Mecanismos de Difusión y Caracterización Mecánica de Materiales

Mecanismos de Difusión Atómica en Redes Cristalinas

Los principales mecanismos de difusión atómica en las redes cristalinas son:

1. Mecanismo de Difusión por Vacantes o Sustitucional

Los átomos se moverán desde sus posiciones atómicas a otras, si hay suficiente energía de activación y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la red para que los átomos puedan desplazarse a otras posiciones. Se puede dar en:

• Metales puros: En este caso se denomina autodifusión.
• Soluciones sólidas: En este caso, el tamaño relativo de los átomos y las energías de enlace entre ellos son factores que afectan directamente la velocidad de difusión.

2. Mecanismo de Difusión Intersticial

Los átomos se moverán de una posición a otra vecina sin desplazar a ninguno de los átomos de la red cristalina. Un factor importante en la efectividad de este mecanismo de difusión es el tamaño de los átomos que se difunden. Cuanto más pequeño sea el átomo intersticial en comparación con el de la matriz, más efectiva será la difusión intersticial.

Variables que Afectan el Coeficiente de Difusión

• Mecanismo de difusión (intersticial o sustitucional)
• Estructura cristalina
• Defectos cristalinos presentes (vacancias, bordes de grano)
• Concentración de soluto
• Temperatura

Difusión en Estado No Estacionario

Para los casos de difusión en estado no estacionario, en los que el coeficiente de difusión es independiente del tiempo, la Segunda Ley de Fick establece que la velocidad de cambio de la composición es proporcional a la velocidad de cambio del gradiente.

Empaquetamientos Densos

Se forman a partir de átomos idénticos que se enlazan mediante fuerzas no direccionales (oro, plata, cobre, etc.). Al tener los átomos o iones el mismo tamaño, la relación de radios es 1 y su número de coordinación es 12.

Ocupación de Huecos

Depende de la estequiometría y el tamaño de los iones.

Principales Propiedades Mecánicas de los Materiales

Propiedades Volumétricas

• Dureza
• Tenacidad
• Resistencia (tracción, creep, fatiga, impacto)
• Ductilidad-Fragilidad

Propiedades de Superficie

• Resistencia al desgaste
• Resistencia a la corrosión

Principales Ensayos Mecánicos

• Ensayo de Tracción
• Ensayo de Dureza
• Ensayo de Impacto
• Ensayo de Flexión
• Ensayo de Termofluencia y de Fatiga

Ensayo de Tracción

Estiramiento del metal o aleación a velocidad constante hasta la ruptura.

Condiciones del Ensayo de Tracción

• Temperatura y velocidad de deformación constantes.
• Puede ser realizado a varias temperaturas.

Magnitudes Medidas en el Ensayo de Tracción

• Fuerza
• Alargamiento
• Estricción

Propiedades Determinadas por el Ensayo de Tracción

• Módulo de elasticidad
• Límite de fluencia
• Resistencia máxima
• Alargamiento total

1. Materiales que exhiben ambas deformaciones: elástica y plástica.
2. Materiales que no muestran deformación plástica y se fracturan después de una pequeña deformación elástica.
3. Materiales que exhiben una deformación elástica muy grande.

Límite Elástico y Resistencia a la Tensión

Se ha establecido que el límite elástico es el esfuerzo con el que el material alcanza una deformación plástica del 0.2 %. La convención de este valor se debe a que es difícil determinar el valor exacto del límite de fluencia o límite elástico.

Ensayo de Dureza

Condiciones del Ensayo de Dureza

• Temperatura constante, generalmente la ambiente.

Magnitudes Medidas en el Ensayo de Dureza

• Fuerza
• Área (o penetración) de la indentación

Propiedades Determinadas por el Ensayo de Dureza

• Dureza de acuerdo a las escalas HRC, HB, HV, etc.

Ensayo de Impacto

Este ensayo mide la energía absorbida por el material antes de fracturarse y corresponde a la tenacidad del metal o aleación. Se convierte en una determinación importante en ingeniería cuando se considera la capacidad de un material para resistir impactos.

Características del Ensayo de Impacto

La energía de impacto se expresa en [kg·m/cm²]. Se considera como sección la de la probeta en el lugar de la entalla.

• Condiciones del ensayo: Se realiza a distintas temperaturas. Alta velocidad de aplicación de la carga.
• Magnitudes medidas: Energía absorbida por el material.
• Propiedades determinadas: Resistencia al impacto, temperatura de transición dúctil-frágil.