Clasificación de los Materiales de Ingeniería

Los materiales de ingeniería se clasifican generalmente en:

• Metales
• Cerámicos
• Polímeros
• Materiales compuestos (Composites)
• Semiconductores

Fundamentos de la Ciencia de Materiales

Enlaces Químicos Primarios

Los enlaces primarios en los materiales son de tres tipos principales:

• Iónico
• Covalente
• Metálico

Estructura Cristalina

La mayoría de los metales a temperatura ambiente presentan una de las siguientes estructuras cristalinas compactas:

• BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo)
• FCC (Cúbica Centrada en las Caras)
• HCP (Hexagonal Compacta)

En el benceno, los carbonos tienen hibridación sp². La geometría tetraédrica, como la del metano (hibridación sp³), presenta ángulos de enlace de 109.5°.

Índices de Miller

La representación de posiciones, direcciones y planos en una red cristalina se realiza mediante los Índices de Miller:

• Posiciones: 1, ½, ¼
• Direcciones: [000]
• Planos: (000)

Factor de Empaquetamiento Atómico (APF)

El Factor de Empaquetamiento Atómico (APF, por sus siglas en inglés) mide la fracción de volumen en una celda unitaria que está ocupada por átomos. Se calcula como:

APF = (Volumen de átomos en la celdilla unidad) / (Volumen total de la celdilla unidad)

Defectos e Imperfecciones Cristalinas

Las imperfecciones en las redes cristalinas son comunes y afectan a las propiedades del material. Se clasifican según su geometría.

Defectos Puntuales (Dimensión Cero)

Los defectos puntuales más comunes son:

• Vacantes: Ausencia de un átomo en una posición de la red.
• Intersticiales: Un átomo extra ubicado en un espacio entre los átomos de la red.

Defectos Lineales (Dislocaciones)

Una dislocación es un defecto lineal o unidimensional alrededor del cual los átomos de la red cristalina están desalineados.

Defectos de Superficie (Bidimensionales)

Incluyen diferentes tipos de interfases que alteran la estructura cristalina perfecta.

Tipos de Defectos de Superficie

• Superficies externas.
• Límites de grano.
• Límites de macla (twin boundaries).
• Defectos de apilamiento.
• Límites de fase.

Definiciones Clave

• Límite de Grano: Es la interfase que separa dos granos (o cristales) que tienen diferente orientación cristalográfica en un material policristalino.
• Límite de Macla: Es un tipo especial de límite de grano a través del cual existe una simetría de red especular.
• Límite de Fase: Es la interfase que separa dos fases distintas, lo que implica un cambio en las características físicas y/o químicas a través de ella.
• Defectos de Apilamiento: Se producen, por ejemplo, en estructuras FCC cuando se interrumpe la secuencia de apilamiento normal (ej. ABCABC…).

Propiedades de los Materiales

Propiedades Físicas

Algunas propiedades físicas son relativamente insensibles a la microestructura del material:

• Densidad: Depende de la masa atómica media, el tamaño atómico y la estructura cristalina.
• Punto de Fusión: Es directamente proporcional a la energía de enlace entre los átomos.
• Temperatura de Transición Vítrea (T_g): Es la temperatura a la cual un material amorfo pasa de un estado duro y frágil a uno viscoso.
• Coeficiente de Expansión Térmica Lineal.
• Conductividad Térmica: Es la propiedad de un material para conducir el calor.

Propiedades Mecánicas

Las propiedades mecánicas clave de los materiales incluyen resistencia, dureza, ductilidad, rigidez y tenacidad. Su estudio considera variables como la magnitud y tipo de carga, su duración y la temperatura.

Tipos de Esfuerzo Mecánico

Los principales tipos de esfuerzo mecánico son:

• Tracción
• Compresión
• Torsión
• Cizalladura
• Flexión

Conceptos Fundamentales

• Límite Elástico: Es la tensión a partir de la cual un material comienza a experimentar deformación plástica (permanente).
• Ductilidad: Es una medida del grado de deformación plástica que un material puede soportar antes de su fractura. Un material con poca deformación se considera frágil.
• Tenacidad: Es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse. Combina resistencia y ductilidad.
• Resistencia a la Tracción: Es la máxima tensión que un material puede soportar antes de romperse.
• Fluencia (Creep): Es la deformación plástica que ocurre a lo largo del tiempo en un material sometido a una carga constante, especialmente a temperaturas elevadas.

Diagramas de Fase y Transformaciones

Conceptos Clave

• Diagrama de Fases: Presenta las relaciones entre la microestructura, la composición y las cantidades de las fases en equilibrio a diferentes temperaturas.
• Fase: Es una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes.
• Límite de Solubilidad: Es la concentración máxima de átomos de soluto que pueden disolverse en un disolvente para formar una disolución sólida a una temperatura determinada.
• Sistema Isomorfo: Es aquel en el que los componentes tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido.

Reacciones de Fase

Reacción Eutéctica

L (líquido) ↔ α (sólido) + β (sólido) (al enfriar/calentar)

Una fase líquida se transforma en dos fases sólidas al enfriarse.

Reacción Eutectoide

γ (sólido) ↔ α (sólido) + β (sólido) (al enfriar/calentar)

Una disolución sólida se transforma en dos fases sólidas diferentes al enfriarse. Un ejemplo clave es la transformación de la austenita (Fe-γ) en ferrita (Fe-α) y cementita (Fe₃C) en los aceros.

Reacción Peritéctica

α (sólido) + L (líquido) ↔ β (sólido) (al enfriar/calentar)

Al enfriar, una fase sólida y una líquida se transforman en una nueva fase sólida.

Ensayos y Caracterización de Materiales

Ensayo de Tracción

Tensión y Deformación Ingenieril

La tensión nominal o ingenieril (σ) se define como: σ = F / A_o (Fuerza / Área inicial).

La deformación nominal o ingenieril (ε) se define como: ε = Δl / l_o (Cambio de longitud / Longitud inicial).

Deformación Elástica y Plástica

• Deformación Elástica: Es temporal y sigue la Ley de Hooke (σ = E * ε). El material recupera su forma original al retirar la carga.
• Deformación Plástica: Es permanente. El material no recupera su forma original.

Ensayos de Dureza

La dureza es la medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, como el rayado o la indentación.

• Rockwell: Es el método más usado. Se aplica en metales y no metales de dureza baja o media.
• Vickers: Usa un indentador de diamante piramidal. Es muy versátil y se puede utilizar en materiales blandos y muy duros, como los cerámicos.
• Brinell: Se utiliza principalmente en metales y no metales de dureza baja a media.
• Knoop: Ensayo de microdureza para muestras muy pequeñas, delgadas o frágiles.

Microdureza vs. Macrodureza

Los ensayos de microdureza (Vickers, Knoop) se usan en materiales muy duros y frágiles, donde una carga elevada de un ensayo de macrodureza (Rockwell, Brinell) podría fracturar la muestra.

Errores Comunes en el Ensayo Rockwell

• Muestra demasiado delgada.
• Indentación muy cerca del borde.
• Indentaciones demasiado juntas entre sí.

Otros Ensayos Mecánicos

Ensayo de Impacto (Charpy)

Se utiliza para medir la tenacidad de un material, es decir, la energía que absorbe durante una fractura por impacto.

Fatiga

La fatiga es un tipo de fallo que ocurre en materiales sometidos a cargas cíclicas, incluso si las tensiones máximas son inferiores a la resistencia a la tracción del material.

Procesos de Fabricación

Fundición y Moldeo

La fundición es el proceso de verter metal líquido en un molde para que solidifique, así como la pieza resultante.

Tipos de Moldes

• Desechables: Se destruyen para extraer la pieza (ej. moldes de arena, yeso, cerámica).
• Permanentes: Se reutilizan para múltiples ciclos (ej. moldes metálicos).

Factores y Tiempos en el Proceso

• Factores del vaciado: Temperatura, velocidad y turbulencia. Una velocidad rápida causa turbulencia (oxidación, erosión), mientras que una lenta puede provocar una solidificación prematura.
• Tiempo de llenado (MFT): Se calcula como MFT = V / Q (Volumen de la cavidad / Caudal).
• Tiempo de Solidificación Total (TST): Depende del tamaño y forma de la pieza, del material del molde, de las propiedades térmicas del metal y de la temperatura de vaciado. La constante del molde (C_m) en la Regla de Chvorinov depende de estos factores.

Extrusión

Las características operativas de una extrusora se definen por la relación entre la presión (p) y el caudal (Q). La función de una malla a la salida es filtrar contaminantes y aumentar la contrapresión para mejorar la homogeneización.

Defectos Comunes en la Extrusión

• Fractura de fusión.
• Piel de tiburón.
• Talla de bambú (agrietamiento central).

Otros Conceptos Relevantes

Polímeros

El grado de polimerización es una propiedad fundamental que define el tamaño promedio de la cadena polimérica.

Difusión en Sólidos

El flujo de difusión (según la primera ley de Fick) es directamente proporcional al gradiente de concentración.

Tratamientos Térmicos

Templado

El templado consiste en calentar un material por encima de una temperatura crítica (ej. recristalización o austenización) y enfriarlo rápidamente para obtener propiedades mecánicas específicas, como una alta dureza.

Etiquetas: ciencia de materiales, diagramas de fase, Estructura cristalina, propiedades mecánicas