie sólida, o heterogénea, si los núcleos se forman sobre superficies existentes, como impurezas o paredes del molde. Esta última es más común industrialmente, ya que requiere menos energía.
2. Crecimiento de grano: Los núcleos crecen hasta llenar el volumen del material.

Para obtener un material más dúctil, se deben formar granos pequeños y equiaxiales. Esto se logra mediante:

• Solidificación lenta y controlada.
• Uso de elementos afinadores de grano (Al, Ti, Zr…).
• Evitar defectos como segregaciones o grietas.

Una estructura de grano fino favorece una mayor resistencia y capacidad de deformación sin fractura.

Indique las etapas que requiere el proceso de solidificación. ¿Qué tipos de nucleación hay? Describa cada uno y comente sus diferencias.

Las etapas del proceso de solidificación son nucleación y crecimiento de grano.

Tipos de nucleación:

• Nucleación homogénea: Ocurre en el seno del líquido sin superficies previas. Requiere alto subenfriamiento y energía.
• Nucleación heterogénea: Se produce sobre superficies existentes (impurezas, paredes del molde). Necesita menos energía y es más común en la industria.

Diferencias clave:

• La nucleación homogénea es más difícil de lograr y menos frecuente.
• La nucleación heterogénea es energéticamente más favorable.

La formación de núcleos implica una variación de energía libre. ¿De qué depende esta variación de energía?

Depende principalmente de la temperatura.

• La energía libre de Gibbs es menor en estado sólido que en el líquido cuando hay subenfriamiento, lo cual favorece la formación de núcleos estables.
• A menor temperatura, mayor subenfriamiento y mayor tendencia a formar núcleos, pero también puede aumentar el tamaño crítico del núcleo y dificultar su crecimiento.

Explique qué entiende por radio crítico en el proceso de nucleación. ¿Qué tipos de energías están implicadas? ¿Cómo varían con la temperatura?

El radio crítico es el tamaño mínimo que debe alcanzar un núcleo para poder crecer de forma estable. Si no lo alcanza, se disuelve.

Están implicadas dos energías:

• Energía superficial: Aumenta con el tamaño del núcleo.
• Energía volumétrica (libre de Gibbs): Disminuye con el tamaño del núcleo.

Con la temperatura:

• A mayor subenfriamiento, disminuye la energía libre volumétrica, lo que reduce el radio crítico, facilitando la nucleación.

¿Qué son los nucleantes o afinadores de grano? ¿Cuáles son sus principales características?

Los nucleantes o afinadores de grano son impurezas añadidas para obtener mayor homogeneidad en la estructura del metal solidificado. Para que sean efectivos, deben tener:

• Una temperatura de fusión mayor que la del metal o aleación.
• Una alta entropía de cambio de fase.
• Una alta mojabilidad, es decir, un ángulo de mojado con el metal líquido que sea cercano a cero.

Comente el proceso de solidificación de metales según el mecanismo de nucleación heterogénea. ¿Cómo podríamos conseguir un menor tamaño de grano en el material?

El proceso de solidificación por nucleación heterogénea ocurre cuando los núcleos sólidos se forman en superficies preexistentes, como las paredes del molde o partículas insolubles añadidas al metal fundido. Este mecanismo es más eficiente que la nucleación homogénea, ya que reduce la energía necesaria para la formación de núcleos y permite la solidificación con un menor subenfriamiento.

Para conseguir un menor tamaño de grano en el material, se pueden agregar afinadores de grano como Al, Ti o V en aceros, Ti y B en aleaciones de aluminio o Zr en aleaciones de magnesio, lo que incrementa el número de núcleos y reduce el crecimiento excesivo de los granos. Además, controlar la velocidad de enfriamiento favorece la nucleación y limita el crecimiento de los cristales, obteniendo una microestructura más fina y homogénea. Estos factores permiten mejorar las propiedades mecánicas del material, aumentando su resistencia y tenacidad.

¿Qué condición es necesaria para que se produzca nucleación heterogénea? ¿Cómo varían las energías, el tamaño crítico y el subenfriamiento con respecto a la nucleación homogénea?

Para que se produzca la nucleación heterogénea, debe existir previamente una superficie sólida. La energía necesaria para que se produzca es mucho menor que en la homogénea. En la nucleación heterogénea se forman núcleos de menor radio crítico que en la homogénea, y los subenfriamientos serán menores.

Defina velocidad de nucleación y velocidad de crecimiento.

• Velocidad de nucleación (Vn): Número de núcleos que se forman por unidad de volumen y tiempo.
• Velocidad de crecimiento: Ritmo al que los núcleos existentes aumentan de tamaño.

Ambas están influenciadas por la temperatura y el grado de subenfriamiento. Un equilibrio entre ambas determina el tamaño final de los granos.

Según el diagrama adjunto correspondiente a las velocidades de nucleación y crecimiento de los granos en un proceso de solidificación, si aplicamos el subenfriamiento (ΔT) indicado, ¿qué tamaño de grano obtendríamos?

Si aplicamos el subenfriamiento indicado en el gráfico (ΔT), nos situamos en una zona donde la nucleación es alta y el crecimiento es bajo, lo que favorece la formación de un gran número de núcleos pequeños y evita el desarrollo de granos grandes. Como resultado, el material tendrá un tamaño de grano pequeño, lo que mejora su resistencia mecánica y su tenacidad.

Indique y describa la morfología de los granos de metales puros en función del tipo de molde.

• En moldes metálicos: Aparecen granos columnares cerca de la pared y granos equiaxiales en el centro debido a la extracción rápida de calor.
• En moldes de arena: Se obtiene una estructura con granos equiaxiales grandes debido al enfriamiento lento.
• En aleaciones: Los granos pueden tener forma ramificada (dendrítica) debido a la solidificación compleja.

Enumere y explique brevemente los tipos de defectos de solidificación.

• Defectos de contracción: Se originan por la disminución de volumen al pasar de líquido a sólido, generando cavidades internas.
• Inclusiones gaseosas o porosidad: Aparecen cuando los gases disueltos en el metal se liberan durante la solidificación, formando burbujas o sopladuras.
• Segregaciones: Son heterogeneidades químicas producidas por la distribución no uniforme de los elementos durante el enfriamiento.
• Inclusiones no metálicas: Partículas sólidas (óxidos, sulfuros, etc.) que contaminan el metal fundido.
• Gotas frías: Se producen cuando pequeñas porciones de metal solidifican antes de incorporarse al resto, quedando atrapadas sin fundirse.

¿Qué otro nombre reciben las heterogeneidades de tipo químico que se producen durante la solidificación? Indique y explique los tres tipos fundamentales.

Las heterogeneidades de tipo químico que se producen durante la solidificación se conocen como segregaciones. Los tres tipos fundamentales son:

• Segregación centrípeta, directa o normal: Se presenta cuando los elementos o las impurezas que reducen el punto de solidificación se concentran en el líquido que solidifica en último lugar.
• Segregación inversa: Ocurre cuando las zonas exteriores del lingote o de la pieza se enriquecen en los elementos que disminuyen la temperatura de fusión del metal base.
• Segregación vertical: Tiene lugar cuando las fases que se forman durante la solidificación tienen una densidad bastante diferente de la fase líquida en equilibrio.

Justifique por qué al deformar plásticamente un metal como el cobre, adquiere acritud.

Durante la deformación plástica, se incrementa la densidad de dislocaciones en el material. Estas dislocaciones se interfieren entre sí, lo que dificulta su movimiento. Como resultado, el metal aumenta su resistencia mecánica y dureza, pero pierde ductilidad. Este fenómeno se conoce como acritud o endurecimiento por trabajo en frío.

¿Cómo podemos aumentar la resistencia mecánica y la dureza de una aleación metálica sin aplicar un tratamiento térmico? Indique al menos tres formas de conseguir este efecto y justifique sus respuestas adecuadamente.

Se puede aumentar la resistencia mecánica y la dureza de una aleación metálica sin aplicar un tratamiento térmico mediante:

• Endurecimiento por disolución sólida: Se introduce un elemento extraño en la estructura cristalina del metal base, lo que genera defectos sustitucionales o intersticiales. Estos defectos dificultan el desplazamiento de las dislocaciones y aumentan la resistencia mecánica.
• Endurecimiento por deformación plástica (trabajo en frío): Consiste en deformar plásticamente el material (ej. laminado, forjado, trefilado). Este proceso aumenta la densidad de dislocaciones, lo que impide su movimiento y endurece el material.
• Endurecimiento por reducción del tamaño de grano: Disminuir el tamaño de los granos cristalinos genera más fronteras de grano, que actúan como barreras para el movimiento de dislocaciones, aumentando la resistencia y dureza del material.

¿Por qué son de interés los mecanismos de endurecimiento? Describa de una forma general los distintos tipos.

Los mecanismos de endurecimiento son de interés porque, restringiendo o impidiendo el movimiento de las dislocaciones, se consiguen materiales más duros y resistentes. Los distintos tipos de endurecimiento son:

• Por disolución sólida: Consiste en introducir átomos ajenos a la matriz metálica, ya sea de forma sustitucional o intersticial.
• Por deformación plástica: Es el fenómeno por el cual un material dúctil aumenta su dureza al modificar permanentemente su forma en estado sólido.
• Por reducción del tamaño del grano: Las dislocaciones no se trasladan a través de los granos, sino que se acumulan en los bordes.
• Por precipitación de segundas fases (aleaciones no férreas): Se basa en aplicar al material un tratamiento térmico para conseguir la precipitación de partículas muy pequeñas en el seno de la matriz metálica.

¿Cómo intervienen las disoluciones sólidas y los precipitados de segundas fases en los mecanismos de endurecimiento?

En cuanto a los mecanismos de endurecimiento por disoluciones sólidas, consisten en añadir átomos ajenos a la matriz metálica, ya sea de forma sustitucional (reemplazando átomos de la red) o intersticial (situándose en los huecos de la red). Estos átomos generan distorsiones en la red cristalina que dificultan el movimiento de las dislocaciones, lo que hace que las aleaciones sean más resistentes que el metal puro.

Por otro lado, el endurecimiento por precipitación de segunda fase se basa en aplicar un tratamiento térmico al material para provocar la formación de partículas muy pequeñas en el interior de la matriz. Estas partículas actúan como barreras físicas, impidiendo el movimiento de las dislocaciones y, por tanto, aumentando la resistencia mecánica del material.

Características del endurecimiento por deformación plástica.

El endurecimiento por deformación plástica se produce al someter un metal a deformación permanente en frío. Sus principales efectos son:

• Aumenta la resistencia a la tracción.
• Aumenta el límite elástico.
• Disminuye la ductilidad.
• Incrementa la densidad de dislocaciones, dificultando su movimiento y, por tanto, endureciendo el material. Esto ocurre porque las dislocaciones generadas durante la deformación se acumulan e interfieren entre sí, impidiendo su libre desplazamiento y dificultando la deformación plástica.

Justifique el papel de las vacantes y dislocaciones en el endurecimiento de metales y aleaciones.

Cuanto mayor sea el número de vacantes, mayor será el endurecimiento del material. Esto se debe a que el proceso de endurecimiento por disolución sólida se basa en incorporar átomos ajenos a la matriz metálica, y si en esta hay defectos de tipo puntual (como vacantes), será más fácil la introducción de estos átomos del exterior que actuarán como efectos sustitucionales, endureciendo el material.

En el caso de las dislocaciones, estas son la base del funcionamiento del método de endurecimiento por deformación plástica y por precipitación. Las dislocaciones son los portadores de la deformación plástica; al dificultar su movimiento (ya sea por la presencia de otros átomos, precipitados o límites de grano), se aumenta la resistencia del material.

Las micrografías de la figura pertenecen a materiales metálicos que tienen la misma composición. Indique qué aleación tendrá mejores propiedades mecánicas, justificando su respuesta. ¿Existe alguna ecuación que apoye su propuesta?

Las aleaciones que presentan mejores propiedades mecánicas en términos de resistencia son las representadas en la (d), ya que tienen un tamaño de grano más pequeño. Esto se justifica con la ecuación de Hall-Petch: 𝜎𝑦 = 𝜎₀ + 𝐾 / √d. Donde 𝜎𝑦 es el límite elástico, 𝜎₀ es una constante del material, 𝐾 es un coeficiente de endurecimiento por grano y d es el tamaño medio de grano. Un menor tamaño de grano implica un mayor límite elástico y, por lo tanto, mayor resistencia mecánica. Esto ocurre porque los bordes de grano actúan como barreras para el movimiento de dislocaciones, dificultando la deformación plástica.

Explique cómo se lleva a cabo un proceso de endurecimiento por precipitación de segundas fases.

El proceso de endurecimiento por precipitación de segundas fases se lleva a cabo en varias etapas:

1. Solubilización: Se calienta la aleación a una temperatura T₀ y se mantiene a esta temperatura durante un tiempo para obtener una solución sólida α homogénea.
2. Temple: Después del tratamiento de solubilización, se enfría rápidamente. Los átomos no tienen tiempo suficiente para difundirse hacia los bordes de grano y, por tanto, no se forma la fase γ₂. La estructura aún contiene solo fase α, la cual es una solución sólida sobresaturada (αSSS), por lo que no es una estructura en equilibrio.
3. Maduración: Se deja que la αSSS evolucione con el tiempo a temperatura ambiente (maduración natural) o se calienta a una temperatura T₂ < T_solidus (maduración artificial). A esta temperatura, los átomos pueden difundirse, pero al ser la temperatura baja, solo a distancias cortas, por lo que se obtienen un gran número de precipitados de pequeño tamaño y uniformemente distribuidos en la matriz.

La maduración artificial proporciona mejores propiedades mecánicas, ya que genera un mayor número de precipitados pequeños y uniformemente distribuidos, lo que mejora la resistencia al dificultar el movimiento de dislocaciones.

Durante el proceso de solidificación de un acero se le ha añadido una pequeña cantidad de Al₂O₃, de forma que tras su solidificación se obtiene una microestructura con un tamaño de grano pequeño. ¿Cómo se ven modificadas las propiedades mecánicas (resistencia mecánica y ductilidad) del acero debido a esta adición de Al₂O₃? Justifique su respuesta en base a los mecanismos de endurecimiento estudiados.

La adición de Al₂O₃ actúa como nucleante, promoviendo la formación de granos más pequeños durante la solidificación. Esto modifica las propiedades mecánicas del acero de la siguiente manera:

• Aumenta la resistencia mecánica: Debido al refinamiento del grano. Esto se debe a que, al haber más granos por unidad de volumen, se incrementa la cantidad de bordes de grano, que actúan como barreras al movimiento de dislocaciones, dificultando la deformación plástica y, por tanto, mejorando la resistencia del material.
• Disminuye la ductilidad: Generalmente, un aumento en la resistencia mecánica por refinamiento de grano suele ir acompañado de una ligera disminución de la ductilidad, ya que el movimiento de dislocaciones se ve más restringido.

Ensayos Mecánicos de Materiales

Clasifique los distintos tipos de ensayos mecánicos según la forma de aplicar el esfuerzo e indique sus características generales.

Los ensayos mecánicos se clasifican en función de cómo se aplica la carga al material:

• Esfuerzo creciente: La carga aumenta progresivamente hasta que el material se rompe. Ejemplo: ensayo de tracción.
• Esfuerzo constante: Se aplica una carga fija durante un tiempo determinado. Ejemplo: ensayo de fluencia (termofluencia).
• Esfuerzo cíclico: La carga varía cíclicamente en el tiempo (tensión-compresión). Ejemplo: ensayo de fatiga.
• Esfuerzo instantáneo: Aplicación brusca en un corto intervalo de tiempo. Ejemplo: ensayo de impacto (Charpy o Izod).

Describa cómo realizaría un ensayo de tracción. Represente una curva tensión-deformación y explique las diferentes zonas que se observan.

El ensayo de tracción consiste en someter una probeta a una fuerza axial de tracción aplicada de forma creciente hasta la rotura. Se realiza en una máquina de ensayos universal, que mide la fuerza aplicada y el alargamiento de la probeta.

Pasos para realizar el ensayo de tracción:

1. Preparación de la probeta: Se utiliza una probeta normalizada con una geometría específica.
2. Colocación en la máquina: Se fija la probeta en la máquina de ensayos universal.
3. Aplicación de la carga: Se aplica una fuerza axial creciente a velocidad de deformación constante.
4. Medición de la deformación: Se registra el alargamiento y la reducción de la sección transversal.
5. Registro de datos: Se genera una curva tensión-deformación, que representa la evolución de la tensión en función de la deformación.

Curva de tensión-deformación:

En una curva típica de tensión-deformación se observan las siguientes zonas:

1. Zona elástica: Donde la relación entre tensión y deformación es lineal y reversible (Ley de Hooke), definiendo el módulo de Young (E).
2. Zona de fluencia: Donde pueden iniciarse dislocaciones con deformación sin aumento significativo de tensión (punto de fluencia).
3. Zona plástica: En la que la deformación es permanente, alcanzando la resistencia máxima a la tracción (σ_R).
4. Zona de estricción: Donde se forma un cuello en la probeta y la tensión disminuye hasta la rotura (σ_u). La presencia y extensión de esta última zona determinan si el material es frágil o dúctil.

Indique justificadamente cuál de los siguientes materiales emplearía para la fabricación de un engranaje: [Material A, Material B, Material C].

El material más adecuado para la fabricación de un engranaje es el Material B. Un engranaje necesita una alta resistencia mecánica para soportar cargas elevadas y esfuerzos sin fallar.

• El Material A es muy frágil, tiene un alto módulo elástico pero no es dúctil, lo que puede presentar fallos por fractura.
• El Material B presenta alta resistencia a la tracción y cierta capacidad de deformación plástica, lo que mejora su tenacidad y resistencia al desgaste.
• El Material C es demasiado dúctil y de baja resistencia, lo que lo haría inadecuado para soportar las cargas de un engranaje.

Principales características de los ensayos de impacto. Indique y explique al menos dos de los tipos de ensayos de impacto.

Los ensayos de impacto miden la energía absorbida por un material al fracturarse rápidamente. Evalúan la tenacidad y la transición dúctil-frágil. Tipos comunes:

• Ensayo Charpy: La probeta se coloca horizontalmente con una entalla en el centro. Se golpea con un péndulo por el lado opuesto a la entalla.
• Ensayo Izod: La probeta se coloca verticalmente, con la entalla orientada hacia el golpe. Se usa más en plásticos y metales blandos.

Ambos ensayos determinan cuánta energía absorbe el material antes de romperse.

¿Por qué los buques rompehielos no se fabrican con acero al carbono?

El acero al carbono tiene estructura BCC, que presenta una transición dúctil-frágil a temperaturas bajas. A temperaturas cercanas a 0 °C o inferiores (como en ambientes polares), la resiliencia al impacto se reduce drásticamente, haciendo que el acero sea frágil y propenso a fracturas catastróficas. Por ello, se prefieren aceros con estructura FCC o aleaciones especiales que mantengan tenacidad en frío.

En la siguiente gráfica se muestra los resultados del ensayo Charpy realizadas a porciones de aceros recuperados del Titanic, y a probetas de un acero actual de composición similar. Si se tiene en cuenta que la temperatura del océano Atlántico en la zona del hundimiento esa la noche era de -2°C, comente qué posible efecto pudo haber contribuido en el accidente.

A -2°C, la resiliencia del acero del Titanic es muy baja, lo que indica que el material era frágil a esa temperatura. Esto significa que, al impactar con el iceberg, en lugar de deformarse plásticamente y absorber la energía, el acero del casco probablemente se fracturó de manera frágil, facilitando la rápida apertura de grietas y el ingreso de agua. Es decir, su baja resistencia al impacto en frío jugó un papel clave en el choque del Titanic.

De la siguiente lista, señale qué materiales presentan transición de rotura dúctil-frágil: Acero al carbono, Aluminio, Poliestireno, Resina epoxi, Vidrio.

De los materiales indicados, los que sí presentan esta transición son:

• Acero al carbono: Sí. Tiene estructura BCC, muy sensible a bajas temperaturas.
• Poliestireno: Sí. Como la mayoría de los plásticos amorfos, se vuelve frágil al enfriarse.
• Resina epoxi: Sí. Material frágil a temperaturas bajas.
• Vidrio: Sí. Siempre frágil, no presenta deformación plástica.

Los que no presentan transición dúctil-frágil:

• Aluminio: No. Tiene estructura FCC, con buen comportamiento dúctil incluso a bajas temperaturas.

Características y diferencias esenciales entre los ensayos de dureza Brinell y Vickers.

• Brinell: Se utilizan bolas de acero como indentadores. Para una misma carga, se obtienen diferentes indentaciones según el material.
• Vickers: En este ensayo se utiliza una punta de diamante (pirámide de base cuadrada), para así poder realizar el ensayo para todo rango de durezas. Para diferentes cargas, se busca obtener indentaciones similares.

Las principales diferencias serían: mientras que el ensayo Brinell utiliza una bola de acero como indentador, dejando una huella circular, en el ensayo Vickers se utiliza una punta de diamante, dejando un rombo como huella. Además, en el ensayo Vickers, en vez de cambiar el penetrador como en el ensayo Brinell, se cambia la carga para ajustar el tamaño de la huella.

Características del ensayo de dureza Rockwell.

El ensayo de dureza Rockwell consiste en aplicar primero una precarga de 10 kg para asentar el indentador y medir una altura inicial. Luego se aplica la carga principal, se mantiene un tiempo, y al retirarla se mide la profundidad final de la huella. La dureza se determina en función de la diferencia entre las dos alturas. Tiene varias escalas (A, B, C…) según el tipo de punta y carga. El operador no interviene directamente en la medición de la huella.

Precauciones generales que hay que tener en cuenta para realizar un ensayo de dureza correcto.

Para realizar un ensayo de dureza correctamente, se ha de comprobar que el espesor de la pieza sea bastante mayor que la profundidad de la huella que deja el ensayo. Esta huella debe de estar separada de las otras unos centímetros debido a que en la proximidad de la huella del ensayo anterior se produce un endurecimiento del material por deformación plástica.

¿Qué zonas se pueden observar en una rotura por fatiga?

En una rotura por fatiga es típico observar:

• Zona de inicio: Donde comienza la grieta por concentraciones de tensión.
• Zona de propagación: Se ven estrías de avance progresivo de la grieta (líneas de playa).
• Zona final de fractura: Donde se produce la rotura brusca del material.

Dado un ensayo de termofluencia, indique y explique las etapas que se pueden observar.

La termofluencia es la deformación progresiva de un material sometido a una carga constante durante un tiempo prolongado a altas temperaturas. Su estudio es clave en componentes como turbinas y motores.

El ensayo de termofluencia registra la deformación en función del tiempo y presenta tres etapas principales:

1. Etapa primaria (deformación transitoria): La velocidad de deformación es alta al inicio y luego disminuye debido al endurecimiento por deformación.
2. Etapa secundaria (deformación estacionaria): La deformación ocurre a velocidad constante, con un equilibrio entre endurecimiento y recuperación del material. Es la etapa más larga y se usa para definir la vida útil del material.
3. Etapa terciaria (deformación acelerada y fractura): Aumenta rápidamente la deformación debido a la formación de microgrietas y vacíos, lo que lleva a la rotura final del material.

Este fenómeno es crítico en materiales expuestos a altas temperaturas y cargas constantes, como en turbinas de gas y componentes de reactores nucleares.

Etiquetas: ciencia de materiales, cristalografía, defectos cristalinos, propiedades mecánicas