Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales: Estructura, Propiedades y Procesos

Clasificación y Tipos de Materiales

Clasificación de los materiales según su naturaleza química

Los materiales se clasifican según su naturaleza química en:

• Metálicos: Sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos, pudiendo contener elementos orgánicos. Algunas de sus propiedades son la estructura cristalina y la buena conducción eléctrica y térmica. Dentro de estos, encontramos los férreos, como el acero inoxidable, y los no férreos, como el aluminio o el bronce.
• Polímeros: Largas cadenas basadas, generalmente, en compuestos orgánicos. Algunas de sus propiedades son su capacidad de ser aislantes eléctricos.
• Cerámicos: Materiales inorgánicos, generalmente formados por la combinación de elementos metálicos y no metálicos. Algunas de sus características son la dureza y fragilidad, y la resistencia a las altas temperaturas.
• Compuestos: Materiales que contienen dos o más elementos de diferentes familias, conservando sus propiedades y pudiéndose identificar físicamente. Algunas de sus propiedades son la buena relación resistencia-peso y rigidez-peso.

Diferencia entre materiales funcionales y estructurales: Ejemplos

Los materiales estructurales son aquellos que cumplen funciones de elementos resistentes en una estructura, por tanto, se utilizan por sus propiedades mecánicas (como el acero para construcción). Su empleo e importancia son muy elevados.

Los materiales funcionales se emplean porque sus propiedades (eléctricas, magnéticas, ópticas, químicas o térmicas) son esenciales para mantener una determinada tecnología. El número de materiales funcionales es enorme; sin embargo, el mercado de cada uno de ellos suele ser pequeño, mientras que su precio es, por lo general, elevado.

Estructura Cristalina y Fases

Sistemas cristalinos conocidos: Ejemplos

Según su geometría, se pueden diferenciar hasta siete sistemas cristalinos. Ejemplos de ellos son el sistema cúbico, hexagonal y tetragonal.

Tipos de celda unidad más comunes en los metales: Características principales

Los tipos de celda unidad más comunes en los metales son:

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

Diferencias entre un sólido cristalino y uno amorfo

Un sólido cristalino es aquel cuyos átomos se encuentran colocados según una disposición repetitiva en 3D en el espacio. Otras características incluyen puntos de fusión definidos y anisotropía.

Por el contrario, un sólido amorfo es aquel que no tiene estructura cristalina, aunque sus átomos sí respetan ciertas distancias entre sí. Algunas de sus características son: no tener puntos de fusión definidos, ser isótropos y que los átomos tomen posiciones al azar.

Definición de isomorfismo, polimorfismo y alotropía: Ejemplos

• Isomorfismo: Dos sustancias son isomórficas cuando presentan diferentes composiciones químicas, pero poseen la misma estructura cristalina, es decir, mismos ángulos y longitud de arista en sus celdas unidad. Ejemplo: Olivinos.
• Polimorfismo: Capacidad de un material sólido para cristalizar en distintos sistemas en función de la temperatura y la presión. Ejemplo: Carbono.
• Alotropía: Es un caso particular de polimorfismo que se refiere a la capacidad de un elemento químico para existir en dos o más formas diferentes en el mismo estado físico. Ejemplo: Hierro (Feα, Feγ, Feδ).

Fases alotrópicas del hierro y sus características

Las principales fases alotrópicas que presenta el hierro son:

• Fe Líquido (>1538°C): Estado líquido del hierro antes de solidificarse.
• Feδ (BCC) (1538°C - 1394°C): Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Presenta una menor densidad comparada con otras fases sólidas.
• 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.
• Feα (BCC) (912°C - 768°C): Vuelve a una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Es más rígido y menos dúctil que Feγ y presenta menor solubilidad para elementos intersticiales como el carbono.
• Feβ (Ferrita amagnética) (768°C - Temperatura ambiente): Se diferencia del Feα en que pierde sus propiedades magnéticas por encima de 768°C (Temperatura de Curie).
• Feα (Ferrita magnética) (<768°C): Estructura BCC con propiedades magnéticas y es la forma estable del hierro a temperatura ambiente.

Contracción volumétrica del hierro puro al calentarse por encima de 912ºC

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.

Obtención de metales amorfos mediante enfriamiento rápido

Los metales amorfos se pueden obtener cuando la velocidad de enfriamiento es muy rápida porque, al enfriarse de manera suficientemente acelerada, se evita la formación de cristales y el material se solidifica en un estado vítreo.

Solubilidad máxima del carbono intersticial en Feγ y Feα

La solubilidad máxima del carbono intersticial en el Feγ es del 2% y en el Feα es del 0.022%. Esto se debe a que, a pesar de tener menos huecos en su celda unidad, los pocos huecos presentes en el Feγ son de mayor tamaño que los del Feα. Por tanto, el Feγ puede disolver más carbono que el Feα.

Defectos Cristalinos y Difusión

Tipos de defectos en redes cristalinas según su geometría y forma: Ejemplos

• Defectos puntuales: Son el tipo de defecto más simple y se producen por la ausencia de un átomo o la inserción de otros en la red cristalina. Ejemplos: vacantes, átomos intersticiales, átomos sustitucionales.
• Defectos lineales (Dislocaciones): Introducen tensión en la red y son 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. Mientras que los átomos internos reciben las acciones del conjunto que les rodea, 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, superficies libres.

Tipos de defectos puntuales

Los defectos puntuales más comunes son:

• Defectos intersticiales: Se generan cuando un átomo idéntico a los de la propia red cristalina se coloca en una posición intersticial, o cuando en estos intersticios o huecos se inserta un átomo adicional.
• Vacantes: Es la falta de un átomo en una posición normal de la red cristalina.
• Defectos sustitucionales: Se crea un defecto de este tipo cuando se sustituye un átomo normal de la red por otro.

Influencia de los defectos intersticiales en las propiedades mecánicas

Los defectos intersticiales generan distorsiones en la red cristalina y crean estados de tensión, lo que provoca el endurecimiento del material.

Influencia de los defectos sustitucionales en las propiedades mecánicas

En general, los defectos sustitucionales tienen una influencia notable en las propiedades mecánicas, físicas, químicas y eléctricas de un material.

Influencia de las vacantes en las propiedades mecánicas

Las vacantes provocan distorsiones en la red y la deforman, creando zonas de tracción y de compresión, lo que endurece el material.

Defectos intersticiales y superficiales en estructuras cristalinas metálicas: Ejemplos

• 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, más comúnmente, 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. Ejemplos: 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. Mientras que los átomos internos 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. Ejemplos: bordes de grano o superficies libres.

Definición y formación de dislocaciones: Efecto en propiedades

Las dislocaciones son defectos de tipo lineal que favorecen los desplazamientos atómicos. Algunas dislocaciones se crean durante la solidificación y el enfriamiento de los metales y son responsables del endurecimiento por deformación.

Tipos de dislocaciones y su deslizamiento

Los tipos de dislocaciones son:

• La dislocación de arista se crea por la inserción de una parte extra de átomos, cuya arista se encuentra dentro del cristal. Esta porción genera una deformación en la red cristalina en torno a una línea.
• La dislocación de hélice se forma aplicando esfuerzos cortantes en el cristal.

También puede producirse una combinación de ambas para dar dislocaciones mixtas. El deslizamiento de las dislocaciones facilita la deformación plástica de los materiales.

Límites de grano: Creación, tamaño y efecto en propiedades

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.

El tamaño 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 de su tamaño y características.

Definición e importancia industrial de la difusión

La difusión es el movimiento de los átomos, iones o moléculas dentro de un material sólido, líquido o gas con el fin de eliminar las diferencias de concentración y alcanzar una composición homogénea y uniforme. Existe movimiento atómico en las transformaciones de fases y, en general, en cualquier proceso térmico.

Su importancia industrial radica en que este proceso tiene lugar en una amplia gama de procesos, como la solidificación de metales fundidos o cualquier proceso térmico aplicado a materiales.

Mecanismos de difusión en aleaciones metálicas: Ejemplos

• Difusión por vacantes (sustitucional): En este mecanismo, un átomo de la propia red abandona su posición para ocupar una 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 y 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 durante la cementación del acero.

Aplicaciones de la difusión en ingeniería de materiales

La difusión es fundamental en ingeniería de materiales y se aplica en procesos como:

• Solidificación de metales: Distribución de elementos de aleación.
• Tratamientos térmicos: Cementación, nitruración, recocido, etc., para modificar propiedades superficiales o internas.
• Sinterización: Consolidación de polvos metálicos o cerámicos.
• Corrosión: Movimiento de iones que contribuye a la degradación de materiales.
• Fabricación de semiconductores: Dopado de materiales para alterar su conductividad.

Facilidad de difusión intersticial vs. difusión por vacantes

La difusión intersticial ocurre con mayor facilidad que la difusión por vacantes, ya que esta última se basa en el desplazamiento de otras partículas de la red, lo que requiere una mayor energía de activación en comparación con el primer tipo de difusión. Los átomos intersticiales son más pequeños y se mueven a través de los huecos de la red sin desplazar átomos de la matriz.

Mecanizado de Tiα (HCP) vs. Cu (FCC)

Sabiendo que el Tiα presenta a temperatura ambiente estructura HCP y el Cu presenta estructura FCC, y atendiendo al tipo de estructura, sería más fácil de mecanizar el de estructura FCC (Cobre), ya que esta presenta 12 sistemas de deslizamiento, frente a los 3 sistemas de deslizamiento que presenta una estructura HCP (Titanio).

Mecanizado de Feα (BCC) vs. Cu (FCC)

Sabiendo que el Feα presenta a temperatura ambiente estructura BCC y el Cu presenta estructura FCC, y atendiendo al tipo de estructura, sería más fácil de mecanizar el de estructura FCC (Cobre). A pesar de que esta presente los mismos sistemas de deslizamiento que en el caso de una estructura BCC (siendo estos 12 en ambos casos), la última presenta unos planos de menor empaquetamiento, lo que dificulta el deslizamiento.

Velocidad de movimiento de átomos en acero aleado (C, Cr, Mn, N)

En un acero con 1% de C, 1.6% de Cr, 0.4% de Mn y 0.03% de N, los átomos que se mueven más rápido son el carbono (C) y el nitrógeno (N) porque su mecanismo de difusión es intersticial, lo que les permite moverse fácilmente entre los huecos de la red cristalina. El cromo (Cr) y el manganeso (Mn) se mueven más lentamente debido a que su difusión ocurre mediante vacantes, lo que requiere más energía y es menos eficiente.

Características para obtener una solución sólida sustitucional con solubilidad total

Para obtener soluciones sólidas sustitucionales con solubilidad total, los elementos que conforman la aleación deben cumplir las siguientes características:

• Los radios atómicos de soluto y disolvente no pueden diferir en más del 15%.
• Deben tener electronegatividades similares.
• Deben tener la misma estructura cristalina.

Mecanismo de nucleación que requiere menor energía

La nucleación heterogénea requiere mucha menor energía que la homogénea, porque al existir una superficie sólida previa, se necesita menos energía para alcanzar el radio crítico.

Solidificación y Endurecimiento de Materiales

Etapas de solidificación de un material metálico y cómo influir en la ductilidad

Las etapas de solidificación de un material metálico son:

1. Nucleación: Se forman pequeños núcleos sólidos dentro del metal líquido, ya sea de manera homogénea o heterogénea, siendo esta última la más común en procesos industriales.
2. Crecimiento de grano: Estos núcleos se expanden hasta formar la estructura final del material.

Para obtener un material más dúctil, es fundamental favorecer la formación de granos pequeños y equiaxiales, lo que se puede lograr controlando la velocidad de solidificación, utilizando elementos nucleantes y evitando defectos como segregaciones y grietas. Una solidificación más lenta y homogénea mejora la distribución de los átomos y reduce la fragilidad del material, optimizando su resistencia y capacidad de deformación sin fracturarse.

Tipos de nucleación en el proceso de solidificación: Descripción y diferencias

Los tipos de nucleación son:

• Nucleación homogénea: Es la generación de un núcleo sólido a partir de los átomos del propio metal líquido. Ocurre cuando el subenfriamiento es suficiente para generar un núcleo estable.
• Nucleación heterogénea: Consiste en la formación de núcleos en zonas donde ya existe una superficie sólida (paredes del molde, impurezas). La energía necesaria para producirla es mucho menor que para la homogénea. En la nucleación heterogénea se forman núcleos de menor radio crítico que en la homogénea, y los subenfriamientos requeridos son menores.

Variación de energía libre en la formación de núcleos

La variación de energía libre en la formación de núcleos depende de la temperatura, donde la energía libre de Gibbs es menor en estado sólido que en estado líquido. La nucleación ocurre cuando la reducción de energía libre volumétrica supera la energía superficial necesaria para crear la nueva interfaz.

Radio crítico en el proceso de nucleación: Energías implicadas y variación con la temperatura

Se considera radio crítico al radio mínimo que deben tener los núcleos para poder crecer de forma estable. Las energías implicadas son la energía libre de Gibbs volumétrica (que favorece el crecimiento) y la energía superficial (que se opone al crecimiento). Al disminuir la temperatura (aumentar el subenfriamiento), el radio crítico disminuye, facilitando la nucleación.

Nucleantes o afinadores de grano: Características principales

Los nucleantes o afinadores de grano son partículas sólidas insolubles que se introducen en el metal fundido. Se utilizan para obtener una mayor homogeneidad en la estructura del metal solidificado, reducir el tamaño de grano (lo que mejora la resistencia y tenacidad del material) y lograr una estructura de grano más homogénea.

Proceso de solidificación por nucleación heterogénea y cómo conseguir menor tamaño de grano

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.

Condición para nucleación heterogénea y variación de energías, tamaño crítico y subenfriamiento

Para que se produzca la nucleación heterogénea debe existir previamente una superficie sólida. La energía necesaria para producirla 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 requeridos son menores.

Definición de velocidad de nucleación y velocidad de crecimiento

• La velocidad de nucleación (Vn) se define como el número de núcleos que se forman por unidad de volumen y tiempo.
• La velocidad de crecimiento viene dada por el aumento de la masa de los núcleos por unidad de tiempo.

Tamaño de grano obtenido con subenfriamiento (ΔT) en un diagrama de velocidades

Si aplicamos el subenfriamiento indicado en un diagrama de velocidades de nucleación y crecimiento (ΔT), y nos situamos en una zona donde la nucleación es alta y el crecimiento es bajo, se favorece la formación de un gran número de núcleos pequeños y se 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.

Morfología de los granos de metales puros en función del tipo de molde

• En moldes metálicos calientes, además de una zona columnar, aparecen en la zona central granos equiaxiales que detienen el crecimiento de los cristales columnares.
• En el caso de moldes de arena, se puede obtener una estructura única de granos equiaxiales de tamaño grueso.
• La forma de los granos en la solidificación de aleaciones generalmente es ramificada (dendrítica).

Aumento de resistencia mecánica y dureza sin tratamiento térmico: Formas y justificación

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.

Interés y tipos generales de mecanismos de endurecimiento

Los mecanismos de endurecimiento son de interés porque, al restringir o impedir 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 de 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.

Papel de las disoluciones sólidas y precipitados de segundas fases en el endurecimiento

Los mecanismos de endurecimiento por disoluciones sólidas consisten en añadir átomos ajenos a la matriz metálica, ya sea de forma sustitucional o intersticial. Esto se debe a que las aleaciones de un metal base suelen ser más resistentes que el propio metal base.

Por otro lado, el endurecimiento por precipitación de segundas fases se basa en aplicar al material un tratamiento térmico con el fin de conseguir la precipitación de partículas muy pequeñas en el seno de la matriz metálica. Estas partículas precipitadas actúan como obstáculos muy eficaces para el libre desplazamiento de las dislocaciones.

Características del endurecimiento por deformación plástica

Una de sus características es que, conforme aumenta el porcentaje de trabajo en frío (CW), aumenta la resistencia a la tracción y el límite elástico, mientras que disminuye su ductilidad y capacidad de deformación.

Papel de 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, será más fácil la introducción de estos átomos del exterior que actuarán como defectos sustitucionales, endureciendo el material.

En el caso de las dislocaciones, estas son la base del funcionamiento del método de endurecimiento por precipitación de segundas fases, ya que este sistema se basa en aplicar un tratamiento térmico al material para precipitar pequeñas partículas en el seno de la matriz, las cuales interactúan con las dislocaciones impidiendo su movimiento.

Proceso de endurecimiento por precipitación de segundas fases

Un proceso de endurecimiento por precipitación de segundas fases se lleva a cabo en las siguientes 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 < Tsolidus (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.

Modificación de propiedades mecánicas del acero por adición de Al2O3

La adición de Al2O3 actúa como afinador de grano, lo que resulta en un menor tamaño de grano en la microestructura del acero. Según el mecanismo de endurecimiento por reducción del tamaño de grano, esto aumenta la resistencia mecánica y la dureza del acero, ya que los límites de grano actúan como barreras para el movimiento de las dislocaciones. Además, un tamaño de grano más fino puede mejorar la tenacidad y, en algunos casos, la ductilidad al distribuir mejor las tensiones.

Ensayos y Propiedades Mecánicas

Clasificación de ensayos mecánicos según la forma de aplicar el esfuerzo: Características generales

Los distintos tipos de ensayos mecánicos según la forma de aplicar el esfuerzo son:

• Esfuerzo creciente: Consiste en aumentar la carga de forma constante hasta que el material se rompa.
• Esfuerzo instantáneo: Consiste en aplicar una fuerza en un intervalo de tiempo muy corto. Ejemplo: Ensayo Charpy.
• Esfuerzo cíclico: Esfuerzo que cambia de signo (tracción y compresión) a lo largo del tiempo. Son los llamados ensayos de fatiga.
• Esfuerzo constante: Consiste en aplicar una carga constante durante un determinado periodo de tiempo.

Material ideal para la fabricación de un engranaje

Para la fabricación de un engranaje, se requiere un material con alta resistencia mecánica, buena tenacidad y cierto grado de ductilidad para evitar fracturas frágiles. Un material adecuado debe presentar una buena combinación de resistencia y ductilidad, lo que lo hace ideal para soportar cargas dinámicas y esfuerzos cíclicos en engranajes.

Características principales de los ensayos de impacto: Tipos y explicación

Los ensayos de impacto evalúan la tenacidad de un material, es decir, su capacidad para absorber energía antes de fracturarse. Los tipos principales son:

• Ensayo Charpy: Se emplea una probeta con una entalla central que es golpeada en su parte posterior por un péndulo, midiendo la energía absorbida en la fractura. Se utiliza para evaluar la transición de comportamiento dúctil a frágil.
• Ensayo Izod: Similar al Charpy, pero la probeta se coloca en posición vertical y el golpe se aplica en la parte superior. Se utiliza en polímeros y metales para determinar su resistencia al impacto.

Razón por la que los buques rompehielos no se fabrican con acero al carbono

En sistemas metálicos con estructura BCC (como los aceros al carbono), al bajar la temperatura, existe un intervalo de transición en el que la resiliencia disminuye bruscamente (cambio de rotura dúctil a frágil). Los aceros al carbono a temperaturas próximas a los 0ºC presentan valores de resiliencia muy bajos, lo que indica que su temperatura de transición dúctil-frágil es baja. Por esta razón, no son adecuados para aplicaciones en ambientes fríos como los rompehielos, donde se requiere alta tenacidad a bajas temperaturas.

Resultados del ensayo Charpy en aceros del Titanic y su contribución al accidente

A -2°C, la energía absorbida por el 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.

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

• Brinell: Se utilizan bolas de acero como indentadores, dejando una huella circular.
• Vickers: En este ensayo se utiliza una punta de diamante (pirámide de base cuadrada) para poder realizar el ensayo en todo rango de durezas, dejando un rombo como huella.

La principal diferencia es el indentador y la forma de la huella. Además, en el ensayo Vickers, en lugar de cambiar el penetrador como en el ensayo Brinell, se cambia la carga para adaptarse a diferentes durezas.

Características del ensayo de dureza Rockwell

El ensayo de dureza Rockwell consiste en aplicar una precarga de 10 kg y leer la altura inicial de la huella. A continuación, se realiza la indentación durante el tiempo necesario con la carga principal. Por último, se retira la carga principal, se vuelve a aplicar la precarga de 10 kg y se mide la altura final de la huella tras la recuperación elástica del material. La dureza se calcula a partir de la diferencia de profundidad entre la precarga y la carga principal.

Zonas observables en una rotura por fatiga

En una rotura por fatiga se pueden observar las siguientes zonas:

• Zona de Inicio: Donde comienza la grieta por fatiga, a menudo en un punto de concentración de tensiones.
• Zona de Propagación: Donde la grieta se extiende gradualmente con estrías características (líneas de playa o marcas de crecimiento).
• Zona de Transición: Área entre la propagación y la fractura final, con estrías menos definidas.
• Zona Final de Fractura: Donde ocurre la rotura completa de forma súbita, con una superficie rugosa y granular, debido a que la sección restante no puede soportar la carga.
• Zona de Conexión: A veces se observa un patrón de "marcado de playa" que indica la conexión de múltiples puntos de inicio o la progresión de la grieta.