Mecanismos de Endurecimiento y Propiedades Mecánicas de Materiales

Propiedades Mecánicas II

Mecanismos de Endurecimiento

La deformación plástica implica el movimiento de dislocaciones. Cualquier restricción al avance de estas dislocaciones incrementa la tensión necesaria para activar el sistema de deslizamiento, lo que resulta en el endurecimiento del material.

Tipos de Endurecimiento

• Endurecimiento por deformación
• Endurecimiento por solución sólida
• Endurecimiento por precipitación
• Endurecimiento por reducción del tamaño de grano

Endurecimiento por Deformación

Consiste en el aumento de la resistencia cuando el material ha sido deformado plásticamente. La deformación plástica en frío genera nuevas dislocaciones, y el aumento en la densidad de dislocaciones dificulta la posterior deformación plástica. Un material endurecido por deformación requiere mayores esfuerzos para su conformado, necesitando máquinas de mayor capacidad. Sin embargo, si se considera este efecto en el diseño de una pieza, el aumento de la resistencia del producto puede suponer un ahorro en peso y coste del material.

Endurecimiento por Solución Sólida

Se produce al introducir átomos de soluto en la red cristalina del disolvente. Estos átomos pueden ocupar intersticios o sustituir átomos del disolvente:

• Si el soluto tiene un radio menor, los átomos de disolvente circundantes quedan sometidos a tracción.
• Si el soluto tiene un radio mayor, los átomos de disolvente circundantes quedan sometidos a compresión.

En ambos casos, se produce una distorsión de la red que dificulta el movimiento de las dislocaciones. Esto mejora las propiedades mecánicas (como la resistencia), pero generalmente empeora la ductilidad, la resistencia a la corrosión y la conductividad eléctrica (σ eléctrica).

Endurecimiento por Reducción del Tamaño de Grano

El borde de grano actúa como una barrera que dificulta el deslizamiento de las dislocaciones, debido a la diferente orientación cristalina (ángulo) entre granos adyacentes. Cuanto menor es el tamaño de grano, mayor es la superficie total de bordes de grano y, por tanto, mayor es el endurecimiento.

Comportamiento Mecánico en Otros Materiales

Materiales Cerámicos

• Tipo de enlace (iónico/covalente): Confiere elevada dureza y fragilidad.
• Módulo de Young (E): Generalmente independiente del tiempo de carga. El módulo de Young de los cerámicos suele ser mayor que el de los metales (E_cerámicos > E_metales), lo que implica mayor rigidez. Combinado con su baja densidad, resulta en módulos específicos (E/densidad) altos.

¿Por qué los metales son dúctiles y las cerámicas frágiles?

• Metales: Los electrones deslocalizados en el enlace metálico permiten que las dislocaciones deslicen y trepen con relativa facilidad, facilitando la deformación plástica (ductilidad).
• Cerámicos: El movimiento de las dislocaciones es muy difícil debido a la naturaleza direccional y fuerte de los enlaces iónicos y covalentes, y a la necesidad de mantener la neutralidad de carga, lo que conduce a la fractura frágil.

Materiales Poliméricos

Factores que influyen en el comportamiento mecánico:

Los polímeros suelen tener regiones amorfas y cristalinas. Sus propiedades mecánicas dependen en gran medida del grado de cristalinidad.

• Cristalinidad: Aumenta con el grado de empaquetamiento de las cadenas poliméricas. Se favorece por:
  • Bajo peso molecular (cadenas más cortas facilitan el ordenamiento).
  • Regularidad estructural de las cadenas.
  El porcentaje de cristalinidad se puede estimar mediante la fórmula: % Cristalinidad = [ ρ_c ( ρ - ρ_a ) ] / [ ρ ( ρ_c - ρ_a ) ], donde ρ es la densidad del polímero, ρ_c la densidad de la fase cristalina pura y ρ_a la densidad de la fase amorfa pura. Generalmente, ρ_{polímero cristalino} > ρ_{polímero amorfo}.
• Otros factores:
  • Introducción de grupos laterales voluminosos (dificultan la cristalización).
  • Presencia de grupos polares (aumentan las fuerzas intermoleculares).
  • Pre-deformación (orientación de cadenas).

Deformación Macroscópica:

Durante la deformación, especialmente cuando aparece la estricción (reducción localizada de la sección transversal), los segmentos de cadena tienden a orientarse en la dirección del esfuerzo aplicado. Esta orientación aumenta la resistencia en la zona de estricción. Como resultado, la estricción tiende a propagarse a lo largo de la muestra en lugar de concentrarse y provocar una fractura inmediata, permitiendo una mayor deformación total.

Dureza de los Materiales

La dureza es la resistencia que presenta la superficie de un material a ser rayada o a sufrir deformación permanente (plástica) por penetración.

Escala de Mohs

Una escala cualitativa de dureza al rayado, ordenada de menor a mayor dureza:

1. Talco
2. Yeso
3. Calcita
4. Fluorita
5. Apatito
6. Feldespato (Ortosa)
7. Cuarzo
8. Topacio
9. Corindón
10. Diamante