Control de la microestructura, Diapositivas de Ingeniería de Materiales

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CONTROL DE LA MICROESTRUCTURA

Generalmente un diseño se les solicita de material, de aleaciones

con alta resistencia, pero también con cierta ductilidad y

tenacidad; ordinariamente, la ductilidad es sacrificada cuando una

aleación es endurecida.

Frecuentemente la selección de una aleación depende de la

capacidad de un material para ser elaborado a medida, es decir,

con las características mecánicas exigidas para una determinada

aplicación.

Puesto que la dureza y la resistencia (tanto a la deformación plástica como a la tracción) están relacionadas con la facilidad con la cual la deformación plástica puede ocurrir, la resistencia mecánica se puede aumentar reduciendo la movilidad de las dislocaciones; o sea, mayores fuerzas mecánicas serán requeridas para iniciar la deformación plástica Por el contrario, cuanto menos constrenido sea el movimiento de las dislocaciones, mayor será la facilidad con que un metal podrá deformarse, y será más blando y menos resistente.

Se utilizan muchas técnicas de procesamiento de deformación para darle forma y endurecer de manera simultánea un material por medio del trabajo en frio. Por ejemplo, se utiliza el laminado para producir placas, hojas o laminas metálicas. El forjado deforma el metal en una cavidad de un molde para producir formas relativamente complejas como cigüeñales o bielas de automóviles. Cuando se emplea el trefilado, se jala de una barra metálica a través de un dado para producir un alambre o fibra. En la extrusión se empuja un material a través de un dado para formar productos de secciones transversales uniformes, entre ellos barras, tubos o molduras de aluminio para puertas o ventanas. Se utiliza el embutido profundo para formar el cuerpo de latas de bebidas de aluminio. El estiramiento y el doblez se utilizan para moldear hojas del material. Por lo tanto, el trabajo en frio es una manera eficaz de moldear materiales metálicos mientras, de manera simultánea, se incrementa su resistencia.

El trabajo en frio es una manera eficaz de moldear materiales metálicos mientras, de manera simultánea, se incrementa su resistencia. El inconveniente de este proceso es la perdida de ductilidad. Si toma un alambre de metal y lo dobla de manera reiterada se endurecerá y con el tiempo se romperá, a causa del endurecimiento por deformación. Este proceso se utiliza para fabricar varios productos, especialmente aquellos que no serán expuestos a casi 70% su resistencia como resultado del endurecimiento por deformación que ocurre durante su fabricación. Una parte de la resistencia de las latas de aluminio también proviene de los elementos de aleación (por ejemplo, Mg) adicionados. Observe que varios de los procesos, como el laminado, pueden llevarse a cabo utilizando trabajo en frio y en caliente a temperaturas muy altas.

Efecto del trabajo en frio sobre las

propiedades mecánicas de cobre

comercialmente puro. A medida que

aumenta el trabajo en frio, las

resistencias a la fluencia y a la tensión se

incrementan; sin embargo, la ductilidad

disminuye y se aproxima a cero. El metal

se rompe si se intenta más trabajo en

frio; por lo tanto, existe una cantidad

máxima de trabajo en frio o deformación

que puede efectuarse sobre un material

metálico antes de que se vuelva

demasiado quebradizo y se rompa.

Aplicaciones de la difusión

La difusión se refiere al flujo neto de cualquier

especie, como iones, átomos, electrones y

moléculas.

La magnitud de este flujo depende del

gradiente de concentración y de la

temperatura.

El proceso de difusión es de gran importancia

para una gran variedad de importantes

tecnologías actuales, conceden gran

importancia al control sobre la difusión de los

átomos, iones, moléculas y otras especies.

Existen cientos de aplicaciones y tecnologías

que dependen del incremento o limitación de

la difusión.

Carburización para endurecer la superficie de los aceros Se desea endurecer una superficie, como el diente de un engrane; sin embargo, no se desea endurecer toda la pieza. Se puede utilizar el proceso de carburización para lograr este objetivo. Mediante ella, se difunde una fuente de carbono, como un polvo de grafito o una fase gaseosa que contenga carbono, en los componentes de acero, en este caso, los engranes. El incremento de la concentración de carbono en la superficie del acero incrementa la dureza de este porque los átomos de carbono ubicados en sitios intersticiales obstaculizan los movimientos de dislocación. De manera similar a la introducción de carbono, también se puede utilizar un proceso conocido como nitruración, en el que se aplica nitrógeno en la superficie de un material metálico. La difusión también desempeña una función muy importante para controlar las transformaciones de fase necesarias para el tratamiento térmico de metales y aleaciones, el procesamiento de cerámicas y la solidificación y unión de materiales.

Fabricación de botellas de

plástico para bebidas

La difusión puede no ser siempre beneficiosa. Por ejemplo, una de las condiciones que subyacen a la fabricación de ciertos envases de plástico es que estos deben minimizar la difusión del dióxido de carbono (CO2). !Esta es una de las razones principales por las que se utiliza tereftalato de polietileno (PET) para fabricar botellas que aseguren que las bebidas carbonatadas que lo contienen no perderán su efervescencia durante un periodo razonable! (Favorece la contención de productos alimenticios en frio y permite albergar líquidos y comidas de manera hermética)

Oxidación del

aluminio

El aluminio se oxida (corroe) con mayor facilidad que el hierro; sin embargo, el oxido de aluminio (Al2O3) forma un recubrimiento delgado pero muy protector sobre la superficie del material que previene cualquier otra difusión de oxigeno y que impide la oxidación posterior del aluminio subyacente. El recubrimiento del oxido no tiene color y es delgado y, por lo tanto, invisible. Esta es la razón por la que se piensa que el aluminio no se corroe.

Estabilidad de átomos e iones

Los materiales tienen imperfecciones

y que pueden introducirse de manera

deliberada en ellos; sin embargo, en

realidad estas imperfecciones, e

incluso los átomos o iones ubicados

en sus posiciones normales en las

estructuras cristalinas, no son

estables o están en reposo. Por el

contrario, los átomos o iones poseen

energía térmica y se mueven. Por

ejemplo, un átomo puede moverse

Mecanismos de difusión En los materiales existen defectos conocidos como vacancias. El desorden que crean las vacancias ayuda a minimizar la energía libre y, por lo tanto, incrementa la estabilidad termodinámica de un material cristalino. En los materiales que contienen vacancias, los átomos se mueven o “saltan” de una posición de red a otra. Este proceso, se conoce como autodifusión. Ejemplo, suponiendo que, se introduce un isotopo radiactivo de oro (Au198) en la superficie del oro estándar (Au197). Pasado un tiempo, los átomos radiactivos se moverán hacia el oro estándar. Después, los átomos radiactivos se distribuirán de manera uniforme a lo largo de toda la muestra de oro estándar. Aunque la autodifusion se lleva a cabo de manera continua en todos los materiales, su efecto sobre el comportamiento del material por lo general no es significativo.