Propiedades Mecánicas y Fenómenos Nucleares en Materiales

Fundamentos de la Ciencia de Materiales

1. ¿Qué son las dislocaciones?

La red cristalina nunca es perfecta; siempre presenta dislocaciones. Estas imperfecciones cristalinas pueden comenzar y terminar en la superficie del cristal, o bien formar bucles y redes de dislocaciones dentro del propio cristal.

2. ¿Cuándo se alcanza el mínimo de energía en un sistema de partículas?

El mínimo de energía en un sistema de partículas se alcanza cuando, en una red cristalina, todos los átomos ocupan posiciones donde las fuerzas de atracción y repulsión se equilibran, resultando en una configuración estable.

3. ¿En qué consiste el sistema de deslizamiento?

El sistema de deslizamiento se refiere a la combinación específica de planos cristalográficos y direcciones cristalográficas a lo largo de las cuales puede ocurrir la deformación plástica por deslizamiento en un material. Las posibilidades de deslizamiento son el producto del número de planos y direcciones de deslizamiento disponibles en una celda unitaria.

4. ¿Cómo se puede incrementar la dureza de un material?

La dureza de un material puede incrementarse mediante diversas estrategias, todas ellas orientadas a dificultar el movimiento de las dislocaciones:

• Prevención del deslizamiento de dislocaciones: Dificultando su movimiento.
• Trabajo en frío (endurecimiento por deformación): Deformación plástica que aumenta la densidad de dislocaciones y sus interacciones.
• Endurecimiento por solución sólida: Introducción de átomos sustitucionales o intersticiales que distorsionan la red cristalina y obstaculizan el movimiento de dislocaciones.
• Endurecimiento por precipitación: Formación de precipitados (segundas fases) que actúan como barreras para el movimiento de dislocaciones.
• Reducción del tamaño de grano: Un menor tamaño de grano implica una mayor cantidad de límites de grano, que actúan como barreras al movimiento de dislocaciones.

5. Tipos de endurecimiento por dispersión

Los tipos de endurecimiento por dispersión se clasifican según la relación de coherencia entre la fase dispersa y la matriz:

• Coherente: La fase dispersa mantiene una relación cristalográfica continua con la matriz.
• Semi-coherente: Existe una coherencia parcial, con algunas dislocaciones en la interfaz.
• Incoherente: No hay relación cristalográfica entre la fase dispersa y la matriz.

Mecánica de la Fractura y Deformación

6. ¿Qué es la fractura?

La fractura es la separación de un sólido en dos o más partes bajo la aplicación de un esfuerzo.

7. ¿Qué es el Módulo de Young?

El Módulo de Young (o módulo de elasticidad longitudinal) es un parámetro elástico que caracteriza la rigidez de un material, es decir, su resistencia a la deformación elástica bajo esfuerzo de tensión o compresión.

8. ¿Qué es la Mecánica de la Fractura?

La Mecánica de la Fractura es la rama de la mecánica de materiales que estudia los mecanismos y procesos de propagación de grietas en sólidos, así como las condiciones bajo las cuales estas grietas se inician y crecen.

9. ¿Qué es la resistencia a la fractura?

La resistencia a la fractura es la capacidad de un material para resistir la propagación de una grieta existente. Se refiere al valor crítico de esfuerzo o factor de intensidad de esfuerzos a partir del cual una grieta comienza a propagarse de manera inestable.

10. ¿Qué es el factor geométrico?

En el contexto de la mecánica de la fractura, el factor geométrico (o factor de forma) es un parámetro adimensional que se utiliza para ajustar el factor de intensidad de esfuerzos (K) en función de la geometría de la grieta y la configuración de la carga en un componente. Su valor depende de la forma y tamaño de la grieta, así como de la geometría del cuerpo donde se encuentra.

11. ¿Qué es el esfuerzo de tensión?

El esfuerzo de tensión es la fuerza por unidad de área que actúa perpendicularmente a una sección transversal de un material, tendiendo a elongarlo o estirarlo. Es una medida de las fuerzas internas que resisten la deformación por tracción.

12. ¿Qué es la fractura dúctil?

La fractura dúctil es un tipo de fractura que ocurre después de una deformación plástica significativa del material. Se caracteriza por una propagación lenta de la grieta, acompañada de una considerable absorción de energía y, a menudo, por la formación de un 'cuello' en la zona de fractura.

13. ¿Qué es la difusión en el límite de grano?

La difusión en el límite de grano es un mecanismo de transporte atómico que ocurre preferentemente a lo largo de los límites de grano en un material policristalino. Es significativamente más rápida que la difusión a través del volumen del grano (difusión volumétrica) debido a la estructura más abierta y desordenada de los límites de grano, facilitando el movimiento de átomos (tanto sustitucionales como intersticiales).

14. ¿Qué es la fluencia?

La fluencia (creep) es la deformación plástica dependiente del tiempo que experimenta un material bajo una carga constante y, generalmente, a temperaturas elevadas (superiores a 0.4 veces la temperatura de fusión absoluta). A diferencia de la deformación elástica, la fluencia es una deformación permanente e irrecuperable.

15. Mecanismos de fluencia

Los principales mecanismos de fluencia incluyen:

• Fluencia por difusión (Nabarro-Herring y Coble): Implica el movimiento de átomos por difusión a través del volumen del grano (Nabarro-Herring) o a lo largo de los límites de grano (Coble).
• Fluencia por deslizamiento de dislocaciones (escalada y deslizamiento): Involucra el movimiento y la escalada de dislocaciones.
• Deslizamiento de límites de grano: Movimiento relativo de granos adyacentes a lo largo de sus límites.

Fenómenos Nucleares y Radiactividad

16. ¿Qué son las radiaciones ionizantes?

Las radiaciones ionizantes son fotones o partículas (como electrones, protones, neutrones, partículas alfa) que poseen energía suficiente para arrancar electrones de los átomos o moléculas con los que interactúan, creando iones. Son emitidas en procesos nucleares, como el decaimiento radiactivo, o generadas artificialmente.

17. Ejemplos de decaimiento nuclear y la radiación que producen

A continuación, se describen cuatro ejemplos típicos de decaimiento nuclear y la radiación que producen:

• Decaimiento Alfa (α): Un núcleo inestable emite una partícula alfa (núcleo de helio-4, compuesto por dos protones y dos neutrones). Produce radiación alfa.
• Decaimiento Beta (β): Un núcleo inestable emite un electrón (β-) o un positrón (β+). Este proceso implica la transformación de un neutrón en un protón (β-) o un protón en un neutrón (β+). Produce radiación beta.
• Decaimiento Gamma (γ): Ocurre cuando un núcleo excitado libera exceso de energía en forma de un fotón de alta energía (onda electromagnética). A menudo sigue a otros tipos de decaimiento. Produce radiación gamma.
• Fisión Espontánea: Un núcleo pesado se desintegra espontáneamente en dos o más núcleos más pequeños, liberando neutrones y energía. Produce radiación neutrónica y fragmentos de fisión.