Fundamentos de las Propiedades Termodinámicas, Eléctricas y Magnéticas en Materiales Industriales

Propiedades y Características Termodinámicas: Difusión

La difusividad (D) es una propiedad crítica en la ciencia de materiales, influenciada por diversos factores:

Factores que Incrementan la Difusividad (+D)

• Temperatura (+T): Es el factor más importante, ya que la energía de activación requerida es menor.
• Concentración: Un mayor gradiente de concentración.
• Estructuras Cristalinas Abiertas: Facilitan el movimiento atómico.
• Área de Borde de Grano: Los límites de grano son caminos de alta difusividad.

Relación entre Difusividad y Materiales

• Alta Difusividad (D ALTA): Materiales con bajo punto de fusión (menor energía de activación, Ea), baja densidad y presencia de cationes.
• Baja Difusividad (D BAJA): Materiales con alto punto de fusión (mayor energía de activación, Ea), baja densidad y presencia de aniones.

Comparación de Difusividad

D_metales > D_cerámicos / D_polímeros > D_{semicristalinos}

Leyes de Fick y Fuerza Impulsora

• 1ª Ley de Fick: La fuerza impulsora es el gradiente de concentraciones.
• 2ª Ley de Fick: La fuerza impulsora es la variación del gradiente de concentraciones.

Ejemplo: La difusividad (D) en el Hierro (Fe) con estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC) se correlaciona con un aumento de la conductividad térmica al disminuir las impurezas.

Propiedades y Características Eléctricas

Semiconductores

• Intrínsecos: La conducción se debe a electrones y huecos. A mayor temperatura, mayor conductividad.
• Extrínsecos - Tipo N (Negativo): La conducción se debe principalmente a electrones. Ejemplo: Germanio (Ge) dopado con Arsénico (As) (valencias +4 y +5).
• Extrínsecos - Tipo P (Positivo): La conducción se debe principalmente a huecos. Ejemplo: Galio (Ga) dopado con Germanio (Ge) (valencias +3 y +4).

Los compuestos electrónicos suelen ser frágiles y malos conductores. La resistencia eléctrica de un material no se ve afectada por el tiempo de aplicación de la carga. El compuesto CuZn3 es frágil y mal conductor.

Propiedades y Características Magnéticas

Clasificación de Materiales Magnéticos

Diamagnetismo

• En ausencia de campo magnético (H=0), no presentan magnetización.
• En presencia de campo magnético (H≠0), los dipolos se orientan en sentido opuesto.
• Permeabilidad relativa (µ_r) < 1.
• Susceptibilidad magnética (X_m) < 0.
• La densidad de flujo (B) disminuye ligeramente con el aumento de la intensidad de campo (H).

Paramagnetismo

• En ausencia de campo magnético (H=0), los dipolos están orientados al azar.
• En presencia de campo magnético (H≠0), los dipolos se orientan en la dirección del campo.
• Permeabilidad relativa (µ_r) > 1.
• Susceptibilidad magnética (X_m) > 0.
• La densidad de flujo (B) aumenta ligeramente con el aumento de la intensidad de campo (H). (Magnetismo débil que solo existe mientras H está presente).

Ferromagnetismo y Ferrimagnetismo

• Ferromagnetismo: Típico de metales.
• Ferrimagnetismo: Típico de cerámicos.
• Ambos presentan dominios magnéticos: en cada dominio, los dipolos están alineados, pero la dirección de alineación varía entre dominios.
• Ambos logran un gran aumento de la densidad de flujo (B) con poca intensidad de campo (H).

Clasificación según Histéresis

Materiales Magnéticos Blandos

• Área del ciclo de histéresis pequeña (menores pérdidas de energía).
• Alta permeabilidad inicial (+µ_i).
• Baja remanencia (+B_r).
• Baja coercitividad (-H_c).
• Fáciles de magnetizar y desmagnetizar.
• Ejemplo: Núcleos de transformadores.

Materiales Magnéticos Duros

• Área del ciclo de histéresis grande (mayores pérdidas de energía).
• Alta densidad de flujo de saturación (+B_s).
• Alta remanencia (+B_r).
• Alta coercitividad (+H_c).
• Baja permeabilidad (-µ).
• Difíciles de magnetizar y desmagnetizar.
• Ejemplo: Imanes permanentes (suelen tener estructura de grano fino).

La mayor dureza magnética (+BH) se logra con un solo dominio y una única orientación. Valores mayores de la densidad de flujo de saturación (B_s) no afectan directamente a la magnetización residual.

Glosario de Parámetros Magnéticos

H = Intensidad del campo magnético exterior
B = Densidad de flujo magnético
µ = Permeabilidad
µ_r = Permeabilidad magnética relativa
X_m = Susceptibilidad magnética
B_s = Densidad de flujo de saturación
M_s = Magnetización de saturación
B_r = Remanencia (Flujo residual)
H_c = Coercitividad (Campo necesario para desmagnetizar)

Características Mecánicas

Tipos de Deformación Dependiente del Tiempo

• Deformación Viscoelástica: Deformación no permanente que depende del tiempo de aplicación de la carga.
• Deformación Viscoplástica: Deformación permanente que depende del tiempo o que aumenta con el tiempo de aplicación de la carga.

Un elastómero presenta una deformación elástica no lineal. Un bajo límite elástico indica la existencia de dislocaciones.

Caso de Estudio: La retirada de álabes como sustituto del titanio tras un impacto de pájaro resulta en una baja tenacidad interlaminar (típico en materiales compuestos). La respuesta del material no depende del tiempo de aplicación de la carga si esta es constante (comportamiento puramente elástico).

Resumen de Correlaciones de Propiedades

Efecto de la Temperatura y Otros Factores

Factores que Disminuyen las Propiedades Mecánicas

Un aumento en los siguientes factores generalmente resulta en una disminución de las características mecánicas, la fragilidad, la velocidad de deformación, el tiempo de aplicación, la acritud, el número de impurezas, la temperatura de recristalización, la deformación plástica, la pureza, la tensión, la energía requerida para mover dislocaciones, el módulo elástico (E) y la rigidez.

Factores que Aumentan la Ductilidad

Un aumento en los siguientes factores generalmente resulta en un aumento del alargamiento, la ductilidad, el número de sistemas de deslizamiento y el número de dislocaciones, mientras que disminuye la coordinación atómica (Zc).