Conceptos Fundamentales de la Ciencia de Materiales: Propiedades Mecánicas, Microestructura y Fases

Propiedades Mecánicas Fundamentales de los Materiales

Las propiedades mecánicas definen cómo un material reacciona ante la aplicación de fuerzas externas.

Cohesión

Es la capacidad que tiene un material de mantener unidos los átomos o moléculas que constituyen su estructura. Esta propiedad se mide indirectamente a través de la dureza.

Elasticidad

Es la capacidad que tiene un material de recuperar su forma original después de que cese la fuerza que provoca la deformación. Se refiere a la deformación no permanente.

Plasticidad

Es la capacidad que tiene un material de deformarse permanentemente sin llegar a romperse. La plasticidad se manifiesta de dos formas principales:

• Ductilidad: Capacidad que tiene un material de formar hilos.
• Maleabilidad: Capacidad que tiene un material de formar láminas.

Se habla de superplasticidad cuando los materiales (típicamente aleaciones y plásticos) pueden deformarse sin romperse en condiciones extremas.

Tenacidad

Es la capacidad total que tiene un material de resistir un impacto sin romperse. Esta propiedad puede descomponerse en:

• Resiliencia: Capacidad del material de absorber la energía del impacto sin generar deformación permanente (dentro de la zona elástica).
• Tenacidad (en zona elástica): Capacidad total que tiene un material de resistir un impacto sin romperse en la zona elástica.

Resistencia (Strength)

Es la máxima deformación que aguanta un material en la zona elástica, conocida como el límite elástico.

Factores Microestructurales y Deformación

Dureza y Bloqueo de Dislocaciones

La dureza se incrementa mediante el bloqueo de las dislocaciones, el aumento de los límites de grano y el trabajo en frío (W en frío).

Defectos y Movimiento de Dislocaciones

• Un defecto de sustitución dificulta el movimiento de las dislocaciones.
• Después del trabajo en frío, se observa un aumento en el número de dislocaciones, pero con menor movilidad.
• Defectos:
  • Puntuales (Frenkel, Schottky)
  • Lineales (Dislocaciones)
  • Bidimensionales (Límites de grano)

Termofluencia

La termofluencia (o fluencia lenta) está relacionada con el movimiento de las dislocaciones. Un material presenta mayor termofluencia si ha sido previamente deformado plásticamente.

Solidificación y Estructura Cristalina

Estructura Dendrítica

La estructura dendrítica es indicativa de anisotropía térmica o de composición.

Nucleación y Zona Equiaxial

La composición química no influye en la calidad de la nucleación heterogénea. Cuanto más frío esté el molde, mayor será la zona equiaxial.

Comparación de Materiales y Rigidez

Módulo de Young y Rigidez

Un material es más rígido si posee un alto módulo de Young y una baja densidad.

Un mayor módulo de Young implica una mayor dificultad para separar los átomos, lo que se traduce en mayor cohesión y, por ende, mayor dureza.

Elasticidad y Fragilidad

• Un material metálico es generalmente más elástico que un polímero orgánico.
• Los materiales metálicos tienden a ser plásticos y blandos, mientras que los cerámicos son no plásticos y duros.
• Si un material disipa los golpes, es menos frágil.
• La sílice fundida es un material muy resistente.

Estructura y Propiedades de Polímeros

Estructura Polimérica

• El LDPE (Polietileno de Baja Densidad) es ramificado y desordenado.
• El PE (Polietileno) con grupos voluminosos presenta impedimento estérico.
• Cuantas más ramificaciones y más desordenado esté un polímero, menos deformable será.

Tacticidad

La tacticidad describe la disposición espacial de los grupos laterales en la cadena polimérica:

• Isotáctico: Todos los grupos están en la misma posición.
• Sindiotáctico: Los grupos se alternan regularmente (1, 1...).
• Atáctico: La disposición de los grupos es aleatoria.

Temperatura de Transición Vítrea (Tg)

La temperatura de transición vítrea (Tg) depende de la presencia de sustituyentes, el grado de cristalinidad y las interacciones intermoleculares.

Sistemas de Aleaciones y Diagramas de Fase

Tipos de Aleaciones

• Aleaciones metálicas: Pueden ser soluciones sólidas o compuestos intermetálicos.
• Aleaciones poliméricas: Son mezclas físicas (miscibles o no) o copolímeros.

Reacciones Invariantes de Fase

Estas reacciones ocurren a temperatura y composición constantes:

• Eutéctico: Líquido → Dos sólidos íntimamente unidos.
• Eutectoide: Un sólido → Dos sólidos íntimamente unidos.
• Peritéctico: Sólido y líquido → Dos sólidos.

Diagrama TTT

El Diagrama TTT (Tiempo, Temperatura y Transformación) describe la cinética de las transformaciones de fase isotérmicas.