Fundamentos de la Ciencia y la Ingeniería de Materiales
Definiciones Clave
- Ciencia de Materiales: Disciplina científica íntimamente relacionada con la investigación, cuyo objeto es el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales.
- Ingeniería de Materiales: Disciplina de ingeniería que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamental y aplicado, con el objetivo de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica.
Estructura y Enlaces
Tipos de Enlaces Secundarios
- Dipolos Inducidos: Desarrollo de dipolos inducidos en átomos adyacentes de argón, lo que permite la formación de un enlace secundario, débil. (El grado de distorsión producido en la distribución de carga se ha exagerado en la figura).
- Puente de Hidrógeno: Este enlace secundario se forma entre dos dipolos permanentes, correspondientes a dos moléculas de agua adyacentes.
Empaquetamiento Cristalino
Comparación entre las estructuras FCC y HCP (Cúbica Centrada en las Caras y Hexagonal Compacta): Ambas constituyen empaquetamientos eficientes de planos compactos. La diferencia entre las dos estructuras es la secuencia de apilamiento.
Defectos en Materiales
Defectos Bidimensionales (2D)
- Macla: Defecto 2D que separa dos regiones cristalinas simétricas. Puede producirse por deformación (cúbica centrada/hexagonal compacta) o recocido (cúbica centrada en el cuerpo).
- Borde de Grano: La zona entre dos granos que comparten un borde.
Defectos Tridimensionales (3D)
- Metales Amorfos: Se forman por un enfriamiento rápido que elimina los bordes de grano y aumenta la resistencia y la resistencia a la corrosión.
Defectos Puntuales y Lineales
- Defectos Puntuales en Metales y Semiconductores: Los más comunes son la vacante y el átomo intersticial.
- Defectos Puntuales en Cerámica: Los más comunes son el defecto de Schottky y el defecto de Frenkel.
- Dislocaciones (Defectos Unidimensionales): Existe de tipo helicoidal o mixta.
- Vector de Burgers: Vector necesario para cerrar un circuito dislocado. Es perpendicular a la línea de dislocación.
Difusión y Propiedades Mecánicas
Mecanismos de Difusión
- Migración Atómica: Se produce por un mecanismo de migración de vacantes. Obsérvese que la dirección del flujo global del material (el átomo) es opuesta a la dirección del flujo de vacantes.
- Difusión Intersticial: Mecanismo donde se observa la naturaleza aleatoria del movimiento de migración atómico.
Leyes de Fick
- La Primera Ley de Fick: Nos dice que las moléculas tienden a moverse de regiones más pobladas a regiones menos pobladas. Relaciona el flujo difusivo con la concentración bajo la asunción de un estado estacionario.
- La Segunda Ley de Fick: Predice la forma en que la difusión causa que la concentración cambie con el tiempo. Se trata de una ecuación diferencial parcial en una dimensión.
Propiedades Elásticas y Viscoelásticas
- El Coeficiente de Poisson (ϑ): Caracteriza la contracción perpendicular a la dilatación por una tensión a tracción.
- La Velocidad de Fluencia: Variación temporal de la deformación de un material sometido a esfuerzo a temperatura constante.
- La Relajación de Tensiones: Disminución de tensión con el tiempo a deformación constante.
Ensayos No Destructivos (END)
A continuación, se describen los principales métodos de inspección:
- Ensayos por Ultrasonidos: Se basan en una parte del espectro acústico con frecuencias por encima del rango audible (20 a 20 000 Hz). La inspección se basa en la reflexión de las ondas ultrasónicas en las interfases entre materiales diferentes.
- Ensayo de Corrientes Inducidas (o de Foucault): La impedancia de una bobina se ve afectada por la presencia de la pieza a ensayar, eléctricamente conductora, en la que la bobina ha inducido corrientes de Foucault. La impedancia neta es función de la composición y/o la geometría de la pieza de ensayo.
- Ensayo de Partículas Magnéticas: Un polvo fino de partículas magnéticas (Fe o Fe₃O₄) es atraído por la dispersión del flujo magnético alrededor de una discontinuidad, como puede ser una grieta en la superficie o cerca de la superficie en una pieza de ensayo magnetizada. Es una técnica tradicional, sencilla, ampliamente usada por su comodidad y bajo coste.
- Ensayo de Líquidos Penetrantes: La acción capilar de un polvo fino sobre la superficie de una muestra extrae un líquido de alta visibilidad que ha penetrado previamente en los defectos superficiales. Al igual que el ensayo de partículas magnéticas, es una técnica de bajo coste y cómoda para la inspección de defectos superficiales. Sin embargo, no puede captar grietas subsuperficiales y presenta una pérdida de resolución en materiales porosos.
- Ensayo de Emisión Acústica: Mide las ondas ultrasónicas producidas por defectos en la microestructura del material como respuesta a un esfuerzo aplicado. Además de permitir localizar defectos, puede proporcionar aviso con antelación de un fallo inminente debido a esos defectos.
Tipos de Fallos y Fractura
- Rotura Dúctil: Ocurre al llevar un material más allá de su límite elástico y, posteriormente, a la rotura.
- Rotura Frágil: Propagación rápida de la grieta sin deformación plástica significativa a escala macroscópica.
- Fallo por Fatiga: Crecimiento lento de grieta, causado por tensiones elásticas cíclicas.
- Fallo por Corrosión-Fatiga: Se debe a la acción combinada de cargas cíclicas y un ambiente corrosivo.
- Fallo por Corrosión Bajo Tensión (SCC, Stress-Corrosion Cracking): Fallo combinado, mecánico y químico, en el cual una tensión no cíclica (por debajo del límite elástico) conduce a la iniciación y propagación de una grieta en un ambiente químico relativamente suave.
- Fallo por Desgaste: Daño superficial que produce un fallo en aplicaciones con contacto deslizante.
- Fallo por Erosión Líquida: Forma especial de daño por desgaste donde la eliminación de material es causada por un líquido.
- Fragilización por Metal Líquido: Implica que el material pierda ductilidad o que rompa por debajo de su límite elástico cuando su superficie se moja con un metal líquido de menor punto de fusión.
- Fragilización por Hidrógeno: Unas partes por millón de hidrógeno disuelto en estos materiales pueden provocar la pérdida de ductilidad.
- Fallo por Fluencia y Fallo Bajo Carga Estática: Los fallos de este tipo pueden producirse a temperaturas cercanas a la ambiente en muchos polímeros y en ciertos metales de bajo punto de fusión.
- Fallos Complejos: Son aquellos en los que el fallo tiene lugar por la intervención secuencial de dos mecanismos de fractura diferentes. Un ejemplo sería un agrietamiento inicial debido a corrosión bajo tensión y, a continuación, el fallo final por fatiga tras la introducción de una carga cíclica al tiempo que se elimina el ambiente corrosivo.
Cristalografía y Solubilidad
Ley de Bragg
La Ley de Bragg permite estudiar las direcciones en las que la difracción de rayos X sobre la superficie de un cristal produce interferencias constructivas, dado que permite predecir los ángulos en los que los rayos X son difractados por un material con estructura atómica periódica. La difracción de los rayos X se analiza en un plano en base a los índices de Miller HKL (o HKIL para estructuras hexagonales).
Reglas de Hume-Rothery para Solubilidad Total
Para que exista solubilidad total, se deben cumplir las siguientes reglas:
- La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior al 15 por ciento.
- Los dos metales deben tener la misma estructura cristalina.
- La electronegatividad (capacidad del átomo para atraer un electrón) debe ser similar.
- La valencia debe ser la misma.