By name: stem-materiales description: Ciencia de materiales: estructura cristalina, diagramas de fase, ensayos mecánicos, deformación, fractura, tratamientos térmicos y selección de materiales. tags: [stem, engineering, materials]
Ciencia de Materiales
Referencias de autoridad
- Callister: Materials Science and Engineering, 9ª edición, Wiley
- Ashby & Jones: Engineering Materials, 4ª edición, Butterworth-Heinemann
- ASM Handbook: Volume 1, Properties and Selection
Estructura cristalina
Sistemas cristalinos
- Cúbica simple (SC): 1 átomo/celda, APF = 0,52
- Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): 2 átomos/celda, APF = 0,68
- Cúbica centrada en las caras (FCC): 4 átomos/celda, APF = 0,74
- Hexagonal compacta (HCP): 6 átomos/celda, APF = 0,74
- APF = Atomic Packing Factor = volumen átomos / volumen celda
Planos y direcciones cristalinas
- Notación de Miller: (hkl) para planos, [uvw] para direcciones
- Familias: {hkl} = todos los planos equivalentes por simetría
= todas las direcciones equivalentes
Defectos cristalinos
- Puntuales: vacantes, intersticiales, sustitucionales
- Lineales: dislocaciones (borde, tornillo, mixta)
- Superficiales: límites de grano, superficies
- Volumétricos: poros, grietas, inclusiones
Dislocaciones
- Dislocación de borde: línea extra de átomos, b⊥ a la línea
- Dislocación de tornillo: desplazamiento helicoidal, b∥ a la línea
- Esfuerzo de cizalla para mover dislocación: τ = Gb/L
- Endurecimiento por deformación: aumento de densidad de dislocaciones
Diagramas de fase
Diagrama de fase binario simple
- Líquido (L): fase fundida
- α, β: fases sólidas
- Líquidus: por encima, todo líquido
- Solidus: por debajo, todo sólido
- Regla de la palanca: fracción de fase = longitud del brazo opuesto / longitud total
Regla de la palanca
- f_α = (C_β - C_0)/(C_β - C_α)
- f_β = (C_0 - C_α)/(C_β - C_α)
- C_0 = composición global, C_α = composición fase α, C_β = composición fase β
Tipos de diagramas
- Eutéctico: L → α + β a temperatura constante
- Eutectoide: γ → α + β a temperatura constante
- Peritéctico: L + α → β a temperatura constante
- Solid solución completa: miscibilidad total en estado sólido y líquido
Transformaciones de fase
- Nucleación homogénea: ΔG* = 16πγ³/(3ΔG_v²)
- Nucleación heterogénea: ΔG*_het = ΔG*_hom · f(θ)
- CCT (Continuous Cooling): curvas de enfriamiento continuo
- TTT (Isothermal): curvas de transformación isotérmica
Propiedades mecánicas
Ensayo de tracción
- Esfuerzo (σ): σ = F/A₀ (Pa)
- Deformación (ε): ε = ΔL/L₀ (adimensional)
- Límite elástico (σ_y): punto de deformación plástica
- Resistencia a la tracción (UTS): máximo esfuerzo soportado
- Energía de deformación: área bajo la curva σ-ε
- Módulo de Young: E = σ/ε (zona elástica)
Ductilidad
- Elongación: %EL = (L_f - L₀)/L₀ × 100
- Reducción de área: %RA = (A₀ - A_f)/A₀ × 100
Dureza
- Brinell (HB): d = 2D/(πD - √(D² - d²)) · P/(πDh)
- Vickers (HV): HV = 1,854·P/d² (P en kgf, d en mm)
- Rockwell (HR): escala B (esfera 1/16"), C (cono diamante 120°)
- Correlación aproximada: UTS (MPa) ≈ 3,45 × HB
Tenacidad
- Tenacidad a la fractura: K_IC (MPa√m)
- Criterio de fractura: K_I ≥ K_IC → fractura
- K_I = Yσ√(πa) (Y = factor geométrico, a = longitud de grieta)
- Energía de fractura: G_IC = K_IC²/E' (E' = E para tensión plana)
Fatiga
- Curva S-N: σ_a vs N (ciclos hasta fractura)
- Límite de fatiga: σ_e (para aceros, ~0,5·UTS)
- Ecuación de Basquin: σ_a = σ'_f(2N)^b
- Crecimiento de grieta: da/dN = C(ΔK)^m (Ley de Paris)
Creep (fluencia)
- Tercera etapa: aceleración → fractura
- Ecuación de Norton: ε̇ = Aσⁿe^(-Q/RT)
- Temperatura homologada: T/T_m > 0,4 → creep significativo
Tratamientos térmicos
Recocido
- Recocido completo: austenitización + enfriamiento lento → ablandar
- Recocido de normalizado: enfriamiento al aire → grano fino
- Recocido de recristalización: eliminar endurecimiento por deformación
Temple
- Temple: austenitización + enfriamiento rápido (agua/aceite)
- Martensita: fase metastable, muy dura y frágil
- Profundidad de temple: depende de la capacidad de templabilidad (Jomini)
Temple y revenido
- Revenido: temple + calentamiento a T media → reducir fragilidad
- Temple superficial: inducción, llama, láser
Transformación de austenita
- Ferrita (α): BCC, C < 0,022%
- Austenita (γ): FCC, C hasta 2,14%
- Cementita (Fe₃C): 6,67% C, muy dura y frágil
- Perlita: α + Fe₃C en capas, ~0,8% C
- Bainita: transformación a T media, más tenaz que perlita
- Martensita: transformación sin difusión, muy dura
Selección de materiales
Diagrama de Ashby
- E vs ρ: rigidez vs densidad (aeroespacial)
- σ_y vs ρ: resistencia vs densidad
- K_IC vs ρ: tenacidad vs densidad
- Índice de selección: M = σ_y^(2/3)/ρ (viga ligera y resistente)
Clasificación por aplicación
- Estructurales: aceros, aluminio, titanio, compuestos
- Térmicos: cerámicos, superaleaciones
- Funcionales: semiconductores, piezoeléctricos, superconductores
- Corrosión: acero inoxidable, titanio, níquel
Errores comunes / Pitfalls
- Regla de la palanca: invertir los brazos. f_α usa el brazo OPUESTO a α
- Límite elástico vs UTS: σ_y < UTS. El material se deforma plásticamente antes del máximo
- Temple: enfriar demasiado rápido puede causar grietas. Elegir medio de temple adecuado
- Fatiga: el límite de fatiga NO existe para todos los materiales. Aluminio NO tiene límite claro
- Creep: solo significativo a T > 0,4·T_m (en Kelvin)
Verificación
- APF: FCC = 0,74 (máximo para esferas iguales)
- Regla de la palanca: f_α + f_β = 1
- UTS ≈ 3,45 × HB para aceros al carbono
- K_I = Yσ√(πa). Verificar unidades: [MPa√m]
- Creep: T/T_m > 0,4 para que sea significativo