Explorando los Materiales de Ingeniería: Propiedades Clave y Procesos de Fabricación

Clasificación Fundamental de Materiales

• Materiales Metálicos

  • Ejemplos: Acero, Aluminio (Al), Cobre (Cu), Titanio (Ti).
  • Características: Alta conductividad eléctrica y térmica, elevada resistencia y buena ductilidad.

• Polímeros

  • Ejemplos: Polietileno (PE), Polipropileno (PP), PVC, Epoxi, PLA.
  • Características: Ligeros, aislantes, y pueden ser reciclables (termoplásticos) o termoestables.

• Materiales Cerámicos

  • Ejemplos: Alúmina, Sílice.
  • Características: Muy duros, frágiles, resistentes a altas temperaturas y abrasivos.

• Materiales Compuestos

  • Definición: Combinación de fibra y matriz.
  • Ejemplo: Fibra de carbono + Epoxi.

• Enlace Metálico

  • Concepto: Responsable de la elevada conductividad eléctrica de los metales.

Estructura y Microestructura de Materiales

• Estructura Cristalina

  • Descripción: Presenta un orden atómico tridimensional (3D).
  • Ejemplos: Metales, muchas cerámicas.

• Estructura Amorfa

  • Descripción: Carece de un orden atómico definido.
  • Ejemplos: Vidrios, polímeros amorfos.

• Vitrocerámicas

  • Descripción: Materiales que combinan fases cristalinas y amorfas.

• Fronteras de Grano

  • Impacto: Afectan significativamente la resistencia y la difusión en el material.

Propiedades Mecánicas Clave

• Módulo de Young

  • Medida: Indica la rigidez del material.
  • Ejemplo: Acero (200 GPa) es mucho más rígido que el Polietileno (PE) (0.5 GPa).

• Límite Elástico

  • Definición: Deformación máxima que un material puede soportar sin sufrir deformación permanente.

• Tenacidad

  • Definición: Capacidad de un material para absorber energía antes de fracturarse.

• Dureza

  • Definición: Resistencia a la indentación o penetración.

• Ductilidad

  • Definición: Capacidad de un material para deformarse plásticamente (alargarse) sin fracturarse.

Aleaciones de Hierro-Carbono (Aceros y Fundiciones)

• Aleación Eutectoide

  • Composición: 0.8% de Carbono (C).
  • Transformación: Forma perlita a 727 °C.

• Aleación Hipoeutectoide (<0.8% C)

  • Fases a alta temperatura: Ferrita (F) + Austenita (A).
  • Fases a temperatura ambiente: Ferrita (F) + Perlita (P).
  • Característica: Presenta ductilidad media.

• Aleación Hipereutectoide (>0.8% C)

  • Fases a alta temperatura: Cementita (C) + Austenita (A).
  • Fases a temperatura ambiente: Cementita (C) + Perlita (P).
  • Característica: Es más duro y menos dúctil.

• Fundición Gris

  • Microestructura: Contiene grafito en escamas.

• Fundición Nodular

  • Microestructura: Contiene grafito esferoidal.
  • Características: Es tenaz y moldeable.

Tratamientos Térmicos de Materiales

• Temple

  • Objetivo: Genera martensita para endurecer el material.

• Revenido

  • Objetivo: Reduce la fragilidad del material después del temple.

• Cementación

  • Proceso: Añade carbono en la superficie para endurecerla.

• Nitruración

  • Proceso: Añade nitrógeno para endurecer la superficie sin necesidad de temple.

• Normalizado

  • Objetivo: Tratamiento térmico aplicado al acero para refinar el tamaño de grano y homogeneizar la microestructura.

Polímeros: Tipos y Características

• Termoplásticos

  • Comportamiento: Funden al calentarse y pueden ser reciclados.
  • Ejemplos: PE, PET, PP, PS.

• Termoestables

  • Comportamiento: No funden y son resistentes al calor.
  • Ejemplo: Epoxi.

• Elastómeros

  • Característica: Polímeros con gran elasticidad.
  • Ejemplo: Caucho.

• PLA (Ácido Poliláctico)

  • Origen: Biodegradable, derivado del maíz.
  • Aplicaciones: Usado en envases e impresión 3D.

• Influencia de la Cristalinidad

  • Relación: Mayor cristalinidad implica mayor resistencia mecánica y menor transparencia.

• Transición Vítrea (Tg)

  • Definición: Temperatura a la que un polímero amorfo pasa de un estado rígido y vítreo a uno más flexible y gomoso.

Procesos de Fabricación de Materiales

• Trefilado

  • Proceso: Estirado para producir alambres.

• Extrusión

  • Proceso: Empuje para fabricar piezas huecas.
  • Ejemplo: Tuberías de PVC.

• Rotomoldeo

  • Proceso: Fabricación de piezas huecas sin aplicación de presión externa.

• Inyección

  • Proceso: Fabricación de piezas complejas mediante un molde.

• Sinterizado

  • Proceso: Consolidación de polvo mediante presión y calor, sin alcanzar la fusión completa.

• Moldeo por Barbotina (Cerámica Hueca)

  • Aplicación: Utilizado para fabricar cerámica hueca.

Ensayos de Caracterización de Materiales

• Ensayos de Dureza

  • Brinell

    • Método: Utiliza una bola de acero.
    • Aplicación: Para medir la dureza en metales blandos (ej. Cobre, Aluminio).

  • Vickers

    • Método: Utiliza una pirámide de diamante.
    • Características: Muy preciso y de uso general.

  • Rockwell

    • Método: Emplea un cono (para materiales duros) o una bola (para materiales blandos).

  • Shore A/D

    • Aplicación: Específico para polímeros y elastómeros.

• Ensayos de Impacto

  • Probeta con Entalla en "V"

    • Uso: Utilizada en ensayos de impacto para evaluar la tenacidad.

Defectos y Fenómenos de Transporte en Materiales

• Dislocaciones

  • Definición: Defecto lineal en la estructura cristalina.
  • Efecto: Facilita la deformación plástica.

• Difusión Intersticial

  • Mecanismo: Movimiento de átomos pequeños a través de los intersticios de la red.
  • Ejemplo: Nitrógeno en Hierro.

• Difusión Sustitucional

  • Mecanismo: Intercambio de posición entre átomos de tamaño similar en la red.
  • Ejemplo: Níquel en Cobre.

• Vacantes

  • Definición: Ausencia de un átomo en un sitio de la red.
  • Efecto: Aumentan la difusión.

• Recristalización

  • Proceso: Formación de nuevos granos equiaxiales y libres de deformación tras el trabajo en frío de metales.

Corrosión y Degradación de Materiales

• Corrosión Galvánica

  • Mecanismo: Ocurre entre metales distintos en contacto en presencia de un electrolito.
  • Ejemplo: Cobre y Hierro.

• Oxidación

  • Mecanismo: Reacción química con el oxígeno.

• Degradación UV

  • Mecanismo: Deterioro de materiales (especialmente polímeros) por exposición a la radiación ultravioleta del sol.

• Degradación Química General

  • Definición: Proceso en el que un material se descompone químicamente.
  • Ejemplo: Polímeros que se queman o se degradan por agentes químicos.

Aplicaciones Específicas de Materiales

• Visera de Casco Transparente

  • Material: Policarbonato (PC).

• Herramientas de Corte

  • Material: Acero rápido.

• Aplicaciones de Alta Temperatura (>750°C)

  • Materiales: Cerámicas, aleaciones de Níquel.

• Industria Aeroespacial y Aeronáutica

  • Materiales: Titanio, fibra de carbono.

• Aislantes Eléctricos y Reciclables

  • Materiales: Polipropileno (PP), Poliestireno (PS), PET.

• Material Biodegradable

  • Material: PLA.

• Polietileno de Baja Densidad (PEBD)

  • Características: Dúctil, ligero, resistente al impacto, apto para inyección.

• Cobre

  • Características: Excelente conductor eléctrico y térmico, dúctil, resistente a la oxidación.

• Alúmina

  • Características: Puede trabajar a 500°C, resistente a la compresión y oxidación.

• Acero Inoxidable Austenítico

  • Característica: Conocido por su precio elevado.

Detalles sobre Materiales Compuestos

• Componentes Principales

  • Refuerzo: Generalmente fibras (vidrio, carbono, aramida).
  • Matriz: Material que envuelve las fibras, a menudo un polímero (epoxi, poliéster).

• Factores que Influyen en las Propiedades

  • Dependencia: Las propiedades finales dependen de la longitud, orientación y porcentaje de fibra.

Identificación Micrográfica

• Reactivo Nital

  • Uso: Reactivo químico que revela microestructuras en aleaciones de Hierro-Carbono.

• Grafito en Fundición Gris

  • Característica: La presencia de grafito en escamas (oscuro) es distintiva de la fundición gris.

Aleaciones de Aluminio: Propiedades y Procesos

• Reciclabilidad

  • Característica: Pueden reciclarse al 100% sin pérdida de propiedades.

• Endurecimiento

  • Métodos: Pueden endurecerse por laminación o envejecimiento.

• Resistencia a la Corrosión

  • Mejora: Mejoran su resistencia a la corrosión por anodizado.