Fundamentos de Ciencia de Materiales: Difusión, Propiedades Mecánicas y Fallos

1. Difusión en Materiales

• Autodifusión: Movimiento de átomos dentro de un material puro; no hay cambio de composición.
• Interdifusión: Ocurre entre átomos de distintos materiales, produciendo un gradiente de concentración y cambios en la composición.
• Coeficiente de difusión (D): Indica la rapidez con la que un material se difunde. Cuanto mayor es el valor, más rápida es la difusión. Depende principalmente de la temperatura, del material y del mecanismo de difusión.
• 2ª Ley de Fick: La ecuación describe la variación de la concentración con la distancia y el tiempo. Indica que la penetración de la difusión aumenta con el producto Dt.

2. Propiedades Mecánicas y Comportamiento

• Ductilidad: Capacidad de un material para deformarse plásticamente antes de romper. Un material que no es dúctil se denomina frágil.
• Tenacidad: Capacidad de un material para absorber energía antes de romper; corresponde al área bajo la curva tensión-deformación.
• Resiliencia vs. Tenacidad:
  • Tipo de deformación: Resiliencia (elástica) vs. Tenacidad (elástica + plástica).
  • Energía: Resiliencia (energía absorbida sin deformación permanente) vs. Tenacidad (energía total hasta la rotura).
  • Gráficamente: Resiliencia (área bajo la curva en zona elástica) vs. Tenacidad (área total bajo la curva).
• Anelasticidad vs. Elasticidad: La elasticidad ideal implica deformación instantánea y reversible; la anelasticidad presenta un retraso temporal.

3. Mecanismos de Endurecimiento y Dislocaciones

• Endurecimiento por deformación: Aumenta la densidad de dislocaciones, las cuales se estorban entre sí, dificultando la deformación.
• Movimiento de dislocaciones: A mayor temperatura, aumenta la energía térmica y la difusión, facilitando el movimiento.
• Mecanismos de endurecimiento: Reducción del tamaño de grano, solución sólida y deformación en frío. Todos dificultan el movimiento de dislocaciones.
• Límites de grano: Los de ángulo pequeño son menos efectivos porque las dislocaciones pueden atravesarlos con mayor facilidad.

4. Fractura, Fatiga y Transiciones

Transición Dúctil-Frágil

Factores influyentes: temperatura baja, alta velocidad de deformación y estado de tensiones (tracción triaxial o entallas).

Fractura por Fatiga

Fallo debido a cargas cíclicas. Presenta dos zonas: una lisa (propagación de grieta) y una rugosa (rotura final rápida). En materiales férreos existe un límite de fatiga, mientras que en los no férreos la curva S-N sigue descendiendo.

5. Procesos y Casos Especiales

• Nitruración vs. Carburización: La nitruración requiere menor temperatura debido a una menor energía de activación.
• Materiales cerámicos: No endurecen por deformación a temperatura ambiente al ser frágiles.
• Metales (Pb, Sn): No endurecen a temperatura ambiente al estar cerca de su temperatura de recristalización.
• Termofluencia (Cu vs. Sn): El cobre resiste mejor la deformación a altas temperaturas.