Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales: Estructuras, Fases y Propiedades Mecánicas

Módulo 3: Características Fundamentales de los Materiales

Un material cristalino se define si “existe una disposición regular de los átomos, que da como resultado un patrón que se repite en 3 dimensiones”.
Un material amorfo no tiene un patrón regular.
La celdilla de unidad se representa mediante modelos de átomos, esferas rígidas y esferas reducidas.
Estructuras cristalinas comunes: Cúbica Centrada en las Caras (FCC), Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) y Hexagonal Compacta (HC).

Ferrita $\alpha$ (Hierro $\alpha$): Es el hierro a temperatura ambiente antes de fundir. Posee una estructura cristalina BCC.
Austenita (Hierro $\gamma$): Se forma al calentar la ferrita a 912°C. Tiene una estructura cristalina FCC.
Ferrita $\delta$ (Hierro $\delta$): Se forma al calentar la Austenita hasta los 1394°C. Tiene una estructura BCC y funde a los 1538°C.
Cementita: Es el compuesto intermetálico con la máxima cantidad de carbono (6.7% en peso).
De acuerdo con este diagrama, existen 11 componentes o fases principales.

Tiene 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso.
Es el constituyente más duro y frágil de todos los aceros (dureza de 960 Vickers).
Estructura cristalina de paralelepípedo ortorrómbico.
Magnética hasta los 210°C.

Tiene 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita.
Dureza de aproximadamente 200 Vickers.
Su resistencia a la rotura es de 80 Kg/mm² y un alargamiento del 15%.
Cada grano se forma por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita, las cuales se generan por el enfriamiento lento.

Es el constituyente más denso de los aceros, formado por una solución sólida intersticial de carbono en hierro gamma.
El porcentaje de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%.
Comienza a formarse a los 723°C y está compuesta por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro.
Su dureza es de 305 Vickers y su resistencia es de 100 Kg/mm² con un alargamiento de un 30 %.
No tiene propiedades magnéticas.

Se forma cuando los átomos de C quedan atrapados en la estructura austenítica al ser enfriada a velocidades altas (temple), haciendo que el Fe se mueva ligeramente para cambiar a una estructura Tetragonal Centrada en el Cuerpo (TCC).
Después de la cementita, es el constituyente más duro de los aceros.
Se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal.
Su porcentaje de carbono varía hasta un máximo de 0.89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad.
Dureza 540 Vickers.
Resistencia mecánica de 175 a 250 Kg/mm² con un alargamiento de 2.5 al 0.5%.
Es magnética.

Se forma en la transformación isoterma de la austenita, en temperaturas de 250 a 550ºC.
Se enfría rápidamente la austenita hasta una de estas temperaturas, manteniéndola constante hasta su transformación total.

No es constituyente de los aceros, sino de las fundiciones.
Está presente en las aleaciones Fe-C en porcentajes superiores al 1.76% de carbono.
Se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (con 4.3% de C) desde los 1130ºC; es estable hasta los 723ºC, y a esta temperatura se descompone en ferrita y cementita.

Metales: Son buenos conductores del calor y la electricidad, y son opacos a la luz. Son resistentes pero deformables (dúctiles). Se usan para aplicaciones estructurales, siendo el acero estructural el más característico. Ejemplos: hierros y aceros, aleaciones de aluminio, magnesio, titanio, níquel, zinc, cobre, etc.
Cerámicas: Se componen de metales y no metales (ej. arcillas, cemento y vidrio). Son materiales aislantes térmicos y eléctricos, y son resistentes a altas temperaturas. Ejemplo: Óxido de aluminio (Al₂O₃).
Polímeros: Incluyen plásticos y caucho. Son compuestos orgánicos a base de carbono, hidrógeno y no metales. Tienen densidades bajas y mucha flexibilidad.
Materiales Compuestos: Son materiales formados por más de un tipo de material, como la fibra de vidrio (vidrio dentro de un polímero), lo cual les confiere resistencia y flexibilidad a la vez.

Esfuerzo contra Deformación (Curva $\sigma-\epsilon$): Consiste en estirar gradualmente un material de longitud y sección normalizadas, registrando los datos hasta que se rompa. Con los datos obtenidos se realizan gráficas de esfuerzo versus deformación.
Dureza: Se mide mediante pruebas que utilizan un indentador. El Ensayo de Dureza Brinell usa una bola de acero endurecido, y el ensayo de Rockwell presiona un indentador de forma cónica.
Energía de Impacto: Se correlaciona con el área bajo la curva en el diagrama de impacto (típicamente mediante la Prueba de Charpy).
Tenacidad a la Fractura ($K_{IC}$): Es el valor crítico del factor de intensidad de esfuerzo en la punta de una grieta, necesario para producir una falla catastrófica.
Fatiga: Se obtiene por medio de un ensayo cíclico de fatiga.
Fluencia Lenta (Creep o Cedencia): Es la deformación plástica (permanente) que se presenta a altas temperaturas bajo una carga constante a lo largo de un lapso prolongado.

Fractura por Fragilidad: Caracterizada por bajas resistencias a la tensión.
Fatiga Estática: Influenciada por la humedad atmosférica.
Fluencia Lenta (Cedencia): Observada como deformaciones en los vidrios.
Choque Térmico: Se da por fragilidad y desigualdades de expansión.
Deformación Viscosa de los Vidrios: Se deforma por un mecanismo elástico o flujo viscoso.
Índice de retracción.