Ciencia e Ingeniería de Materiales: Propiedades, Estructuras y Ensayos Fundamentales

Alotropía: Conceptos Fundamentales

La alotropía es la propiedad por la que algunos elementos presentan diferentes redes cristalinas en función de la presión y la temperatura a la que se encuentran.

Tipos de Esfuerzos Mecánicos

• Tracción: Existen dos fuerzas de igual sentido pero distinta dirección que actúan sobre un cuerpo, provocando su alargamiento.
• Compresión: Existen dos fuerzas de igual sentido y dirección que actúan sobre un cuerpo, provocando su ensanchamiento.
• Torsión: Se produce por la acción de dos fuerzas que giran en sentidos opuestos.
• Cortadura (Cizallamiento): Se produce por la acción de dos fuerzas en sentidos contrarios pero muy próximas entre sí.
• Flexión: Las fuerzas aplicadas están alejadas del punto de apoyo, provocando una curvatura.
• Pandeo: Es el inicio de una compresión que termina como flexión, típica en elementos con poca sección y mucha longitud.

Estructuras Cristalinas y su Disposición Atómica

Las estructuras cristalinas son aquellas en las que los átomos se disponen geométricamente formando una celda unitaria, una unidad que se repite espacialmente formando una red cristalina.

Tipos Comunes de Estructuras Cristalinas:

• Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): Elementos como el cromo y el sodio utilizan este tipo de estructura, con 9 átomos por celda unitaria.
• Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC): Elementos como el aluminio y el níquel utilizan este tipo, con 14 átomos por celda unitaria.
• Estructura Hexagonal Compacta (HCP): El titanio es un ejemplo de elemento con esta estructura, que contiene 17 átomos por celda unitaria.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

• Elasticidad: Capacidad de un material para deformarse al estar sometido a un esfuerzo y recuperar su forma inicial al cesar dicho esfuerzo (ejemplo: un muelle).
• Plasticidad: Capacidad de un material para deformarse al someterse a un esfuerzo y permanecer deformado al cesar el esfuerzo (ejemplo: arcilla).
• Ductilidad: Capacidad de un material para obtenerse en forma de cables o hilos.
• Maleabilidad: Capacidad de un material para obtenerse en forma de láminas o planchas.
• Dureza: Capacidad de un material para resistir la penetración y el rayado.
• Tenacidad: Capacidad para resistir esfuerzos constantes y prolongados sin romperse.
• Fragilidad: Facilidad para romperse por esfuerzos bruscos.
• Fatiga: Resistencia de un material cuando está sometido a esfuerzos repetitivos.
• Resiliencia: Capacidad de un material para absorber energía antes de romperse.
• Cohesión: Resistencia que ofrecen los átomos al separarse.

Ensayos de Materiales: Metodologías y Clasificación

Los ensayos de materiales se clasifican según:

• Rigurosidad de Ejecución: Pueden ser técnicos de control o científicos.
• Forma de Realización: Se dividen en destructivos y no destructivos.
• Métodos Empleados en la Determinación de Propiedades: Incluyen ensayos químicos, metalográficos, físicos, fisicoquímicos y mecánicos.

Ensayo de Tracción: Determinación de Propiedades Mecánicas

El ensayo de tracción permite estudiar la elasticidad, plasticidad y resistencia a la rotura de un material.

Probetas Utilizadas:

• Cilíndricas
• Planas

Deformaciones Elásticas y Plásticas:

Al someter un material a tensiones, este se deforma plástica o elásticamente. Las tensiones provocan deformaciones.

La tensión (T) se calcula como:

T = F/S = Newton/metro² = Pa (Pascal)

Análisis del Ensayo de Tracción:

• Zona Elástica (OE):
  • Zona Proporcional (OP): Las tensiones son proporcionales a los alargamientos.
  • Zona No Proporcional (PE): Los alargamientos no son proporcionales a las tensiones.
• Zona Plástica (ES):
  • Zona Plástica (ER): El material se deforma permanentemente.
• Zona de Rotura (RS): En el punto R, el material se rompe internamente, y en el punto S, se produce la rotura visual.

Fenómenos Específicos:

• Fluencia: Comportamiento anómalo, típico de los aceros, en el que sin aumentar la tensión se produce un alargamiento muy rápido, como si el material fluyera. Ocurre dentro de la zona plástica.
• Ley de Hooke: Establece que las tensiones son proporcionales a las deformaciones (alargamientos) en la zona proporcional (OP).

Ensayo de Dureza Brinell

El ensayo de dureza Brinell se realiza en materiales con una dureza HB < 500. Se utiliza como penetrador una bola de acero.

La dureza Brinell (HB) se calcula mediante la fórmula:

HB = F/S

• HB: Dureza Brinell (kp/mm²)
• F: Fuerza aplicada (kp)
• S: Superficie del casquete (mm²)

Metalurgia y Aleaciones: Fundamentos Esenciales

Aleaciones Metálicas:

Una aleación es una mezcla homogénea de dos o más elementos, de los cuales al menos uno es metálico, creada para mejorar sus propiedades.

Diagramas de Equilibrio de Fases:

• Isomorfos: Solubles tanto en fase líquida como sólida.
• Solubles en Fase Líquida e Insolubles en Fase Sólida.

Componentes Clave en Aleaciones de Hierro-Carbono:

• Austenita: Aleación sólida de carbono en hierro gamma (Fe-γ) con un máximo de hasta 1.7% de carbono.
• Cementita: Aleación de hierro-carbono (Fe-C) con 6.69% de carbono en hierro alfa (Fe-α), de estructura cúbica centrada.
• Ferrita: Aleación sólida de hierro-carbono (Fe-C) con 0.025% de carbono en hierro alfa (Fe-α).
• Ledeburita: Aleación eutéctica de hierro-carbono (Fe-C) que se comporta como un metal puro, con 4.3% de carbono.
• Perlita: Eutectoide que contiene una aleación de hierro-carbono (Fe-C) con 0.89% de carbono en hierro alfa (Fe-α).

Aceros: Composición y Obtención

Los aceros contienen menos del 1.7% de carbono.

Obtención de Aceros:

Se obtienen a partir de arrabio o escoria de acero mediante un proceso de refinado:

1. Afino por Oxidación: Parte del carbono se oxida a CO, que se elimina junto con impurezas como fósforo (P), silicio (Si) y azufre (S).
2. Desoxidación: Para eliminar el oxígeno (O₂) formado por los óxidos, utilizando manganeso (Mn) como agente reductor.
3. Afino Adicional: Para mayores afinos, se utilizan reductores como silicio (Si), ferrosilicio (FeSi) y aluminio (Al), que forman óxidos no solubles en el acero, de menor densidad, que flotan y pueden eliminarse fácilmente.

Fundiciones: Características y Aplicaciones

Las fundiciones contienen entre 1.7% y 6.6% de carbono.

Características Principales:

• Se conforman fundidas (en lugar de trabajarse en estado sólido).
• Amplio rango de resistencia y dureza.
• Fácil mecanizado.
• Baja ductilidad.
• Muy usadas por su bajo coste.