Conceptos Fundamentales en Ingeniería de Materiales

1. ¿Qué es una estructura cristalina?

Es la disposición ordenada y periódica de átomos, moléculas o iones en un material sólido, formando una red tridimensional repetitiva.

2. ¿En qué se diferencia el sólido cristalino del amorfo?

Un sólido cristalino posee átomos, iones o moléculas dispuestos en un patrón tridimensional repetitivo y ordenado (red cristalina). En contraste, un sólido amorfo carece de este orden a largo alcance; sus constituyentes están dispuestos de forma irregular y desordenada.

3. ¿De qué factores depende la estructura de un sólido cristalino?

La estructura cristalina resultante depende de varios factores, incluyendo:

• Composición química: La naturaleza y tamaño relativo de los átomos o iones.
• Temperatura: Afecta la energía y la estabilidad de las diferentes fases cristalinas posibles.
• Presión: Puede favorecer estructuras más compactas.
• Condiciones de formación: Como la velocidad de enfriamiento (que determina el tiempo disponible para el ordenamiento atómico).

4. ¿Cómo se llama al conjunto de 14 redes cristalinas?

Se denominan Redes de Bravais. Representan las 14 únicas maneras de ordenar puntos en el espacio tridimensional de forma que el entorno de cada punto sea idéntico.

5. ¿Cuáles son los tres tipos más comunes de redes cristalinas en metales?

Las tres estructuras cristalinas más comunes en metales son:

• Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC – Body-Centered Cubic)
• Cúbica Centrada en las Caras (FCC – Face-Centered Cubic)
• Hexagonal Compacta (HCP – Hexagonal Close-Packed)

6. ¿Qué es un metal alotrópico (o polimórfico)?

Un metal alotrópico (o polimórfico) es aquel que puede existir en más de una estructura cristalina dependiendo de la temperatura y la presión a la que se encuentre.

7. ¿Qué son los estados alotrópicos?

Son las diferentes estructuras cristalinas que puede adoptar un mismo elemento químico en estado sólido (como en el caso de los metales alotrópicos, por ejemplo, el hierro).

8. ¿Qué es una aleación?

Una aleación es una mezcla, generalmente metálica, compuesta por dos o más elementos, al menos uno de los cuales es un metal. La mezcla se realiza típicamente en estado fundido y el producto final debe conservar características metálicas (como conductividad eléctrica y térmica, brillo, ductilidad, etc.).

9. ¿Cómo se llaman los elementos presentes en una aleación según su proporción?

En una solución sólida (un tipo común de aleación donde un elemento se disuelve en otro manteniendo la estructura cristalina), el elemento presente en mayor proporción se denomina disolvente (o matriz), y el elemento (u elementos) en menor proporción se llama soluto.

10. ¿Cómo se clasifican las soluciones sólidas según interaccionan sus componentes?

Las soluciones sólidas se clasifican según cómo los átomos del soluto se acomodan en la red cristalina del disolvente:

• Soluciones sólidas sustitucionales: Los átomos del soluto reemplazan (sustituyen) a átomos del disolvente en la red cristalina. Esto ocurre generalmente cuando los átomos del soluto y disolvente tienen tamaños atómicos, electronegatividad y estructura cristalina similares.
• Soluciones sólidas intersticiales: Los átomos del soluto, que deben ser significativamente más pequeños que los del disolvente, se sitúan en los espacios vacíos (intersticios) entre los átomos de la red del disolvente.

Comportamiento Mecánico y Ensayos de Materiales

11. ¿Cuáles son los tipos de esfuerzos fundamentales que se estudian en el comportamiento mecánico?

Los tipos fundamentales de esfuerzos estudiados en el comportamiento mecánico de los materiales son:

• Tracción
• Compresión
• Cortadura (o cizalladura)
• Torsión

12. ¿Cómo se generan estos esfuerzos?

Estos esfuerzos son generados por diferentes tipos de cargas aplicadas al material:

• Tracción: Producida por fuerzas axiales iguales y opuestas que tienden a alargar el material.
• Compresión: Producida por fuerzas axiales iguales y opuestas que tienden a acortar el material.
• Cortadura: Producida por fuerzas paralelas y opuestas aplicadas en planos cercanos, que tienden a deslizar una sección del material respecto a otra.
• Torsión: Producida por un par de fuerzas (momento torsor) que tiende a retorcer el material alrededor de su eje longitudinal.

13. ¿Qué es la tensión (o esfuerzo)? ¿En qué unidades se mide?

La tensión (o esfuerzo ingenieril, denotada por la letra griega sigma, σ) se define como la fuerza aplicada (F) perpendicular a una sección transversal, dividida por el área original (A₀) de esa sección: σ = F / A₀. Se mide en Pascales (Pa) en el Sistema Internacional (equivalente a N/m²). Debido a los valores típicos en ingeniería, son muy comunes los múltiplos como Megapascales (MPa = 10⁶ Pa) o Gigapascales (GPa = 10⁹ Pa).

14. ¿Qué es la deformación unitaria?

La deformación unitaria (o deformación ingenieril, denotada por la letra griega épsilon, ε) se define como el cambio en la longitud (ΔL = L – L₀) dividido por la longitud original (L₀) en la dirección de la fuerza aplicada: ε = ΔL / L₀. Es una magnitud adimensional (longitud/longitud), aunque a veces se expresa como un porcentaje (%) multiplicando el valor por 100.

15. ¿Cuáles son los tipos de deformación? Defínelas.

Existen dos tipos principales de deformación:

• Deformación elástica: Es una deformación temporal y reversible. Cuando se retira la carga aplicada, el material recupera completamente su forma y dimensiones originales. A nivel atómico, los enlaces entre átomos se estiran o comprimen, pero no se rompen ni reorganizan permanentemente.
• Deformación plástica: Es una deformación permanente e irreversible. Incluso después de retirar la carga, el material no recupera su forma original; queda deformado. A nivel atómico, implica el movimiento de dislocaciones (defectos lineales en la red cristalina) y el deslizamiento de planos atómicos unos sobre otros, resultando en un cambio de forma permanente.

16. ¿Qué es la estricción?

La estricción es la reducción localizada del área de la sección transversal de una probeta de material dúctil durante un ensayo de tracción. Este fenómeno ocurre después de alcanzar la carga máxima (resistencia a la tracción) y precede a la fractura final de la probeta, manifestándose como un»cuell» en la zona central.

17. ¿Cómo se realiza un ensayo de tracción?

Un ensayo de tracción se realiza utilizando una máquina universal de ensayos. Los pasos generales son:

1. Se prepara una muestra del material con dimensiones estandarizadas, llamada probeta, que tiene una sección transversal conocida en su parte central (zona calibrada).
2. La probeta se sujeta firmemente por sus extremos en las mordazas de la máquina.
3. Se aplica una carga de tracción gradualmente creciente a lo largo del eje longitudinal de la probeta, generalmente a una velocidad de deformación constante y controlada.
4. Simultáneamente, se mide de forma continua la fuerza aplicada por la máquina y el alargamiento (cambio de longitud) de la zona calibrada de la probeta (usando un extensómetro o por el desplazamiento de la cruceta).
5. La carga se incrementa hasta que la probeta se rompe. Durante el proceso, en materiales dúctiles, se observa un alargamiento general, seguido de la formación de estricción y finalmente la fractura.

Los datos de fuerza y alargamiento se registran para construir la curva carga-desplazamiento o, más comúnmente, la curva tensión-deformación.

18. ¿Qué significa que el ensayo de tracción es un ensayo destructivo?

Significa que la probeta utilizada en el ensayo sufre un daño irreversible (deformación plástica y fractura) y, por lo tanto, queda inutilizada después del ensayo. No puede ser usada nuevamente para el mismo propósito o como componente funcional. El objetivo de este tipo de ensayo es determinar las propiedades límite del material llevándolo hasta su fallo.

19. ¿Cómo tiene que ser la rotura en un ensayo de tracción para que sea válida?

Para que los resultados de un ensayo de tracción sean considerados válidos según la mayoría de las normativas (como ASTM o ISO), la fractura de la probeta debe ocurrir dentro de la longitud calibrada de la misma, preferiblemente en la zona central y alejada de las zonas de amarre (mordazas) y de posibles concentradores de tensión no deseados (como marcas o defectos superficiales).

20. ¿Cuáles son las zonas y subzonas del diagrama de esfuerzo-deformación típico en un ensayo a tracción de un metal dúctil?

El diagrama tensión-deformación ingenieril típico se divide en las siguientes zonas principales:

1. Zona Elástica:
   • Subzona de proporcionalidad: La tensión es directamente proporcional a la deformación (se cumple la ley de Hooke: σ = Eε, donde E es el Módulo de Young). El límite de esta subzona es el límite de proporcionalidad.
   • Subzona elástica no proporcional: La deformación sigue siendo elástica (totalmente recuperable al retirar la carga), pero la relación tensión-deformación ya no es lineal. El final de esta zona es el límite elástico (σ_e), la máxima tensión que el material puede soportar sin sufrir deformación plástica permanente.
2. Zona Plástica:
   • Cedencia o Fluencia: Punto (o región) donde comienza la deformación plástica apreciable con poco o ningún incremento de tensión (límite de fluencia, σ_y). Algunos materiales muestran un punto de cedencia superior e inferior.
   • Endurecimiento por deformación (Acrítud): Una vez superada la cedencia, se requiere una tensión creciente para continuar la deformación plástica. El material se vuelve más resistente pero menos dúctil.
   • Estricción: Comienza al alcanzar la tensión máxima o resistencia a la tracción (σ_UTS), que es el punto más alto de la curva ingenieril. A partir de aquí, la deformación se localiza en la zona del cuello, el área de la sección transversal disminuye rápidamente y la tensión ingenieril (calculada con A₀) decrece hasta la fractura.

21. ¿Qué es el límite elástico?

El límite elástico (σ_e) es la máxima tensión que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. En la práctica, es difícil de determinar con exactitud, por lo que a menudo se utiliza el límite de fluencia convencional (σ_0.2% o σ_p0.2), definido como la tensión que produce una deformación plástica permanente especificada, usualmente del 0.2% (ε = 0.002).

22. ¿Qué es la resistencia a la tracción (o tensión máxima)?

La resistencia a la tracción (también llamada tensión máxima o carga unitaria máxima, σ_UTS) es el valor máximo de la tensión ingenieril que el material puede soportar durante el ensayo de tracción. Corresponde al punto más alto en la curva tensión-deformación ingenieril y representa la máxima carga que la probeta puede resistir antes de que comience la estricción. La tensión de rotura es la tensión ingenieril justo en el momento de la fractura, que en materiales dúctiles suele ser menor que la resistencia a la tracción debido a la reducción de área por la estricción.

23. ¿Qué es la dureza?

La dureza es una medida de la resistencia de la superficie de un material a la deformación plástica localizada, como la indentación (penetración), el rayado o la abrasión. Es una propiedad compleja relacionada con la resistencia a la fluencia, la resistencia a la tracción y el módulo elástico.

24. ¿Cuáles son los ensayos de dureza por indentación más comunes?

Los métodos más comunes para medir la dureza por indentación son:

• Ensayo de dureza Brinell (HB o HBW)
• Ensayo de dureza Vickers (HV)
• Ensayo de dureza Rockwell (HR, con diversas escalas como HRA, HRB, HRC, etc.)

25. ¿Qué penetrador o indentador se usa en cada ensayo de dureza?

Los penetradores (o indentadores) utilizados son:

• Brinell: Una bola de acero endurecido (HBS) o, más comúnmente hoy en día, de carburo de tungsteno (HBW), de un diámetro específico (e.g., 10 mm, 5 mm, 2.5 mm).
• Vickers: Un indentador piramidal de diamante con base cuadrada y un ángulo normalizado de 136° entre caras opuestas.
• Rockwell: Depende de la escala utilizada:
  • Escalas para materiales más blandos (e.g., HRB, HRF, HRG): Una bola de acero endurecido de diámetro específico (e.g., 1/16 pulgada para HRB).
  • Escalas para materiales más duros (e.g., HRC, HRA, HRD): Un cono de diamante con un ángulo de 120° y punta esférica normalizada (llamado ‘Brale’).

26. ¿Qué significa la notación en los resultados de dureza? (Ejemplos)

La interpretación de resultados de dureza sigue formatos estandarizados:

• 220 HBW 10/3000/15:
  • 220: Valor numérico de la dureza Brinell.
  • HBW: Símbolo que indica dureza Brinell medida con penetrador de carburo de tungsteno (W). Si fuera HBS, sería con bola de acero.
  • 10: Diámetro nominal del penetrador (bola) en milímetros.
  • 3000: Carga aplicada en kilogramos-fuerza (kgf). (Nota: A veces se expresa en Newtons).
  • 15: Tiempo de aplicación de la carga en segundos (si difiere del estándar 10-15s, se especifica).
• 650 HV 30:
  • 650: Valor numérico de la dureza Vickers.
  • HV: Símbolo que indica dureza Vickers.
  • 30: Carga aplicada en kilogramos-fuerza (kgf). (El tiempo estándar suele ser 10-15s y se omite si es el caso).
• 60 HRC:
  • 60: Valor numérico de la dureza Rockwell.
  • HRC: Símbolo que indica dureza Rockwell medida en la escala C (cono de diamante, carga mayor de 150 kgf).
• 80 HRB:
  • 80: Valor numérico de la dureza Rockwell.
  • HRB: Símbolo que indica dureza Rockwell medida en la escala B (bola de 1/16 pulgada, carga mayor de 100 kgf).

27. ¿Cuáles son las características principales del ensayo de Rockwell?

Características principales del ensayo de dureza Rockwell:

• Rapidez y Sencillez: Es muy rápido de realizar (pocos segundos) y no requiere medición óptica posterior de la huella, lo que lo hace ideal para producción en masa y control de calidad.
• Lectura Directa: El valor de dureza se lee directamente en un dial o pantalla del durómetro.
• Basado en Profundidad Diferencial: Mide la profundidad de penetración permanente causada por el indentador bajo una carga mayor, después de haber aplicado una carga menor inicial (precarga) para eliminar efectos de irregularidades superficiales.
• Múltiples Escalas: Utiliza diferentes combinaciones de penetradores (bola o cono) y cargas (precarga y carga mayor) definidas en varias escalas (A, B, C, D, E, F, G, etc.) para adaptarse a una amplia gama de durezas y tipos de materiales.
• Menor Precisión Relativa: Generalmente se considera menos preciso que Brinell o Vickers para fines de investigación, pero su rapidez y facilidad compensan en entornos industriales.
• Huella Pequeña: Deja una indentación relativamente pequeña, lo que puede ser ventajoso para piezas terminadas o capas superficiales delgadas.

28. ¿Para qué sirve el ensayo de impacto (resiliencia)?

El ensayo de impacto (cuyo resultado a veces se denomina incorrectamente ‘resiliencia’, aunque mide la tenacidad al impacto) sirve para determinar la cantidad de energía que un material es capaz de absorber al recibir un golpe o impacto brusco antes de fracturarse. Es particularmente útil para evaluar la tendencia de un material a la fractura frágil, especialmente a bajas temperaturas o en presencia de entallas (concentradores de tensión).

29. ¿Cómo se llama la máquina comúnmente utilizada para realizar el ensayo de impacto?

La máquina más comúnmente utilizada para el ensayo de impacto en metales es el Péndulo de Charpy. También existe el método Izod, que difiere en la forma de sujetar la probeta y el punto de impacto del péndulo.

30. ¿Cuál es el objetivo de los ensayos tecnológicos?

El objetivo principal de los ensayos tecnológicos es evaluar el comportamiento y la aptitud de un material bajo condiciones que simulan los procesos de fabricación (como doblado, embutición, forja) o las solicitaciones específicas que experimentará en servicio. Buscan obtener información práctica sobre si el material es adecuado para una aplicación o proceso determinado, más que obtener valores precisos de propiedades mecánicas fundamentales (aunque están relacionados).

31. ¿Cuáles son algunos ensayos tecnológicos comunes? Defínelos brevemente.

Algunos ensayos tecnológicos comunes incluyen:

• Ensayo de cizalladura (o cortadura): Determina la resistencia de un material a ser cortado por fuerzas paralelas y opuestas (esfuerzo cortante). Este ensayo se aplica para evaluar materiales destinados a la fabricación de elementos de unión como tornillos, remaches, pasadores, chavetas, o para simular procesos de corte industrial.
• Ensayo de plegado (o doblado): Evalúa la ductilidad de un material y su capacidad para ser deformado plásticamente mediante doblado sin agrietarse. Consiste en doblar una probeta (generalmente una chapa o barra) alrededor de un mandril de radio específico hasta un ángulo determinado (e.g., 90° o 180°) y observar si aparecen fisuras en la zona exterior del doblez.
• Ensayo de embutición (e.g., Ensayo Erichsen, Ensayo Olsen): Mide la capacidad de una chapa metálica para sufrir una deformación plástica profunda (estiramiento biaxial) sin fracturarse, simulando procesos de conformado como el embutido profundo. Se presiona un punzón (generalmente de punta esférica) contra la chapa firmemente sujeta en una matriz, hasta que se produce la primera grieta visible. Se mide la profundidad alcanzada por el punzón (índice de embutición).