Explorando la Microestructura y Resistencia de los Materiales: Cristales y Ensayos Mecánicos

Estructura Cristalina de los Sólidos

La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición ordenada de sus átomos, moléculas o iones en el espacio. Si esta distribución espacial se repite de manera periódica y tridimensional, se dice que el sólido posee una estructura cristalina. Los átomos se organizan en una red geométrica regular denominada retículo espacial o red cristalina. Una estructura cristalina puede definirse como la repetición en el espacio de una unidad estructural básica llamada celda unitaria o celdilla elemental. La división fundamental de la estructura cristalina se denomina celdilla unidad, y esta presenta la simetría global de la estructura cristalina.

Tipos de Estructuras Cristalinas Comunes en Metales

Existen diversas configuraciones cristalinas. Entre las más destacadas para los metales se encuentran:

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC)

La estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) es común en muchos metales (como el cobre, aluminio, oro, plata) y se caracteriza por tener una celdilla unidad cúbica con átomos en cada uno de los ocho vértices del cubo y en el centro de cada una de sus seis caras. En esta estructura, cada átomo del vértice es compartido por 8 celdillas unidad adyacentes, mientras que los átomos situados en el centro de las caras son compartidos por 2 celdillas. La celdilla unidad define el volumen repetitivo básico. Dos características importantes de la estructura FCC son:

• Número de coordinación (número de átomos vecinos más cercanos) = 12.
• Factor de empaquetamiento atómico (FEA) elevado, lo que indica una alta densidad de átomos.

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

La estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), presente en metales como el hierro (forma alfa), cromo y tungsteno, presenta una celdilla unidad cúbica con átomos localizados en los 8 vértices y un átomo adicional en el centro geométrico del cubo. En la estructura BCC, los átomos de los vértices y el átomo central se tocan mutuamente a lo largo de las diagonales principales del cubo. El número de coordinación es 8, y cada átomo en un vértice contribuye con 1/8 de su volumen a una celdilla unidad.

Estructura Hexagonal Compacta (HCP)

La estructura hexagonal compacta (HCP), característica de metales como el magnesio, titanio y zinc, a diferencia de las anteriores, no es cúbica; su celdilla unidad tiene forma de prisma hexagonal. Esta estructura también presenta un empaquetamiento atómico muy eficiente, similar al de la FCC, con un número de coordinación de 12.

Ensayo de Tracción: Comportamiento Mecánico de Materiales

El ensayo de tracción es un procedimiento fundamental en la ciencia e ingeniería de materiales que consiste en someter una probeta (muestra de material con forma y dimensiones normalizadas) a un sistema de fuerzas axiales crecientes que actúan en la dirección de su eje longitudinal, hasta provocar su rotura. Generalmente, las probetas cilíndricas se utilizan para materiales obtenidos por forja o extrusión, mientras que las probetas prismáticas (de sección rectangular) se emplean para materiales en forma de planchas o láminas de menor espesor.

El resultado de este ensayo se representa gráficamente en un diagrama tensión-deformación. En este diagrama, generalmente se identifican dos regiones principales de comportamiento del material: una primera región donde las deformaciones son, en gran medida, proporcionales a las tensiones que las originan, y una segunda región donde pequeñas variaciones de tensión pueden generar grandes deformaciones. Estas regiones se conocen como:

Zona Elástica (OE)

La zona elástica (OE) se caracteriza porque, al cesar las tensiones aplicadas, el material recupera completamente su longitud y forma iniciales; la deformación es reversible. Dentro de esta zona, se distinguen:

Subzona de Proporcionalidad (OP)

En la subzona de proporcionalidad (OP), la relación entre la tensión (esfuerzo) y la deformación unitaria es lineal, siguiendo la Ley de Hooke. Esta parte del diagrama es una recta, y su pendiente define el Módulo de Young o módulo de elasticidad del material. Existe una proporcionalidad directa entre las tensiones aplicadas y las deformaciones producidas.

Subzona No Proporcional Elástica (PE)

En la subzona no proporcional elástica (PE), el material aún se comporta de forma elástica (es decir, recupera su forma original al retirar la carga), pero la relación entre las deformaciones y las tensiones ya no es lineal. El punto E marca el límite elástico, la máxima tensión que el material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes.

Zona Plástica (ES)

En la zona plástica (ES), se ha rebasado la tensión del límite elástico. Si se deja de aplicar tensión en esta zona, el material no volverá a su longitud inicial, quedando con una deformación permanente; la deformación es irreversible. Dentro de esta zona, se distinguen:

Subzona de Fluencia o Cedencia y Endurecimiento por Deformación (ER)

Tras superar el límite elástico, muchos metales experimentan una zona de fluencia o cedencia, donde la deformación aumenta con poca o ninguna adición de carga. Posteriormente, en la región ER, el material sufre grandes deformaciones plásticas y generalmente se endurece por deformación (requiere mayor tensión para seguir deformándose). Alcanza un punto máximo de tensión, conocido como límite de rotura o resistencia a la tracción (punto R), y la tensión en este punto se denomina tensión de rotura. A partir de este punto, el material comienza a experimentar un fenómeno de "estricción" (reducción localizada de la sección transversal de la probeta) y se inicia el proceso de rotura interna, aunque no sea visible externamente.

Subzona de Estricción y Rotura (RS)

En la subzona de rotura (RS), una vez superado el punto R (límite de rotura), la tensión ingenieril (calculada con el área inicial) puede parecer que disminuye debido a la pronunciada estricción. Sin embargo, la tensión real en la sección reducida sigue aumentando. El material continúa alargándose y reduciendo su sección en la zona de estricción hasta que se produce la rotura física completa en el punto S.