Fundamentos de la Ciencia de Materiales: Microestructura, Defectos y Propiedades

Micrografía: Proceso y Etapas

La micrografía es el estudio de la microestructura de los materiales. El proceso consta de las siguientes etapas:

1. Identificación del material: Determinar el material que se va a estudiar.
2. Toma de la muestra: Se han de tomar varias muestras del material para obtener una idea de sus diferentes estructuras.
3. Empastillado: Se introduce la muestra en una pastilla hecha a base de resina. Esto ayuda a trabajar mejor con el material. Se puede realizar en frío o en caliente.
4. Desbaste y pulido: Se girará la pastilla 90º cada vez que desaparezcan las rayas de la superficie. El desbaste se realizará con la pastilla húmeda.
5. Limpieza: Después de cada operación, se lava con jabón y agua.
6. Ataque químico: Se ataca la pastilla con elementos reactivos para observar mejor la microestructura.
7. Observación microscópica: Realizados todos los procesos, se procede a la observación.

Fundición Blanca y Gris

Composición y Propiedades

• Fundición Gris:
  • Composición: Carbono (C) 2.5-4%, Silicio (Si) 1.3%.
  • Propiedades: Frágil y poco resistente a la tracción.
• Fundición Blanca:
  • Composición: Menos del 1% de Silicio (Si).
  • Propiedades: Contiene gran cantidad de cementita. Es extremadamente dura y muy frágil, por lo que es muy difícil de mecanizar.

Clasificación General de Materiales

• Metálicos: Poseen buena resistencia mecánica, ductilidad, formabilidad, conductividad eléctrica y térmica, y resistencia moderada a altas temperaturas.
• Cerámicos: Son resistentes, aislantes térmicos y eléctricos. Por lo general, resisten el daño por ambientes corrosivos y altas temperaturas. Son inherentemente frágiles.
• Polímeros: Presentan baja resistencia mecánica, no soportan altas temperaturas. Tienen buena resistencia a la corrosión y son buenos aislantes térmicos y eléctricos. Pueden ser dúctiles o frágiles.

Ensayos de Dureza

• Brinell: Adecuado para materiales blandos.
• Vickers: Utilizado para materiales duros y frágiles.
• Rockwell: Aplicable a todos los tipos de materiales.

Recristalización y Mecanismos de Endurecimiento

Temperatura de Recristalización

Es aquella a la que se obtiene una estructura granular completamente nueva en un periodo de 1 hora. Se disminuye mediante ablandamiento o contraacritud (700-600ºC).

Mecanismos de Endurecimiento

• Reducción del tamaño de grano: Un grano fino es más duro y resistente que uno de grano grueso, porque el grano fino tiene un área de límite de grano mayor y requiere más trabajo para que se muevan las dislocaciones.
• Disolución Sólida: Las aleaciones son más resistentes debido a que los átomos del soluto distorsionan la red en los átomos vecinos, produciendo tensiones internas que endurecen el material.
• Deformación (en frío): Es un proceso por el cual un material dúctil se hace más duro y resistente a medida que se deforma plásticamente, aumentando su Límite Elástico (Lim. Elast.).

Defectos en la Estructura Cristalina

Defectos Puntuales

• Vacantes o Huecos: Ausencia de átomos en la posición que deberían ocupar.
• Defectos Intersticiales: Un átomo adicional se sitúa en una posición desocupada.
• Defectos Sustitucionales: Un átomo de la red cristalina que ocupa un nodo normal es sustituido por otro de diferente naturaleza (mayor o menor tamaño).
• Defecto de Frenkel: En una estructura cristalina iónica, un ión pasa de un vértice normal a una posición intersticial, produciendo un intersticio-vacante.
• Defecto de Schottky: En una estructura cristalina iónica, se originan dos huecos (vacante-vacante) que corresponden a un anión y un catión, manteniendo el equilibrio eléctrico.

Defectos Lineales

• Dislocación de Arista: Poseen distinto número de átomos a través de dos filas del cristal. Se origina por perturbaciones intersticiales o por la introducción de un plano adicional de átomos.
• Dislocación de Tornillo: Se produce el deslizamiento de parte de la red, respecto a un plano, generado por una fuerza tangencial.
• Dislocación Mixta.

Defectos Superficiales

• Límites de Grano: Imperfecciones que aparecen en las superficies de materiales policristalinos donde hay un cambio de orientación de los planos del cristal. Las fronteras son regiones donde hay desorden estructural.
• Maclas: Defectos en la orientación del grano. Un plano o límite de maclas separa porciones del material cuyas orientaciones son imágenes especulares.
• Defecto de Apilamiento o Falla: Se produce cuando hay un error en la secuencia de apilamiento.

Difusión y Tamaño de Grano

Leyes de Fick

1. Primera Ley (Flujo Estacionario): Se aplica cuando las concentraciones no varían a lo largo del tiempo. Se da un flujo estacionario.

   Fórmula: J = -D (dC/dx)

2. Segunda Ley (Flujo No Estacionario): En la mayoría de los casos, la difusión tiene lugar en estado no estacionario, donde la concentración del soluto varía con el tiempo de un punto a otro del material.

   Fórmula (Solución para condiciones específicas): (Cs - Cx) / (Cs - C0) = Erf(x / 2 * sqrt(D*t)) (Ajuste de la notación original a la forma estándar de la función error).

Tamaño de Grano

• Vn (Velocidad de Nucleación): Número de núcleos que se forman por unidad de tiempo.
• Vc (Velocidad de Crecimiento): Velocidad con la que crecen los granos durante la solidificación.

Ambas velocidades (Vn y Vc) dependen de la temperatura, el volumen y el tiempo. El estudio conjunto de Vn y Vc ofrece información crucial sobre el grano resultante.