Fundamentos de Ingeniería de Materiales: Clasificación, Defectos y Fases

Ciencia e Ingeniería de Materiales (CIM): Fundamentos

La Ciencia e Ingeniería de Materiales (CIM) establece una relación fundamental entre la composición química y la estructura atómica de un material, y sus propiedades resultantes. Esta disciplina explora cómo la síntesis y el procesamiento influyen en la estructura, lo que a su vez determina el comportamiento del material. La microestructura es un factor clave en la definición de las propiedades, y su control permite obtener materiales con características optimizadas para diversas aplicaciones.

Tipos de Materiales

Clasificación por Origen

• Naturales: Madera, piedra, algodón, lana.
• Sintéticos: Plásticos, metales procesados, vidrio.

Clasificación por Composición

• Conductores
• Aislantes
• Semiconductores

Clasificación por Propiedades

• Tenaces / Frágiles
• Duros / Blandos
• Rígidos / Flexibles

Clasificación por Uso

• Estructurales: Acero, hormigón.
• Electrónicos: Semiconductores, metales.
• Textiles: Algodón, lana, seda.
• Recubrimientos: Pinturas, barnices.

Clases Principales de Materiales

Metales

Son dúctiles, resistentes y poseen buena conductividad térmica y eléctrica. Ejemplos: acero, aluminio (Al), cobre (Cu).

Cerámicos y Vidrios

Formados por la unión de metales y no metales. Pueden ser cristalinos (con orden atómico) o amorfos (vidrios). Sus propiedades incluyen ser frágiles, duros, aislantes térmicos y eléctricos, y con alta inercia química. Los vitrocerámicos ofrecen mayor resistencia mecánica y térmica. Ejemplos: alúmina, vidrio templado, refractarios.

Polímeros

Constituidos por cadenas largas de monómeros. Son livianos, flexibles, aislantes y resistentes a agentes químicos. Ejemplos: PVC, policarbonato, polietileno.

Compuestos

Combinan un refuerzo con una matriz (polimérica, metálica o cerámica). Su objetivo es mejorar las propiedades, especialmente la relación resistencia/peso. Ejemplos: fibra de carbono + epoxi, hormigón armado, materiales tipo sándwich.

Semiconductores

Presentan una conductividad intermedia, la cual puede ser controlada mediante la pureza del material. Ejemplos: silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sn), carburo de silicio (SiC).

Relación Estructura y Propiedades

Estructura Atómica

Se refiere a los enlaces (iónico, covalente, metálico, Van der Waals) y a la organización cristalina o amorfa. Define las propiedades básicas como la conductividad, dureza y punto de fusión.

Microestructura

Incluye características como granos, fases y defectos. Depende de los procesos aplicados (tratamiento térmico, enfriamiento, deformación) y afecta propiedades mecánicas, térmicas y ópticas.

Relación entre Estructura Atómica y Microestructura

La estructura atómica define las propiedades fundamentales, mientras que la microestructura las optimiza y adapta para aplicaciones específicas.

Selección de Materiales

La selección de materiales se basa en diversos criterios:

• Función y servicio requerido.
• Procesabilidad y costo.
• Impacto ambiental.

Se evalúan propiedades mecánicas, físicas, químicas, ópticas y magnéticas. Otros factores importantes incluyen:

• Consideraciones económicas.
• Resistencia a la corrosión.
• Densidad.
• Ductilidad y tenacidad.
• Conductividad.
• Posibilidad de tratamientos térmicos.
• Maquinabilidad y soldabilidad.

Sustitutos Comunes

Para optimizar propiedades o reducir costos, se consideran sustitutos como:

• Polímeros de ingeniería: Livianos, anticorrosión.
• Compuestos: Alta relación resistencia/peso.
• Cerámicos avanzados: Dureza, resistencia a altas temperaturas.
• Aleaciones ligeras: Magnesio (Mg), titanio (Ti).

Diagramas de Ashby

Los Diagramas de Ashby son gráficos de propiedades versus propiedades (ej. módulo de Young vs. densidad, resistencia vs. costo). Su uso implica:

1. Definir los requisitos de diseño.
2. Elegir el gráfico adecuado.
3. Trazar una línea de desempeño.
4. Filtrar las opciones de materiales.

Ventajas: Ofrecen una visualización clara, permiten comparar familias de materiales y facilitan la optimización multidimensional.

Comparativa de Materiales en Diagramas de Ashby

Metales

• Densidad: Alta
• Conductividad: Alta
• Procesabilidad: Buena
• Propiedades mecánicas: Excelentes
• Corrosión: Media
• Costo: Medio

Cerámicos

• Densidad: Media
• Conductividad: Baja
• Procesabilidad: Difícil
• Fragilidad: Alta
• Corrosión: Muy alta
• Costo: Alto

Polímeros

• Densidad: Baja
• Conductividad: Muy baja
• Procesabilidad: Excelente
• Elasticidad: Alta
• Corrosión: Alta
• Costo: Bajo

Compuestos

• Densidad: Muy baja
• Conductividad: Variable
• Procesabilidad: Compleja
• Propiedades mecánicas: Optimizadas
• Corrosión: Alta
• Costo: Medio-alto

Ejemplo de Selección Óptima

Si se requiere un material con buena resistencia a la torsión, a la fatiga y con buena maquinabilidad, el acero aleado es a menudo la mejor opción. Es tenaz, resiste ciclos de carga, permite tratamientos térmicos y equilibra resistencia con maquinabilidad.

Consideraciones para Sustitutos

Los motivos para buscar sustitutos incluyen la reducción de peso, la disminución de costos o la mejora de la resistencia química. En estos casos, los polímeros o compuestos son alternativas viables. Sin embargo, si se requiere alta conductividad, no se deben sustituir. Si se busca anticorrosión y ligereza, un polímero es una excelente opción.

Comparación: Cobre vs. PVC

• Cobre: Caro, requiere soldadura, se oxida, pesado, alta conductividad térmica, rígido, menos seguro en algunas aplicaciones.
• PVC: Barato, fácil de unir, no se oxida, liviano, aislante térmico, flexible, seguro para agua potable.

Unidad II – Estructura Atómica y Enlaces

El Átomo

El átomo se compone de un núcleo (protones p+ y neutrones n0) y electrones (e−) que orbitan en niveles energéticos. La masa atómica se calcula como la suma de protones y neutrones (en unidades de masa atómica, uma). El número de Avogadro es 6.022 × 10²³ átomos/mol. Los isótopos son átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones. La valencia se refiere a los electrones que participan en la formación de enlaces.

La Tabla Periódica

La Tabla Periódica organiza los elementos por su número atómico. Los grupos indican el número de electrones de valencia, y los periodos representan los niveles de energía. Permite predecir propiedades como:

• Tipo de enlaces.
• Electronegatividad.
• Tamaño atómico.
• Propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas.

Zonas Relevantes de la Tabla Periódica

• Metales Alcalinos: Reactivos, blandos (usados en baterías).
• Metales de Transición: Conductores, base para aleaciones (Fe, Cu, Ti).
• Lantánidos y Actínidos: Propiedades magnéticas y nucleares.
• Metaloides: Semiconductores (Si, Ge).
• No Metales: Forman enlaces covalentes, frágiles (componentes de polímeros).
• Gases Nobles: Inertes (usados en atmósferas controladas).

Defectos Cristalinos y Estructura No Cristalina

Los materiales sólidos se clasifican principalmente según el orden de sus átomos.

• En los materiales cristalinos, los átomos forman una red tridimensional regular y repetitiva, lo que influye significativamente en sus propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas.
• Los materiales amorfos (ej. vidrio) carecen de un orden de largo alcance, lo que los hace más frágiles y con un menor punto de fusión.

Existen 7 sistemas cristalinos, definidos por las longitudes de sus ejes y los ángulos entre ellos. Cada sistema puede tener una o más redes de Bravais, sumando un total de 14 redes que representan todas las posibles configuraciones de empaquetamiento atómico.

Sistemas Cristalinos Más Relevantes

• Cúbico: Alta simetría (ej. Cu, Al, Fe γ).
• Hexagonal: Presente en metales como Zn, Mg.
• Tetragonal y Ortorrómbico: Menos simétricos, comunes en cerámicos.

Las redes de Bravais son fundamentales para predecir la organización de los átomos y el comportamiento del material frente a esfuerzos mecánicos o térmicos.

Soluciones Sólidas

Las soluciones sólidas son imperfecciones controladas en la estructura cristalina:

• Por sustitución: Un átomo de soluto reemplaza a un átomo de disolvente. Esto ocurre cuando los átomos son similares, siguiendo las reglas de Hume-Rothery: radio atómico con diferencia <15%, misma estructura cristalina, electronegatividad y valencia similares.
• Por intersticio: Átomos pequeños ocupan los huecos entre los átomos de la red. Mantiene la neutralidad de carga y puede formar vacancias.

Defectos Puntuales (0D)

Son imperfecciones localizadas en un punto de la red cristalina:

• Vacancia: Un átomo está ausente de su posición normal en la red, lo que aumenta la entropía y la difusión.
• Átomo intersticial: Un átomo ocupa un hueco en la red, comprimiéndola y aumentando la resistencia.
• Sustitucional pequeño: Un átomo de soluto más pequeño que el disolvente causa compresión local, afectando la resistencia y conductividad.
• Sustitucional grande: Un átomo de soluto más grande que el disolvente causa tracción local, dificultando el movimiento de dislocaciones y provocando endurecimiento.
• Defecto de Frenkel: Un par vacancia-intersticial, donde un catión se desplaza de su posición a un sitio intersticial, aumentando la conducción iónica.
• Defecto de Schottky: Un par de vacancias (catión-anión) ausentes, lo que disminuye la densidad y aumenta la movilidad iónica, común en cerámicos.

Dislocaciones (Defectos Lineales, 1D)

Son imperfecciones lineales que permiten la deformación plástica de los materiales:

• Dislocación de borde: Se introduce un plano atómico extra en la red, causando una distorsión. Contribuye al endurecimiento.
• Dislocación de tornillo: Un desplazamiento helicoidal de los planos atómicos, relacionado con la ductilidad.
• Dislocación mixta: Combina características de las dislocaciones de borde y tornillo, siendo la más común.

Un mayor número de dislocaciones generalmente aumenta la resistencia del material (fenómeno de endurecimiento por deformación).

Defectos de Superficie (2D)

Son imperfecciones que se extienden en dos dimensiones:

• Macla: Una discontinuidad en la orientación cristalina que actúa como un espejo.
• Borde de grano: La frontera entre dos cristales (granos) con diferente orientación. El ángulo entre los granos determina muchas propiedades.
• Tamaño de grano (G): Se refiere a la densidad de granos y su diámetro medio, influyendo en la resistencia y tenacidad.

Defectos Volumétricos (3D)

Son imperfecciones que se extienden en tres dimensiones:

• Porosidad: Cavidades o huecos dentro del material que lo debilitan.
• Grietas internas: Defectos que representan un riesgo de fractura.
• Inclusiones: Partículas extrañas dentro de la matriz del material, que pueden iniciar la fatiga.
• Segregaciones: Zonas con una composición química distinta al resto del material, generando heterogeneidad.

Comparación: Materiales Amorfos vs. Cristalinos

• Materiales amorfos: Poseen solo orden de corto alcance. Pueden fluir lentamente (flujo viscoso, creep), son frágiles y resistentes a las dislocaciones.
• Materiales cristalinos: Presentan orden de largo alcance, con un patrón repetitivo de átomos. Forman granos y bordes de grano, exhiben anisotropía y permiten el movimiento de dislocaciones.

Arreglos Iónicos

En los materiales iónicos, los cationes y aniones se organizan para mantener la neutralidad eléctrica y asegurar que sus radios sean compatibles, lo que determina la estructura cristalina. Por ejemplo, en el NaCl, cada ion Na+ está rodeado por 6 iones Cl−.

Aplicaciones de la Comprensión de Defectos

El estudio de los defectos permite predecir propiedades, diseñar materiales con características específicas, controlar tratamientos y seleccionar materiales para aplicaciones especiales.

Técnicas de Microscopía para el Estudio de Materiales

• Microscopía Óptica: Permite observar el tamaño de grano, las fases presentes, inclusiones y grietas superficiales.
• Microscopía Electrónica de Barrido (SEM): Ofrece imágenes tridimensionales de la superficie y permite analizar fracturas.
• Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM): Permite visualizar el interior de los materiales, incluyendo dislocaciones y fronteras de grano.
• Microscopía de Fuerza Atómica (AFM): Proporciona información sobre la topografía a escala atómica.

Estas técnicas son cruciales para correlacionar la microestructura con las propiedades, lo que es fundamental para el control de calidad y el desarrollo de nuevos materiales.

Diagramas de Fases: Evolución Microestructural

Conceptos Clave

• Fase: Una región homogénea en composición química y estructura.
• Componente: Una sustancia química pura que constituye una fase.
• Variables de estado: Temperatura (T), Presión (P), Volumen (V) y Composición (C), que controlan la microestructura.
• Grados de libertad (F): Se calculan con la Regla de Gibbs: F = C − P + 2 (o F = C − P + 1 si la presión es constante).

Diagramas de Fase

Representan las fases presentes en un sistema en función de la temperatura y la composición (comúnmente binarios o ternarios).

Tipos de Solubilidad y Reacciones de Fase

• Solubilidad total: Formación de una solución sólida completa (ej. Cu-Ni).
• Reacción eutéctica: Un líquido (L) se transforma en dos sólidos (α + β) al enfriarse, con insolubilidad en estado sólido.
• Eutéctico parcial: Las fases α y β se disuelven parcialmente.
• Reacción eutectoide: Un sólido se transforma en dos sólidos diferentes al enfriarse (ej. Fe-Fe3C).
• Reacción peritéctica: Un sólido (A) y un líquido (L) reaccionan para formar un nuevo sólido (B) (A + L → B).

Diagramas Binarios Generales

Incluyen todas las reacciones anteriores y la formación de compuestos intermedios (ej. A + B → AB). Durante un enfriamiento lento, primero precipita una fase (ej. α) y luego se forma una mezcla de fases (ej. α + β).

Regla de la Palanca

Permite calcular la proporción de fases presentes en un sistema en equilibrio a una temperatura y composición dadas:

Fracción de Fase 1 / Fracción de Fase 2 = Longitud de palanca opuesta a Fase 1 / Longitud de palanca opuesta a Fase 2

También se aplica el equilibrio de masas: masa de líquido (mL) + masa de solución sólida (mSS) = masa total.

Ideas Clave sobre Diagramas de Fases

• Los diagramas de fases predicen la microestructura y la proporción de fases según la composición y la temperatura.
• Los tipos de diagramas incluyen solubilidad total, eutéctico, eutectoide y peritéctico.
• Las herramientas fundamentales son la regla de fases y la regla de la palanca.

Diagramas de Fases: Enfriamiento Lento (Sistemas Binarios)

Principio del Enfriamiento Lento

Durante el enfriamiento lento, la microestructura de un material evoluciona casi en equilibrio. La regla de la palanca es esencial para calcular la proporción de fases a diferentes temperaturas.

Tipos de Composiciones y Microestructuras Resultantes

Solución Sólida Completa (ej. 50%A–50%B)

• La solidificación es gradual.
• La fracción de líquido (L) y de solución sólida (SS) cambia continuamente con la temperatura.
• El microconstituyente dominante evoluciona lentamente.

Composición Eutéctica

• Se forma una microestructura laminar fina de dos fases (α + β).
• Las proporciones de fases varían poco con la temperatura.
• Se caracteriza por un orden y finura destacadas.

Composición Hipereutéctica

• Antes de alcanzar la temperatura eutéctica, precipita una fase β proeutéctica.
• Posteriormente, el líquido residual se transforma en una microestructura eutéctica fina.

Composición Hipoeutéctica

• Antes de alcanzar la temperatura eutéctica, precipita una fase α proeutéctica.
• Luego, el líquido residual se transforma en una mezcla eutéctica de α + β.

Composiciones Bajas (ej. 10–20%B)

• Evitan la reacción eutéctica principal.
• La fase β puede precipitar dentro de la fase α o en los bordes de grano.

Ejemplos en el Sistema Hierro-Carbono (Fe–C)

• Fundición blanca (~3%C): Microestructura de perlita y cementita (Fe3C) en forma de islas.
• Fundición gris (~3%C): Presenta láminas de grafito en una matriz de ferrita.
• Acero eutectoide (~0.77%C): Se transforma completamente en perlita (una mezcla laminar de ferrita y cementita).
• Acero hipereutectoide (~1.13%C): Contiene cementita proeutéctica y perlita.
• Acero hipoeutectoide (~0.50%C): Contiene ferrita proeutéctica y perlita.

Ideas Clave sobre Enfriamiento Lento

• El enfriamiento lento produce una microestructura cercana al equilibrio.
• La regla de la palanca es crucial para determinar la fracción de fases.
• Las composiciones binarias dan lugar a microestructuras típicas como soluciones sólidas, eutécticas y proeutécticas.
• En el sistema Fe–C, se forman perlita, ferrita y cementita en función del porcentaje de carbono.

Enlaces Químicos en Materiales

Enlace Iónico

Implica la transferencia de electrones entre átomos (ej. NaCl). Sus propiedades son: duro, frágil, aislante en estado sólido y conductor en estado fundido. El número de coordinación (NC) depende de los radios iónicos.

Enlace Covalente

Se forma por el compartir de electrones entre átomos (ej. carbono en diamante, silicio, polímeros). Sus propiedades son: muy duro, direccional y generalmente no conductor.

Enlace Metálico

Caracterizado por un «mar» de electrones libres deslocalizados (ej. Cu, Fe). Sus propiedades son: conductores (térmicos y eléctricos), dúctiles, brillantes y con un alto número de coordinación.

Enlaces Secundarios (Fuerzas de Van der Waals, Enlaces de Hidrógeno)

Son fuerzas débiles que actúan entre moléculas (ej. agua, plásticos, polímeros). Influyen en la fluidez, la forma y los bajos puntos de fusión de los materiales.

Electronegatividad

La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en la tabla periódica. Los metales tienen baja electronegatividad (tienden a ceder electrones), mientras que los no metales tienen alta electronegatividad (tienden a ganar electrones).

Clasificación de Materiales por Tipo de Enlace Predominante

• Metales: Enlace metálico.
• Cerámicos: Enlace iónico/covalente.
• Polímeros: Enlace covalente + enlaces secundarios.
• Compuestos: Mezcla de tipos de enlaces.

Ejemplos Aplicados

• Cobre (Cu): Metal de transición con 1 electrón de valencia, lo que le confiere alta conductividad.
• Silicio (Si): Metaloide con una red covalente, lo que lo convierte en un semiconductor.