Comprendiendo el Comportamiento de los Materiales

Fenómenos y Propiedades Fundamentales

Choque Térmico

El choque térmico se define como la fractura de un material provocada por un cambio brusco de temperatura, usualmente un enfriamiento rápido. Este fenómeno involucra la dilatación térmica y la conductividad térmica. Las propiedades del material determinan su susceptibilidad al choque térmico.

Regla de las Fases y Grados de Libertad

Una fase es una porción de microestructura químicamente y estructuralmente homogénea. Una microestructura monofásica puede ser policristalina. Los grados de libertad representan el número de variables independientes de un sistema. Un metal puro en su punto de fusión no presenta grados de libertad. El aumento de temperatura puede alterar el estado de la microestructura.

Procesos de Tratamiento Térmico y Deformación

Recocido y Acritud

El recocido es un tratamiento térmico. La acritud se refiere a la deformación en frío de metales, como el laminado o estirado. Esta deformación genera una orientación preferente en la estructura granular, modificando las propiedades del material. Un ejemplo es un latón con acritud, cuya sección se ha reducido por deformación en frío.

Restauración y Recristalización

• Restauración: Implica la recuperación o alivio de tensiones internas, la reducción de la energía almacenada, el aumento de la difusión atómica y la disminución de dislocaciones. Esto resulta en la recuperación de propiedades físicas como la conductividad eléctrica y térmica.
• Recristalización: Tras un tiempo a una temperatura determinada, aparecen nuevos granos. Este proceso culmina con la recristalización completa de la estructura. En aleaciones de cobre con acritud, la temperatura de recristalización disminuye ligeramente al aumentar el grado de acritud.

Crecimiento de Grano

El crecimiento de grano es impulsado por la reducción de los bordes de grano, los cuales poseen una alta energía asociada.

Clasificación y Características de los Materiales

Metales

• Metales No Férreos:
  • Cobre y sus aleaciones: Conocidos por su buena resistencia a la corrosión y elevada conductividad eléctrica y calorífica. Generalmente, no endurecen por tratamiento térmico, sino por acritud y/o aleación.
  • Níquel y sus aleaciones: Componentes clave de las superaleaciones. Destacan por su excelente resistencia a la corrosión y alta resistencia a la oxidación a altas temperaturas, aunque son costosos. Las superaleaciones se clasifican por base de níquel, cobalto o hierro. Otros metales incluyen zinc, plomo y estaño.
• Metales Ligeros:
  • Aluminio: Posee buena resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica y calorífica. Puede endurecerse por acritud y tratamiento térmico.
  • Magnesio: El material estructural más ligero. Presenta baja resistencia a la corrosión pero buena resistencia mecánica. Su estructura HC dificulta la deformación plástica. Se endurece por acritud y tratamiento térmico.
  • Titanio: Ligero, de alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión. Su biocompatibilidad es notable, pero su obtención es difícil y costosa.
  • Berilio: Otro metal ligero de alta resistencia.

Cerámicos y Vidrios

Los cerámicos y vidrios son materiales antiguos, resistentes a condiciones ambientales y en constante desarrollo. Son más avanzados que los metales en ciertas aplicaciones.

• Cerámicos Cristalinos: Incluyen silicatos tradicionales y compuestos oxídicos y no oxídicos.
  • Cerámicas Blancas: Cerámicos cocidos comerciales con microestructura blanca y grano fino.
  • Arcilla: Base de productos estructurales arcillosos.
  • Refractarios: Materiales estructurales resistentes a altas temperaturas, cruciales en la industria.
  • Cerámicos de Óxido: Compuestos con bajos niveles de impurezas. Su coste de procesamiento contrasta con los cerámicos de silicato.
  • Cerámicos No Óxido: Ofrecen altas resistencias mecánicas a alta temperatura, resistencia al desgaste y mayor tenacidad.
• Vidrios: Sólidos no cristalinos con propiedades como fragilidad, dureza, resistencia a la corrosión, aislamiento, baja rugosidad y transparencia. Se subdividen en silícicos y no silícicos.
• Vitrocerámicas: Materiales cristalinos que se forman inicialmente como vidrios y luego cristalizan controladamente mediante un proceso llamado desvitrificación a alta temperatura.

Polímeros

Los plásticos son fáciles de moldear y están constituidos por macromoléculas. Los polímeros son moléculas lineales o ramificadas formadas por la repetición de monómeros. El grado de polimerización indica cuántas veces se repite el monómero.

• Propiedades de los Polímeros: Derivan de la fuerza de los enlaces primarios y de las fuerzas intermoleculares. Al calentarse, los enlaces intermoleculares se debilitan, permitiendo el deslizamiento de las macromoléculas, lo que genera fluencia y flujo en estado fundido.
• Tipos de Polímeros: Termoplásticos, Elastómeros y Termoestables.

Solubilidad, Estabilidad Química y Cristalinidad en Polímeros

Estabilidad Química

Los polímeros exhiben notable estabilidad química, resistiendo agua, ácidos y bases inorgánicas. Solo agentes fuertemente oxidantes provocan su degradación. Los disolventes orgánicos pueden infiltrarse entre las macromoléculas. La temperatura facilita la disolución, pero no existe un disolvente universal. El parámetro de solubilidad cuantifica la interacción polímero-disolvente.

Cristalinidad

El grado de cristalinidad se relaciona con la simetría de la cadena (isómeros atáctico, isotáctico, sindiotáctico). La cristalinidad se manifiesta en:

• Ligero aumento de la densidad.
• Pérdida de transparencia debido a la reflexión de la luz en los cristales.
• Mayor resistencia a disolventes, ya que una estructura compacta es más difícil de atacar.
• Temperatura de fusión definida.
• Mejores propiedades mecánicas tras estiramiento.

Factores que Influyen en la Cristalinidad

• Simetría de la cadena: Grupos laterales voluminosos dificultan la ordenación.
• Intensidad de los enlaces secundarios: Enlaces fuertes y regularmente espaciados favorecen la cristalinidad.
• Flexibilidad de la cadena principal: Menor flexibilidad aumenta la tendencia a la cristalinidad.
• Velocidad de enfriamiento: Un enfriamiento más rápido resulta en un menor porcentaje de cristalinidad en el sólido.

Comportamiento Térmico de Polímeros

Todos los polímeros, termoplásticos y termoestables, experimentan una disminución notable de su módulo elástico por encima de la temperatura de transición vítrea (Tg).

• Termoplásticos Amorfos: La fluencia es exagerada por encima de Tg, imposibilitando su uso en esas condiciones.
• Termoplásticos Cristalinos: El movimiento de los segmentos de macromolécula dentro de las zonas cristalinas está restringido, limitando la fluencia.
• Plásticos Termoestables: Su fluencia está limitada por los enlaces primarios de reticulación.

Materiales Compuestos y Degradación de Materiales

Función de la Fibra en Materiales Compuestos

Las fibras mejoran el módulo de elasticidad (rigidez) y la carga de rotura, además de la relación resistencia/peso. Combinan matrices blandas y de baja rigidez con fibras frágiles y de alta rigidez.

• Tipos de Fibra: Continuas unidireccionales, discontinuas orientadas al azar, ortogonales (tejidos) y en capas múltiples.

Los compuestos reforzados con fibras presentan un comportamiento anisótropo, con propiedades mecánicas superiores en la dirección de las fibras.

Oxidación: Ataque Atmosférico Directo

Existen cuatro mecanismos posibles de oxidación de metales:

• Película no protectora y porosa que permite el acceso continuo de oxígeno.
• Mecanismos con películas no porosas protectoras:
  • Difusión de cationes a través de la película, reaccionando con oxígeno en la superficie exterior.
  • Difusión de iones O2- hasta la superficie del metal.
  • Difusión de cationes y aniones a velocidades similares, con reacción de oxidación dentro de la película de óxido.

Corrosión Acuosa: Ataque Electroquímico

La corrosión es un ataque destructivo e involuntario de un metal, que comienza en la superficie mediante reacciones químicas con transferencia de electrones (reacciones redox).

• Reacción de Oxidación: Pérdida de electrones (reacción anódica).
• Reacción de Reducción: Ganancia de electrones.

Corrosión Galvánica y por Reducción Gaseosa

• Corrosión Galvánica: Ocurre entre dos metales con diferente potencial. El metal más activo (potencial negativo) se oxida (ánodo), mientras que los iones H+ se reducen a H2. El metal menos reactivo (potencial positivo) es catódico.
• Corrosión por Reducción Gaseosa: La fuerza motriz es la diferencia en la concentración de oxígeno. La corrosión ocurre en el ánodo (carencia de oxígeno), y la reacción catódica es una reducción gaseosa.

Degradación Química de Cerámicos y Polímeros

• Cerámicos: Son resistentes a la corrosión, ya que sus metales constituyentes están en forma iónica estable. Resisten la corrosión a temperatura ambiente y, los refractarios, a temperaturas elevadas.
• Polímeros: Sufren procesos físicos y químicos de degradación.

Prácticas de Laboratorio y Determinación de Propiedades

Separación de Polímeros por Densidad

Se preparan materiales termoplásticos (polipropileno, polietileno, poliestireno, poliamida) y se clasifican mediante el método de flotación-hundimiento utilizando tres disoluciones de distintas densidades. La separación se basa en la densidad de cada material.

Determinación de la Densidad de Materiales Compuestos

Utilizando el principio de Arquímedes, se determina la densidad de materiales compuestos de matriz polimérica mediante la diferencia de peso al sumergirlos en fluidos.

Desgaste de Materiales

El desgaste es la eliminación de material de la superficie por acción mecánica. Los tipos de desgaste incluyen:

• Desgaste Adhesivo: Ocurre cuando dos superficies lisas se deslizan, arrancando fragmentos que se adhieren a la otra.
• Desgaste Abrasivo: Una superficie dura y rugosa desliza sobre una más blanda.
• Desgaste por Fatiga Superficial: Se produce por deslizamientos o rodaduras repetidos.
• Desgaste Corrosivo: Deslizamiento en un ambiente corrosivo, combinando efectos físicos y químicos.

Análisis de Propiedades Mecánicas y Eléctricas

Se analiza una aleación endurecible por envejecido para determinar sus propiedades mecánicas (dureza con durómetro) y físicas (conductividad eléctrica). Se observa que la dureza es más sensible a la variación de temperatura que la conductividad eléctrica.

Determinación del Coeficiente Térmico Resistivo

El objetivo es determinar el coeficiente térmico resistivo de un metal. Se mide la relación entre resistencia eléctrica y temperatura utilizando un multímetro y una placa calefactora. Los resultados permiten observar cómo varían la resistencia y el coeficiente resistivo con la temperatura.