Comportamiento, Resistencia, Ensayos de Materiales y Estructura de los materiales

 

Equipo:

• Metal Masters

Integrantes:

• Izhan Leonardo Mujica Anaya 24310240
• Miguel Ángel Sánchez Vidrio 24310234
  
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3.1 Comportamiento elástico y plástico

3.1.1 Concepto Básico

Cuando hablamos de cómo se comportan los materiales frente a una fuerza, hay dos respuestas principales: elástica y plástica.

• En la zona elástica, el material se deforma, pero vuelve a su forma original cuando se quita la fuerza.

• En la zona plástica, la deformación es permanente. Es decir, el material ya no regresa a su forma original. Esto es clave, por ejemplo, cuando se doblan metales.

3.1.2 Comportamiento elástico a nivel atómico

A nivel atómico, los átomos están unidos entre sí como si fueran resortes. Cuando aplicamos una fuerza, estos “resortes” se estiran un poco. Si la fuerza no es muy grande, los átomos vuelven a su posición original. Eso es la elasticidad. Pero si la fuerza es muy intensa, los átomos se reacomodan de forma permanente, y eso ya es una deformación plástica.





3.1.3 Base Física del módulo de elasticidad

El módulo de Young es una forma de medir qué tan rígido es un material. Cuanto más alto es el valor, más se resiste a deformarse elásticamente. Este módulo depende de qué tan fuertes son los enlaces entre átomos. Por ejemplo, el acero tiene un módulo alto, lo que significa que no se deforma fácilmente.





3.1.4 Deformación Plástica para deslizamiento

Cuando un material ya no puede resistir la carga, comienza a deformarse plásticamente. Esta deformación sucede porque en el interior del material, los átomos se deslizan unos sobre otros. Esto se da a través de estructuras llamadas dislocaciones, que son como imperfecciones dentro del cristal que permiten que los átomos se muevan más fácilmente.





3.1.5 Sistema de Deslizamiento en estructuras cristalinas

Dependiendo del tipo de estructura del material (como cúbica centrada en el cuerpo o cúbica centrada en las caras), hay más o menos caminos por donde se pueden mover las dislocaciones. Por ejemplo, el aluminio (estructura FCC) tiene muchos sistemas de deslizamiento, por eso es muy maleable. En cambio, el magnesio (estructura HCP) tiene pocos y es más frágil.

3.1.6 Esfuerzos constantes críticos

Este es el esfuerzo mínimo que se necesita para que una dislocación empiece a moverse en el material. Si no se alcanza este valor, el material sigue siendo elástico. Una vez que se supera, comienza la deformación plástica.





3.1.7 Fractura y tipos de fractura

• Fractura frágil: el material se rompe de forma brusca, sin aviso. Suele pasar en materiales duros y fríos.

• Fractura dúctil: antes de romperse, el material se deforma bastante, como cuando estiramos un clip de metal.

  
  
  
  
  

3.2 Endurecimiento

3.2.1 Introducción

El endurecimiento es un conjunto de métodos que hacen que un material sea más resistente. Esto no significa que sea más duro en el sentido común, sino que cuesta más deformarlo plásticamente.

3.2.2 Endurecimiento por solución sólida

Consiste en agregar átomos de otro tipo (como el carbono en el hierro para formar acero). Estos átomos se meten en el cristal y generan tensiones internas que dificultan el movimiento de las dislocaciones, haciendo al material más resistente.





3.2.3 Por precipitación y dispersión

En este caso, durante ciertos tratamientos térmicos, se forman pequeñas partículas dentro del material. Estas partículas actúan como obstáculos para el movimiento de dislocaciones. Es un método común en aleaciones como el aluminio templado.





3.2.4 Por deformación

También se le llama trabajo en frío. Al deformar el material (por ejemplo, al laminarlo o estirarlo), se generan más dislocaciones. Cuantas más dislocaciones hay, más difícil es que se sigan moviendo. El material se endurece, pero a cambio se vuelve más frágil.







3.2.5 Por límites de grano y por fibra

En los metales policristalinos, los granos (como pequeñas zonas con diferente orientación cristalina) actúan como barreras. Cuando los granos son más pequeños, hay más fronteras y eso hace que sea más difícil que las dislocaciones se desplacen.

• Este principio es la base de la ley de Hall-Petch.

• En el caso de materiales reforzados con fibras (como los compuestos), las fibras impiden la propagación de deformaciones, haciendo que el material resista más.

  
  

3.3 Propiedades mecánicas

3.3.1 Comportamiento tensión-deformación

Este comportamiento se observa en un gráfico que relaciona el esfuerzo aplicado (tensión) con cuánto se deforma el material.

• Al principio, la curva es lineal (comportamiento elástico).

• Luego, llega al límite elástico y empieza a deformarse plásticamente.

• Aumenta hasta llegar al pico de resistencia (esfuerzo máximo) y finalmente el material se fractura.
  Este ensayo se usa para saber cuán resistente y deformable es un material.

  
  

3.3.2 Deformación elástica, propiedades elásticas

Cuando un material está en la etapa elástica:

• Se usan propiedades como el módulo de Young (resistencia a la tracción/compresión),

• Módulo de corte (resistencia al esfuerzo cortante), y

• Coeficiente de Poisson, que indica cómo cambia la forma del material al ser estirado (se alarga y se estrecha, por ejemplo).

  
  
  

3.3.3 Deformación plástica, fluencia, límite elástico, ductilidad, fragilidad, resiliencia

• Fluencia: es cuando un material sigue deformándose lentamente bajo una carga constante (como una viga que se dobla con el tiempo).

• Límite elástico: punto donde empieza la deformación permanente.

• Ductilidad: cuánto se puede estirar un material antes de romperse.

• Fragilidad: se rompe sin deformarse casi nada (vidrio, cerámica).

• Resiliencia: capacidad para absorber energía en la zona elástica sin romperse. Ej.: los resortes.

  
  

3.3.4 Tenacidad, recuperación elástica

• Tenacidad: mide cuánta energía puede absorber un material antes de romperse (área total bajo la curva tensión-deformación).

• Recuperación elástica: parte de la deformación plástica que puede “volver atrás” cuando se elimina la carga, aunque no siempre es completa.

  

  

  
  
  
  

3.3.5 Tensión y deformaciones reales. Dureza

• A diferencia de los valores “ingenieriles”, las tensiones reales consideran el área que cambia durante la prueba (más exacto en deformaciones grandes).

• La dureza mide qué tan resistente es un material al rayado o penetración. Hay varios métodos:

  • Brinell: para materiales blandos o medios.

  • Rockwell: rápido y común en metales.

  • Vickers: para materiales muy duros o muy finos.

    
    
    

3.4 Ensayos mecánicos

3.4.1 Ensayos de tracción y compresión

Son pruebas fundamentales:

• En tracción, se tira del material hasta romperlo. Nos da datos como resistencia máxima, límite elástico, módulo de elasticidad y ductilidad.

• En compresión, se aplica una carga que aplasta el material (muy usado en concreto y materiales frágiles).

  
  
  

3.4.2 Límite convencional de fluencia

Es un valor que indica a partir de qué punto el material comienza a deformarse plásticamente. En muchos casos se usa un valor de deformación estándar (por ejemplo, 0.2%) para definirlo, porque el punto exacto no siempre es claro en el gráfico.




3.4.3 Ensayo de flexión

Se aplica una carga en el centro de una muestra apoyada en dos extremos.

• Se usa mucho con materiales frágiles como madera, cerámicos o plásticos.

• Nos da información sobre el módulo de rotura y la resistencia a la flexión.

  
  

3.4.4 Ensayo de dureza

Consiste en presionar una punta (de acero o diamante) contra el material y medir la huella.

• Rockwell es el más usado en metales industriales.

• Brinell da huellas más grandes, útil en metales blandos.

• Vickers es preciso en metales finos o capas delgadas.

  
  

3.4.5 Ensayo de fatiga

Este ensayo aplica cargas cíclicas (vaivén) al material para ver cuántos ciclos aguanta antes de romperse.

• Muy importante en piezas que trabajan repetidamente, como ejes, resortes o alas de avión.

• Hay materiales que fallan por fatiga aunque estén dentro de su límite elástico.

  
  

3.4.6 Ensayo tecnológico

Son ensayos que simulan condiciones reales de uso o fabricación, como embutición, doblado, punzonado o corte.

• Ayudan a predecir cómo se comportará el material en procesos industriales.

3.5 Ensayos no destructivos

3.5.1 Líquidos penetrantes

Se aplica un líquido con alta capilaridad sobre la superficie. Luego se limpia y se añade un revelador que hace visible si el líquido se metió en alguna grieta.

• Ideal para detectar fisuras superficiales invisibles a simple vista.

• Útil en soldaduras o piezas de fundición.

  
  
  

3.5.2 Partículas magnéticas

Se magnetiza la pieza (solo aplica a materiales ferromagnéticos). Si hay grietas, se generan campos magnéticos interrumpidos donde se acumulan partículas metálicas aplicadas en seco o con líquido.

• Muy visual, se ve como una línea o sombra en el defecto.

  
  
  

3.5.3 Ultrasonido

Se envían ondas ultrasónicas (como en los ecos del cuerpo humano) al material. Las ondas rebotan en defectos internos y permiten identificarlos.

• Es uno de los métodos más precisos.

• Se usa mucho en aeronáutica, soldaduras críticas, etc.

  
  
  

3.5.4 Radiografía Industrial

Usa rayos X o rayos gamma para ver el interior de una pieza.

• Genera imágenes parecidas a una radiografía médica.

• Se pueden ver inclusiones, poros, grietas internas.

• Es costoso y requiere medidas de seguridad, pero da resultados muy claros.

  
  
  

4.1 Ciencia de los materiales

4.1.1 El objeto de la Ciencia de Materiales

La ciencia de materiales estudia cómo la estructura interna de un material (desde el nivel atómico hasta el macroscópico) afecta sus propiedades y su comportamiento.
Su objetivo es entender para modificar, diseñar o seleccionar materiales que se ajusten a ciertas funciones, ya sea construir un avión, un chip electrónico o una prótesis.

4.1.2 Materiales para Ingeniería

Los materiales se agrupan según su composición y comportamiento:

• Metálicos: buenos conductores de electricidad y calor, maleables, fuertes. Ej.: acero, aluminio.

• Cerámicos: resistentes a altas temperaturas, duros, pero frágiles. Ej.: porcelana, ladrillo.

• Poliméricos (plásticos): livianos, aislantes eléctricos y térmicos, flexibles. Ej.: PVC, nailon.

• Compuestos: combinación de dos o más materiales, para potenciar sus cualidades. Ej.: fibra de vidrio, concreto armado.

• Avanzados: como los biomateriales o los nanomateriales, diseñados con fines muy específicos y tecnología de punta.

  
  
  

4.1.3 Tipos de Enlace

El tipo de enlace entre átomos define cómo se comporta un material:

• Iónico: un átomo cede electrones y otro los recibe. Materiales duros, frágiles y con alto punto de fusión. Ej.: sal común (NaCl).

• Covalente: los átomos comparten electrones. Suelen ser muy duros y poco conductores. Ej.: diamante, silicio.

• Metálico: los electrones "flotan" libremente, permitiendo conductividad. Ej.: cobre, oro.

• Puentes de hidrógeno y Van der Waals: son enlaces débiles, presentes en muchos polímeros y materiales biológicos.

  
  

4.1.4 Propiedades Mecánicas y Físicas

Aquí se agrupan dos tipos de propiedades:

Mecánicas:

• Resistencia: aguanta fuerzas sin romperse.

• Dureza: resiste rayado o penetración.

• Ductilidad: se puede estirar sin romperse (como un alambre).

• Tenacidad: resiste impactos.

• Elasticidad: vuelve a su forma original después de deformarse.

Físicas:

• Densidad, punto de fusión, conductividad térmica y eléctrica, etc.
  Estas propiedades se estudian para ver qué material sirve mejor en ciertas aplicaciones.

  
  
  

4.1.5 Relación estructural y propiedades

La estructura interna (cómo están acomodados los átomos) influye muchísimo en las propiedades del material.
Por ejemplo:

• Un metal con estructura cristalina ordenada puede ser muy resistente.

• Si tiene defectos o está desordenado, será más débil o más dúctil.

Incluso un mismo material puede comportarse distinto si se cambia su estructura interna (como templar el acero para hacerlo más duro).

4.1.6 El problema de la elección de un material

No siempre se elige el material más fuerte, sino el más adecuado para una función específica.
Hay que pensar en:

• Su resistencia y durabilidad,

• Si es fácil de trabajar,

• El costo y disponibilidad,

• Si se puede reciclar o reparar.

Ejemplo: no se usa titanio para una cuchara, aunque es más fuerte que el acero, porque sería demasiado costoso e innecesario.

4.2 Estructura cristalina y amorfa

4.2.1 Estructura cristalina y amorfa

• Cristalina: átomos organizados en patrones repetitivos. Ej.: metales, sal, diamante.
  Esta estructura permite alta resistencia y conductividad.

• Amorfa: los átomos están desordenados, como en el vidrio o algunos plásticos.
  Suelen ser frágiles y con baja conductividad.

  
  

4.2.2 Estudio de las principales redes cristalinas

Las redes cristalinas más comunes son:

• Cúbica simple (SC): pocos materiales la tienen, es poco eficiente.

• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): resistente, menos densa (Ej.: hierro a temperatura ambiente).

• Cúbica centrada en las caras (FCC): muy empaquetada, más dúctil (Ej.: cobre, aluminio).
  Estas redes explican por qué un metal es más maleable o más resistente.

  
  
  

4.2.3 Índice de Miller Cristalográficos: planos y dirección

Los índices de Miller permiten identificar planos y direcciones atómicas dentro de un cristal.

Ejemplo de uso: si queremos saber por dónde se desliza más fácilmente un átomo dentro del metal (es decir, por dónde se deforma), los índices de Miller nos ayudan a definir esos caminos.

4.2.4 Estudio de huecos en las redes

En las redes cristalinas siempre hay huecos o espacios libres. Estos huecos:

• Permiten que otros átomos se muevan (difusión).

• Influyen en la densidad del material.

• Afectan la forma en que se comporta bajo temperatura o presión.

  
  

4.2.5 Estructuras de materiales cerámicos sencillos

Los cerámicos tienen estructuras con enlaces iónicos o covalentes.
Son duros y resistentes, pero también frágiles. Ejemplos:

• NaCl (cloruro de sodio): estructura cúbica sencilla.

• Al2O3 (alúmina): muy resistente al calor, usada en herramientas de corte.
  Estas estructuras explican por qué los cerámicos resisten el fuego pero se rompen fácilmente.

  
  
  

4.2.6 Estudio de la estructura amorfa

Materiales como el vidrio o ciertos plásticos tienen estructura amorfa.

• No tienen un patrón ordenado.

• Tienen propiedades como transparencia, baja conductividad, o resistencia química.

• Son útiles en aplicaciones como óptica, botellas, aislamiento eléctrico.

  
  

4.3 Imperfecciones cristalinas

4.3.1 Introducción a los defectos en la red cristalina

Todos los materiales tienen imperfecciones. Aunque parezca negativo, a veces son necesarias para mejorar propiedades (como la dureza del acero).
Los defectos se clasifican en:

• Puntuales: en uno o pocos átomos.

• Lineales: en una fila de átomos.

• Superficiales: en capas del cristal.

4.3.2 Imperfecciones puntuales

Tipos:

• Vacante: falta un átomo.

• Intersticial: hay un átomo extra metido en un hueco.

• Sustitucional: un átomo distinto reemplaza al original.

Estos defectos afectan:

• La resistencia,

• La difusión de átomos (útil para tratamientos térmicos),

• La formación de aleaciones.

  
  

4.3.3 Imperfecciones lineales

Las más conocidas son las dislocaciones, como una "arruga" en la red cristalina.

Tipos:

• Dislocación de borde: falta una semiplana de átomos.

• Dislocación de tornillo: hay un deslizamiento tipo espiral.

Estas dislocaciones permiten que los materiales se deformen sin romperse, o sea, que tengan plasticidad. También influyen en la resistencia al esfuerzo.