Fundamentos de la Ciencia de Materiales: Propiedades Físicas, Mecánicas y Tratamientos Térmicos del Acero

Propiedades Fundamentales de los Materiales Industriales

Propiedades Mecánicas y de Deformación

• Dureza: Es la resistencia de un material a ser rayado o perforado.
• Tenacidad: Es la energía que un material puede absorber antes de romperse.
• Resistencia Mecánica: Es la capacidad que tiene un material de resistir esfuerzos sin deformarse permanentemente o romperse.
• Deformabilidad: Es la capacidad de un material para deformarse fácilmente. Los materiales pueden ser deformables (elásticos o plásticos) o rígidos. Los elásticos recuperan su forma, mientras que los plásticos permanecen deformados.
• Ductilidad: Es la capacidad de un material de extenderse en hilos.
• Maleabilidad: Es la capacidad de un material de extenderse en láminas.
• Fatiga: Es la capacidad de un material para fracturarse debido a esfuerzos repetitivos, incluso si son inferiores a su tensión de ruptura.

Propiedades Eléctricas, Térmicas y Magnéticas

• Resistencia Eléctrica (R): Es la oposición que presenta un material al paso de la corriente a través de él.
• Resistividad (p): Es la resistencia que ofrece al paso de la corriente un material de 1 m de longitud (L) y 1 m² de sección (S).
• Conductividad Térmica: Es la capacidad de un material para permitir el paso del calor a través de él.
• Dilatación Térmica: Es la capacidad de un material de aumentar de tamaño cuando aumenta la temperatura.
• Calor Específico (c): Es la cantidad de calor que necesita un cuerpo para aumentar su temperatura sin cambiar de fase.
• Densidad (p o d): Es la relación entre la masa de un material (m) y el volumen que ocupa (V).
• Puntos de Cambio de Fase: El punto de congelación, ebullición y fusión son temperaturas específicas en las que un material cambia de líquido a sólido, de líquido a gas y de sólido a líquido, respectivamente.
• Comportamiento Magnético: Es la respuesta de un material ante un campo magnético externo.

Ensayos de Caracterización de Propiedades

Ensayos Mecánicos Comunes

• Dureza (Ensayo Brinell, Rockwell y Vickers): Consiste en presionar una esfera o pirámide contra el material y medir la huella para determinar la resistencia al rayado o perforado.
• Tenacidad (Ensayo de Impacto Charpy): Se somete una muestra a un golpe súbito y se mide la energía absorbida antes de romperse.
• Resistencia Mecánica, Deformabilidad y Ductilidad (Ensayo de Tracción): Se aplica una fuerza creciente a un material hasta que se deforma o rompe, midiendo su resistencia. Este ensayo también mide cuánto se deforma un material cuando se somete a esfuerzos, distinguiendo entre comportamientos elásticos y plásticos, y evalúa la capacidad del material para estirarse en forma de hilos sin romperse.

Tratamientos Térmicos del Acero

Factores Clave que Influyen en el Proceso

• Temperatura de Calentamiento: Afecta directamente la transformación de la estructura cristalina (por ejemplo, la austenización).
• Velocidad de Enfriamiento: Determina las propiedades finales obtenidas, como la dureza o la plasticidad.
• Tiempo de Exposición al Calor: Influye en la homogeneización y la transformación estructural completa del material.
• Medio de Enfriamiento: Puede ser agua, aceite, aire o un horno, y afecta la rapidez del enfriamiento.
• Composición Química del Acero: El contenido de carbono y otros elementos (como cromo o níquel) define la capacidad de endurecimiento o elasticidad del material.

Tipos de Tratamientos Térmicos

• Recocido: Consiste en el calentamiento y enfriamiento lento en horno para eliminar tensiones internas, mejorar la plasticidad y facilitar el mecanizado.
• Normalizado: Similar al recocido, pero enfriado al aire. Se usa para corregir defectos y devolver el acero a un estado estructural original y uniforme.
• Temple: Implica el calentamiento por encima de la temperatura de austenización seguido de un enfriamiento rápido para aumentar drásticamente la dureza y la resistencia.
• Revenido: Es un calentamiento suave y enfriado rápido aplicado tras el temple, cuyo objetivo es reducir la fragilidad y mejorar la plasticidad del material.

Efectos de los Tratamientos Térmicos en las Propiedades del Acero

• Dureza: Aumenta notablemente debido a la formación de martensita, una estructura cristalina muy rígida.
• Tenacidad: Disminuye, ya que el enfriamiento rápido introduce tensiones internas que hacen el material más frágil. Este efecto puede mitigarse mediante el revenido posterior.
• Resistencia Mecánica: Incrementa significativamente, mejorando la capacidad del acero para soportar cargas sin deformarse permanentemente.
• Fatiga: Puede mejorar o empeorar dependiendo del alivio de tensiones logrado mediante el revenido. Tensiones residuales excesivas pueden reducir la vida útil del material.
• Deformabilidad: Se reduce, ya que el material se vuelve más rígido y menos dúctil después del temple.