Fundamentos de Ciencia de Materiales: Estructuras, Propiedades y Procesos

Constituyentes de los Aceros

• Austenita: Solución sólida de inserción de carbono en hierro con estructura FCC. Es estable a altas temperaturas, blanda, dúctil, tenaz y no magnética. Es la estructura de partida para la mayoría de los tratamientos térmicos.
• Ferrita (Hierro α): Solución sólida de inserción de carbono en hierro con estructura BCC. Es el constituyente más blando y dúctil, con baja dureza, alta maleabilidad y propiedades magnéticas.
• Cementita: Compuesto intermetálico con 6,67% de carbono. Es el constituyente más duro y frágil, resistente al desgaste y ferromagnético hasta los 210 °C.
• Perlita: Constituyente eutectoide formado por ferrita y cementita. Se origina por enfriamiento lento de la austenita y posee propiedades intermedias.
• Bainita: Mezcla de cementita y ferrita. Ofrece un excelente balance entre dureza y tenacidad.
• Martensita: Fase sobresaturada de carbono obtenida por enfriamiento ultrarrápido (temple). Presenta estructura BCT, altísima dureza y resistencia, pero es extremadamente frágil.

Materiales: Aleaciones, Cerámicos y Polímeros

Aleaciones de Cobre

Destacan por su alta conductividad térmica y eléctrica, maleabilidad, ductilidad y resistencia a la corrosión. Se utilizan en válvulas y canalizaciones.

Conformado Cerámico

Proceso que incluye la preparación de la materia prima (polvo cerámico), compactación en molde con aglutinantes y lubricantes, y sinterización a altas temperaturas para fusionar los granos y eliminar porosidad.

Polímeros

• Polimerización por adición: Reacción rápida mediante catalizador que propaga una cadena de monómeros.
• Polimerización por condensación: Unión de grupos funcionales con eliminación de moléculas estables (agua, alcohol).
• Clasificación: Naturales (biocompatibles), plásticos (termoplásticos reciclables y termoestables rígidos) y elastómeros (deformación elástica extrema).

Propiedades Eléctricas y Magnéticas

Teoría de Bandas

Define la conducción eléctrica mediante la banda de valencia, la banda de conducción y la banda prohibida (gap).

Fenómenos Eléctricos

• Dieléctricos: Materiales aislantes que se polarizan en campos eléctricos.
• Ferroelectricidad: Polarización espontánea reversible.
• Piezoelectricidad: Generación de electricidad por deformación mecánica (y efecto inverso).
• Efectos termoeléctricos: Seebeck, Peltier y Thomson.

Propiedades Magnéticas

Clasificadas en: Diamagnetismo (repulsión débil), Paramagnetismo (atracción débil), Ferromagnetismo (atracción fuerte permanente), Antiferromagnetismo (cancelación de espines) y Ferrimagnetismo (atracción alta).

Corrosión y Protección

Los tipos principales incluyen: Galvánica, Picadura (Pitting), Agrietamiento (Crevice), Erosión, Cavitación, Fricción (Fretting), Selectiva (Lixiviación), Intergranular y Esfuerzo (SCC). La protección se logra mediante protección catódica (ánodos de sacrificio) o protección anódica (pasivación controlada).

Estructura y Solidificación

• Cristalinos vs. Amorfos: Los primeros poseen orden a largo alcance y son anisótropos; los segundos son desordenados e isótropos.
• Solidificación: Proceso de nucleación (homogénea o heterogénea) y crecimiento (dendrítico o compacto).
• Monocristales: Obtenidos principalmente mediante el método Czochralski.

Ensayos y Mecanismos de Endurecimiento

Ensayos Mecánicos

Incluyen tracción (módulo de Young, límite elástico, ductilidad), fluencia (creep), dureza (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore) y ensayos dinámicos (resiliencia y fatiga).

Endurecimiento

• Acritud: Deformación en frío que aumenta la dureza mediante la acumulación de dislocaciones.
• Aleación: Distorsión de la red cristalina mediante átomos de soluto.
• Precipitación: Tratamiento térmico (solubilización, temple y envejecimiento) para formar precipitados coherentes que bloquean dislocaciones.