ESTRUCTURA DE LOS SLIDOS Y SUS PROPIEDADES MECNICASCruz Gabriela, Guilln Krisbel, Torres RobertoMateriales de Ingeniera de procesos- Escuela de Ingeniera QumicaUniversidad de Carabobo

ResumenA continuacin se trataran dos temas, el primero relacionado con la estructura de los slidos, su clasificacin, estructura atmica, entre otros puntos. Y el segundo relacionado con las propiedades mecnicas de los mismos, las pruebas a las que se someten para probarlas y as elegir el mejor material al momento de realizar un equipo, modificacin, etc.

ESTRUCTURAS DE SLIDOS

Se puede definir a la estructura de los slidos como la configuracin o arreglo que poseen estos y las fuerzas que permiten que estos arreglos se mantengan a distintos niveles.Entre los niveles tenemos:

1. Macroestructuras (Sin ayuda de microscopio)2. Microestructuras (Con aumentos de 100x a 200x) 3. Nanoestructuras4. Arreglos atmicos de corto o largo alcance (solidos amorfos o cristalinos)5. Estructuras atmicas

Es importante comprender la estructura atmica y la forma en que los enlaces atmicos producen los distintos arreglos atmicos e inicos en los materiales. A partir de estos bloques estructurales emergen todos los nano, micro y macroniveles de estructura.

Caractersticas de los enlacesEs importante reconocer las fuerzas que permiten la atraccin de dos tomos o iones en una molcula y las que prevalecen entre las molculas. Ya que, dependiendo de los tipos de enlaces involucrados, se pueden estructuras o cristales:

Metlicos:1. Los iones metlicos ocupan sitios en las redes cristalinas se encuentran dentro de una nube de electrones de valencia deslocalizados.2. Solidifican en tres tipos de redes cristalinas, donde sus tomos estn tan cercanos como sea posible.3. Excelentes conductores de electricidad.

Inicos:1. Sus iones pueden vibrar en torno a posiciones fijas.2. Enlaces muy fuertes.3. Atraccin electroesttica.4. Malos conductores de electricidad.

Covalentes:1. Enlaces fuertes de tipo rgido.2. Altas temperaturas de fusin.3. Malos conductores de electricidad.4. Forma molculas gigantes en una red rgida y extensa.

Moleculares1. Los enlaces en el interior de las molculas son covalentes.2. Poseen interacciones Dipolo-Dipolo, Puente de Hidrgeno y Van der Waals.3. Bajo punto de fusin,4. Malos conductores de electricidad.

Slidos Cristalinos:

Son principalmente representados por los metales. Estos se caracterizan por los tomos se encuentran ordenados segn leyes geomtricas y las posiciones de los tomos guardan cierta simetra. Adems poseen una temperatura de fusin constante.

Slidos Amorfos:

Son representados principalmente por vidrios y plsticos. Los tomos de los slidos amorfos se disponen al azar y no existe simetra en las posiciones de los tomos. Otra caracterstica, es que no poseen una temperatura de fusin constante.

Red espacial o Red cristalina:

Es la representacin del ordenamiento atmico de los slidos cristalinos donde los tomos son descritos como puntos de interseccin de un enrejado de lneas en tres dimensiones. Y cada punto en la red espacial tiene un entorno idntico.

Celda Unitaria:

Es la porcin ms simple de la estructura cristalina que conserva las caractersticas principales de la misma. El tamao y forma de la celda unitaria puede escribirse mediante los parmetros de red: tres vectores a, b,c y los ngulos axiales , , y .

Sistemas cristalinos:

Son aquellos donde los tomos, iones o molculas se repiten peridicamente en las tres direcciones del espacio ocupando posiciones definidas. Como consecuencia de la distribucin interior, poseen forma geomtrica exterior definida. Adems un cristal est considerado como un grupo de tomos que se repiten de forma regular por todo el cuerpo, donde se conservan distancias y ngulos.

Redes de Bravais:

Son las distintas formas de ordenacin posibles. August Bravais demostr que con 14 celdas unidad se pueden describir todas las redes cristalinas considerando los diferentes sistemas sistemas cristalinos y los diferentes tipos de celdas. Existen cuatro tipos bsicos de celda unidad: simple, centrada en el cuerpo, centrada en las caras y centrada en la base.

Estructuras cristalinas tpicas

La mayora de los metales puros cristalizan por solidificacin en tres estructuras cristalinas compactas:

Cbica Centrada en el cuerpo (BCC, body centered cubic) Cbica centrada en las caras (FCC, face centered cubic) Hexagonal compacta (HCP, hexagonal close packing)

Esto se debe a que la energa disminuye a medida que los tomos se acercan y se enlazan entre s. Por lo que, las estructuras ms compactas corresponden a ordenamientos de niveles energticos menores y ms estables.

Numero de coordinacin:

Es el nmero de tomos que toca a otro en particular y es una indicacin de que tan estrecha y eficazmente estn empaquetados los tomos.

Apilamiento Atmico:

Es la manera en que lo tomos, iones o molculas, se arreglan o est arreglados en el estado slido. Esto controla las propiedades de los materiales.

Factor de apilamiento atmico o de empaquetamiento atmico:

Es la fraccin de espacio ocupada por tomos, suponiendo que los tomos son esferas slidas.

APF = (n*vi)/V (1)

Dnde:n: es el nmero de tomos contenidos dentro de la celda unidadvi: volumen de cada tomoV: volumen de la celda unidad

Relacin arista/ radio:

Es la relacin entre la arista del cubo y el radio del tomo. Se deduce mediante geometra y depende de la estructura cristalina.

Estructura de cristales compuestos:

Estos son arreglos estructurales que se pueden presentar como resultado de ms de un tipo de enlace en el slido, uniendo tomos simples, grupos de tomos o molculas complejas.Un ejemplo de estas estructuras es la Silice (SiO2), el cual es uno de los compuestos cermicos ms importantes, estando ampliamente disponible en muchos materiales en bruto en la corteza terrestre.

Su estructura no es simple, de hecho no existe una nica estructura que la describa, si no muchas bajo diferentes condiciones de presin y temperatura. Caracterstica que los diferencia de los metales, ya que, mediante tcnicas de procesado bastante simples, muchas cermicas pueden en forma no cristalina, es decir, con tomos dispuestos en forma irregular y aleatoria.

Solidificacin de materiales cristalinos:

La solidificacin de metales y aleaciones es un importante proceso industrial, dado que la mayora de metales se funden para moldearlos como productos semiacabados o acabados.

En general, la solidificacin de un metal o aleacin puede dividirse en las siguientes etapas:

1. Formacin de ncleos estables en el fundido (nucleacin).2. El crecimiento de ncleos para formar cristales.3. Formacin de una estructura granular.

Nucleacin:

En el proceso de nucleacin comienza una transformacin de fase, donde aparecen regiones diminutas llamadas ncleos de la nueva fase, la cual crece hasta que la transformacin es completa.Los dos mecanismos principales por los que tiene lugar la nucleacin de partculas slidas en un metal lquido, son: la nucleacin homognea y la nucleacin heterognea.

Nucleacin Homognea: Ocurre cuando el mismo liquido provee los sitios para la nucleacin. Esto se da en materiales perfectamente homogneos, tales como un lquido puro. A medida que baja la temperatura, aumenta el nmero de tomos de poco movimiento. Estos se pueden unir unos a otros formando un pequeo slido y contribuir con la iniciacin de la solidificacin. La nucleacin homognea suele requerir de un nivel alto de subenfriamiento que puede llegar a ser de varios cientos de grados centgrados para algunos metales. Para que un ncleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamao crtico. Una agrupacin de tomos enlazados entre s con un tamao menor al tamao crtico, se llama embrin; y otra que sea mayor que el tamao crtico, se llama ncleo. A causa de su inestabilidad, los embriones se forman y redisuelven constantemente en el metal fundido, debido a la agitacin de los tomos.

Nucleacin Heterognea: Ocurre sobre superficies (del recipiente), imperfecciones, regiones severamente deformadas u otros aspectos estructurales que bajan la energa libre critica necesaria para formar un ncleo estable. La solidificacin comienza en estos puntos cuando la temperatura del lquido baja levemente por debajo de la temperatura de congelacin. Por esto en las operaciones de fundicin industrial no se producen grandes subenfriamientos, normalmente varan entre 0.1 y 10C, la nucleacin es heterognea y no homognea. Para que ocurra la nucleacin heterognea, el agente de nucleacin slido (impureza slida o recipiente) debe ser mojado por el metal lquido. La nucleacin heterognea ocurre sobre el agente de nucleacin porque la energa superficial para formar el ncleo estable es inferior a que si el ncleo se formara en el propio lquido puro (nucleacin homognea). Al ser menor la energa superficial para nucleacin heterognea, el cambio de energa libre total para la formacin de un ncleo estable deber ser tambin menor y tambin ser menor el tamao del ncleo crtico. De esta forma, se requiere menor subenfriamiento para producir un ncleo estable por nucleacin heterognea.

Crecimiento de cristales y formacin de estructura granular:

Despus que se forman los ncleos estables en un metal en solidificacin, crecen hasta formar cristales. En cada cristal los tomos estn ordenados en un modelo esencialmente regular, pero la orientacin de cada cristal vara. Cuando finalmente concluye la solidificacin del metal, los cristales se juntan unos con otros en diferentes orientaciones y forman lmites cristalinos en los que los cambios de orientacin tienen lugar en una distancia de pocos tomos.

Si las condiciones de nucleacin y crecimiento en el metal lquido durante la solidificacin son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, se obtendrn granos equiaxiales. Los granos equiaxiales se encuentran normalmente junto a la pared del molde frio. Un gran enfriamiento cerca de la pared crea una elevada concentracin de ncleos durante la solidificacin, una condicin necesaria para producir una estructura de granos equiaxiales. Los granos columnares son alargados, delgados y burdos, y se forman cuando un metal se solidifica muy lentamente en presencia de un fuerte gradiente de temperatura. Relativamente pocos ncleos estn disponibles cuando se produce una estructura columnar.

Energa de activacin:

Muchos de los procesos involucrados en la produccin y utilizacin de los materiales de ingeniera tienen relacin con la velocidad a que los tomos se mueven en estado slido. En muchos de estos procesos tienen lugar reacciones en estado slido que implican reacomodos espontneos de los tomos a posiciones atmicas nuevas y ms estables. Para que estas reacciones tengan lugar desde el estado inicial hasta el estado final, los tomos reaccionantes deben tener suficiente energa para superar una barrera de energa de activacin. La energa adicional requerida por encima de la energa media de los tomos se llama energa de activacin E*. En la figura a continuacin, se ilustra la energa de activacin para una reaccin en estado slido trmicamente activada. Los tomos que poseen un nivel de energa Er (energa de los reactivos) +E* (energa de activacin) tendrn suficiente energa para reaccionar espontneamente y alcanzar el estado reaccionado Ep (energa de los productos). Como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Grfico de energa de activacin

Defectos en cristales:

No existen cristales perfectos, contienen varios tipos de defectos o imperfecciones que afectan a muchas de las propiedades fsicas, mecnicas y qumicas, que a su vez afectan a muchas propiedades importantes de materiales de ingeniera como la conformacin en frio de aleaciones, la conductividad elctrica de semiconductores, la velocidad de migracin de tomos en aleaciones y la corrosin de metales.

Las imperfecciones en la red cristalina se clasifican segn su forma y geometra:

1. Defectos puntuales o de dimensin cero: El defecto puntual ms sencillo es la vacante, un sitio atmico en el que ha desaparecido el tomo que lo ocupaba. Las vacantes pueden producirse durante la solidificacin como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o por las reordenaciones atmicas en un cristal ya existente debido a la movilidad de los tomos. En los metales, la concentracin de vacantes en el equilibrio, raramente excede de aproximadamente 1 tomo en 10 000. Las vacantes en metales son defectos en equilibrio y su energa de formacin es aproximadamente de 1 eV.En el intersticial un tomo de la matriz est colocado en una posicin incorrecta (sitio no ocupado en el cristal perfecto), es decir, un tomo extra insertado en la estructura perfecta del cristal de tal forma que dos tomos ocupan posiciones cercanas a una nica posicin atmica de la estructura ideal.En el defecto de Frenkell, en cristales inicos los defectos puntuales son ms complejos debido a la necesidad de mantener la neutralidad elctrica. Dos iones de carga opuesta faltan en un cristal inico, y se crea una divacante aninica-catinica. Y en el defecto de Schottky si un catin se mueve a un hueco intersticial del cristal inico, se crea una vacante catinica en la posicin inicial del catin. Se le llama as a este par de defectos vacante-intersticio. La presencia de estos defectos en los cristales inicos, aumenta su conductividad elctrica.

2. Defectos de lnea o de una dimensin (dislocaciones): Estn asociados principalmente con la deformacin mecnica, ya que son defectos que provocan una distorsin de la red cristalina en torno a una lnea. Las dislocaciones se crean durante la solidificacin de los slidos cristalinos. Tambin se pueden formar en la deformacin plstica o permanente de los slidos cristalinos, por condensacin de vacantes y por desajuste atmico en las disoluciones slidas. Las dislocaciones juegan un papel importante en el comportamiento mecnico de los materiales: controlan la resistencia a la deformacin de los mismos. Los dos principales tipos de dislocaciones son las de tipo de arista y las de tipo helicoidal. Una combinacin de las dos da dislocaciones mixtas, que tienen componentes de arista y helicoidales.

Una dislocacin de arista se crea en un cristal por la interseccin de un medio plano adicional de tomos, justo encima del smbolo. La te invertida, , indica una dislocacin de arista positiva mientras que la te normal, , indica una dislocacin de arista negativa.La dislocacin helicoidal puede formarse en un cristal perfecto aplicando esfuerzos cortantes hacia arriba y hacia abajo en las regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano cortante. Estos esfuerzos cortantes introducen en la estructura cristalina una regin de distorsin en forma de una rampa en espiral de tomos distorsionados o dislocacin helicoidal. La mayora de las dislocaciones en los cristales son de tipo mixto, y tienen componentes de arista y helicoidales.

3. Bidimensionales (superficiales): Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalogrficas distintas. En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta, la superficie puede ser muy spera, contener pequeas muescas y ser mucho ms reactiva que en el interior del material.

Frontera o lmite de grano: la microestructura de la mayor parte de los materiales est formado por muchos granos. La red de cada grano es idntica pero estn orientados de manera distinta. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los tomos no estn correctamente espaciados, es decir, que en algunos sitios estn tan cerca que crean una regin de compresin y en otros estn tan alejados que crean una regin de tensin, lo que ocasiona que el material se haga susceptible a la corrosin. Otros tipos de defectos superficiales son las maclas, deslizamiento y las fallas por apilamiento.

4. Defectos macroscpicos tridimensionales o de volumen: se forman cuando un grupo de tomos o de defectos puntuales se unen para formar un vaco tridimensional o poro. Como poros, grietas, inclusiones extraas, etc.

Difusin en cristales:

El movimiento atmico en slidos est limitado debido a su enlace en posiciones de equilibrio. Sin embargo las vibraciones trmicas que tienen lugar en los slidos permiten que algunos tomos se muevan. La difusin de tomos en metales y aleaciones es importante, ya que la mayor parte de las reacciones en estado slido involucran movimientos atmicos.

A continuacin se presentan los principales factores de los que depende la magnitud de difusin atmica en los slidos, expresada en trminos de coeficiente de difusin:

Tipo de mecanismo de difusin: El que la difusin sea intersticial o sustitucional afectara el coeficiente de difusin. Los tomos pequeos pueden difundir intersticialmente en la red cristalina de tomos de disolvente de gran tamao.

Temperatura: La temperatura a la que tiene lugar la difusin afecta de manera importa el coeficiente de difusin. A medida que se incrementa la temperatura, el coeficiente de difusin tambin aumenta.

Tipo de estructura: El tipo de estructura cristalina de la red matriz es importante, ya que por ejemplo el hierro que puede tener dos tipos de estructuras, al difundirse el carbono en l, dependiendo de la estructura puede tener mayor o menor coeficiente de difusin.

Tipo de defectos cristalinos: El tipo de defectos presentes en la regin de difusin en estado slido es tambin relevante. Las estructuras ms abiertas dan lugar a una ms rpida difusin de tomos, es decir, un exceso de vacantes en metales y aleaciones incrementara la velocidad de reaccin.

La concentracin de las especies que difunden: A mayores concentraciones de los tomos del soluto que difunde afectaran el coeficiente de difusin.

PROPIEDADES MECNICAS

Cuando los ingenieros van a seleccionar los materiales para un componente, para un equipo o para una aplicacin determinada, primero que todo piensan en la resistencia mecnica. La resistencia mecnica se puede definir como la habilidad de un material para resistir cargas o esfuerzos mecnicos, sin deformarse ni romperse.

Sin embargo, la resistencia mecnica no es el nico factor en relacin con las propiedades mecnicas de un material que se debe evaluar, se debe estudiar si el se requiere que el material sea, adems de resistente, rgido o dctil, si estar sometido a la aplicacin de una fuerza cclica importante o a una fuerza intensa aplicada sbitamente, si va a estar sometido a un esfuerzo alto a temperatura elevada, o a condiciones abrasivas.Una vez conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar un material apropiado.

Prueba de tensin:

Este ensayo consiste en estirar el material hasta su ruptura durante un periodo relativamente corto. Es una prueba muy til por la cantidad de informacin que suministra sobre las propiedades mecnicas del material. Se preparan probetas de tamao estndar para tener resultados comparables entre s. Antes de realizar el ensayo se marca cierta longitud que servir para determinar la ductilidad despus del ensayo. Para iniciar el ensayo se sujeta la muestra maquinada en ambos extremos con las mordazas del equipo. Un extremo del espcimen est sujeto a un cabezal mvil y la otra a un cabezal estacionario.A la seccin de calibre se acopla un extensmetro, que es un dispositivo para medir la extensin. Cuando se pone en funcionamiento la mquina, la mordaza mvil deforma al espcimen y se determina la resistencia al movimiento por medio de una celda de carga calibrada.

Cuando una fuerza de traccin uniaxial se aplica a una barra, como la que se describi anteriormente, se produce un alargamiento de la barra en la direccin de la fuerza. Dicho desplazamiento se conoce como deformacin. Por definicin, deformacin convencional es la relacin entre el cambio en la longitud de una muestra en la direccin en que se aplica la fuerza y la longitud original de la muestra considerada.

La deformacin se define como:

Donde:I: Longitud final despus de la pruebaIo: longitud inicial

Con los resultados obtenidos de fuerzas de la prueba se construye un grfico de esfuerzo-deformacin, como el de la figura 2.

Figura 2. Curva de esfuerzo-deformacin

Mdulo de elasticidad:

El mdulo de elasticidad o mdulo de Young es la pendiente de la curva esfuerzo-deformacin en la regin elstica o recta. Esta relacin se conoce con el nombre de ley de Hooke:

Dnde:S: es el esfuerzoE: pendiente de la curvaDespejando el esfuerzo aplicado, la ecuacin queda:

El material en esta regin de la pendiente se comporta de forma elstica, lo que significa que el material recuperara su forma original cuando se elimine el esfuerzo. En otras palabras un material no cambia de forma si el esfuerzo aplicado esta en esta porcin lineal.

Una pendiente muy empinada o abrupta indica que se requieren grandes fuerzas para separar los tomos y hacer que el material se deforme elsticamente. Por ende, el mdulo es una medida de la rigidez de un material.

Deformacin elstica y plstica:

Cuando se somete una pieza de metal a una fuerza de traccin uniaxial se produce la deformacin del metal. Si el metal recupera sus dimensiones originales cuando se elimina la fuerza, se considera que el metal ha sufrido una deformacin elstica.

La cantidad de deformacin elstica que puede soportar un metal es pequea pues durante la deformacin elstica, los tomos del metal se desplazan de sus posiciones originales, pero sin llegar a alcanzar nuevas posiciones. De este modo, cuando la fuerza sobre el metal deformado elsticamente se elimina, los tomos del metal vuelven a sus posiciones iniciales y el metal recupera su forma inicial. Si el metal se deforma tanto que no puede recuperar completamente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformacin plstica.

Durante la deformacin plstica, los tomos del metal se desplazan continuamente desde sus posiciones iniciales hasta otras nuevas. La propiedad que tienen algunos metales de ser extensamente deformados sin que se fracturen, es una de las ms tiles en ingeniera. Por ejemplo, la gran deformacin plstica a que puede ser sometido el acero permite fabricar parachoques, caps y puertas de automvil sin que se fracture el metal.

Esfuerzo de cedencia convencional:

En el momento en que el comportamiento de deformacin de la probeta deja de ser elstico, el correspondiente valor de esfuerzo aplicado, se define como esfuerzo de cedencia YS. Puede tambin detectarse cuando se produce por primera vez un incremento notable de la deformacin sin aumento del esfuerzo. En esta zona la pendiente de la curva s vs se desva del mdulo elstico, por encima del lmite de proporcionalidad.La mayor parte de los materiales no presentan una definicin tan marcada del punto donde termina la porcin lineal. Por ello, existen dificultades para determinar este valor con exactitud, por lo que se usan varias aproximaciones. La ms comn es el esfuerzo de cedencia convencional, definido por el valor del esfuerzo que produce una deformacin plstica del 0,2%.

Se traza una lnea paralela a la zona elstica (lineal) del diagrama convencional a una deformacin de 0.002 pulg/pulg (m/m), despus se traza una lnea horizontal desde el punto de interseccin entre la lnea anterior y la parte superior de la curva tensin-deformacin hasta que alcance el eje de las tensiones. El esfuerzo se obtiene en la interseccin de la lnea desplazada con la curva. Dicho procedimiento esta ejemplificado en la figura 3 a continuacin.

Figura 3. Aproximacin de cedencia convencional.

Ductilidad:

Mide el grado de deformacin en el punto de ruptura. Representa la capacidad que tiene un material de adoptar la forma de un hilo, sobre l, cuando se aplica un esfuerzo tensil. Otra definicin es la medida de la capacidad para deformar plsticamente sin fractura. Elongacin, reduccin de rea.

Esta propiedad se mide por medio del ensayo de traccin, ya que permite verificar el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a cargas dinmicas.

Hay dos formas de medir ductilidad:

El grado de alargamiento antes de la fractura: Es una medida directa de la ductilidad. Se puede medir la distancia entre marcas en una probeta antes y despus del ensayo, el %e (porcentaje de elongacin) representa la distancia que la probeta se alarga plsticamente antes de fractura.

Dnde:

Lf: altura del espcimen en un momento de la prueba. Lo: altura inicial.

El segundo mtodo consiste en calcular el cambio porcentual en el rea de la seccin transversal en el punto de fractura antes y despus del ensayo. %Ra (Porcentaje de reduccin de rea)

El incremento de la temperatura eleva la ductilidad.El opuesto de un material dctil es un material frgil. La deformacin a la fractura es inferior al 5%.

Tenacidad:

Una medida de la habilidad de un material en absorber energa sin fractura. Tambin se puede definir como la resistencia a agrietarse rpidamente. Se puede evaluar la tenacidad como el rea bajo la curva de -. La tenacidad es mayor cuando se alcanza un compromiso entre una buena resistencia y una buena ductilidad. Un material puede ser dctil pero no tenaz.

Resilencia:

Medida de la habilidad de un material para absorber energa sin deformacin plstica permanente. Capacidad de un material para absorber energa elstica cuando es deformado y de ceder esta cuando dejamos de aplicar la carga. el mdulo de Resilencia representa la energa por unidad de volumen que se requiere para deformar un material hasta su lmite elstico.

Comportamiento elstico lineal

Dnde:

_(P): esfuerzo en el lmite de proporcionalidad. : deformacin elstica

Un material con alta Resilencia necesita un mdulo de Young bajo y limite elstico elevado.

Prueba de compresin:

Aplica una carga que comprime una muestra cilndrica colocada entre dos placas. Conforme se comprime, su altura se reduce y el rea de seccin transversal se incrementa. El esfuerzo de compresin () se define como:

La deformacin por compresin se define:

Dnde:

Lf: altura del espcimen en un momento de la prueba. Lo: altura inicial.

En la prueba de compresin conforme el espcimen se comprime, la friccin de sus superficies que estn en contacto con las placas tiende a impedir que los extremos se expandan. Durante la prueba se consume energa adicional debido a esta friccin, lo que da una fuerza aplicada ms grande.

Dureza:

Resistencia de un material a la penetracin. La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste, en general los polmeros son blandos, los metales tienen una dureza intermedia y los cermicos muy duros.

Ensayos de dureza:

Se han desarrollado varios mtodos para ensayar la dureza, pero los mas comunes y los mas utilizados son el mtodo de Brinnel, el mtodo de Vickers y el mtodo Rockwell.

Los ensayos de dureza se pueden dividir en tres categoras:

Dureza elstica: mide la altura de rebote de un martillo con emboquillado de diamante, donde esta altura es una medida de la dureza. Mientras ms alto sea el rebote ms dura ser la pieza. Mide realmente la resistencia del material, o sea la energa que puede absorber en el intervalo elstico. Para esto se usa el escleroscopio.

Resistencia al corte o abrasin, se utiliza dos tipos de prueba:

Prueba de rayadura: se utiliza para determinar la dureza relativa de los minerales ( la escala va del 1 al 10) siendo el diamante al que se la asigna el valor de 10, 9 al coridon, 8 al topacio, 7 cuarzo, 6 a la ortosa, 5 al apatito, 4 a la flourita, 3 a la calcita, 2 al yeso y 1 al talco.

Prueba o ensayo de lima: se utiliza como aceptacin o rechazo de una pieza.

Resistencia a la indentacin: mide la resistencia de un material a la penetracin bajo carga de un puzon o un cuchillo. El penetrador puede ser 1) esfera 2) pirmide y 3) un cono.

Identadores: los ensayos de dureza tienen carcter esttico, son fciles de efectuar y se realizan con rapidez, sin deteriorar la pieza que se ensaya.

Durmetro Brinell: se aplica una carga constante en la superficie de la pieza a ensayar. La superficie se pule de antemano con un disco de esmeril o con papel de lija. Cuanto ms duro es el material, tanto menor es el dimetro de la huella formada.

Durmetro de Vickers: permite medir la dureza de las capas finas exteriores que se originan despus de cementar, nitrurar y cianurar, as como la dureza de materiales muy duros y piezas de seccin pequea. Se calcula el rea de la huella por la longitud de la diagonal que deja el indentador y asi se determina el nmero o ndice de dureza.

Durmetro de Rockwell: mide la profundidad del indentador y no por rea de huella. Para materiales duros se utiliza el cono de diamante y esferas para materiales ms blandos. El nmero de dureza de Rockwell corresponde a la diferencia entre la profundidad de la huella que se obtiene bajo accin de la carga fundamental y la preliminar.

Prueba de impacto y transicin:

Cuando se somete a un material a un golpe sbito e intenso, en el cual la velocidad de aplicacin del esfuerzo es extremadamente grande, el material podra tener un comportamiento frgil. Este mtodo se usa a menudo para determinar la fragilidad de un material. Se hn diseado procedimientos como el ensayo de Charpy y ensayo de Izod, el cual determina la energa absorbida por la superficie entallada cuando se rompe, el ensayo de Izod es usado para materiales no metlicos. Durante el ensayo un pndulo pesado, inicia el movimiento desde una altura hm, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta.

Figura 4. Ensayo de Charpy e Izod.

Propiedades obtenidas a partir del ensayo:

Temperatura de transicin: es la temperatura a la cual el material cambia su comportamiento de dctil a frgil. Sensibilidad a las muecas: las muecas son concentradoras de esfuerzo y reducen la tenacidad de los materiales.

Fatiga:

La fatiga se produce cuando un material es sometido a cargas cclicas y variables (se repiten a lo largo del tiempo) aunque el esfuerzo sea inferior a la resistencia de traccin e incluso menor al lmite elstico.Las fallas por fatiga se dan por lo general en tres etapas: primero se inicia la grieta, sobre la superficie, generalmente tiempo despus aplicarse la carga. A continuacin la grieta se propaga gradualmente. Finalmente cuando la seccin transversal restante del material resulta demasiado pequea para soportar la carga ocurre la fractura sbita del material.

Wholer tres condiciones fundamentales para que se produjera la ruptura por fatiga:

1. tensin mxima de traccin de valor elevado.2. Una variacin lo suficiente elevada.3. Numero de ciclos suficientes.

Los ensayos de traccin permiten identificar este tipo de falla. Los mecanismos que influyen son complejos. A la hora de hablar de ensayo de fatiga, existen varios parmetros a tener en cuenta, la cintica de aplicacin de carga y el tipo de tensin aplicada.

Los diferentes tipos de pruebas aplicados en la industria y en la investigacin suponen esfuerzos axiales, de deflexin o torsin. A continuacin se muestra graficas de fatiga para tres pruebas de fatiga.

Figura 5. Grficas de fatiga

Figura 6. Grfico de fatiga

En el grfico a se muestra un comportamiento senoidal, es tpica cuando una flecha gira a velocidad constante sin sobre carga. La mquina de Moore que determina la fatiga por padeo alternado muestra este comportamiento. En este caso los esfuerzos mximos y mnimos son iguales y se conoce como ensayo de esfuerzo con amplitud constante. Por definicin los esfuerzos por tensin se consideran positivos y los de compresin se consideran negativos.

El grafico b, muestra un ciclo de esfuerzo repetido en el cual el esfuerzo mximo o minimo, son esfuerzos de tensin.

Y el grafico c, vara aleatoriamente la amplitud y frecuencia (valores al azar).

En la siguiente figura se observa los resultados tpicos del ensayo de esfuerzo con amplitud constante.

Figura 7. Curvas de tensin frente al nmero de ciclos (S-N) correspondiente a un fallo por fatiga.

Ensayo por deformacin con amplitud constante:

Debido a que existen zonas con defectos en los materiales, hay concentraciones de esfuerzo y zonas locales que pueden sufrir deformacin plstica. Por tanto debido a que los materiales tienen defectos es recomendable hacer los ensayos en condiciones gobernadas por la deformacin y no por esfuerzo.

Lmite de fatiga:

Se define como la mxima tensin que no produce ruptura, cualquiera que sea el nmero de ciclos para la cual existe la aplicacin de carga (curvas con valor asinttico). En los aceros el lmite de fatiga es de 35% y 60% del valor de resistencia de traccin.

Resistencia de fatiga (materiales que no poseen lmite de fatiga):

Se define como el nivel de tensin que produce la ruptura despus de un determinado nmero de ciclos. Para aleaciones frreas nivel de tensin es de 1.107ciclos. Para aleaciones no frreas 3.107ciclos.

Vida de fatiga:

Es el nmero de ciclos necesarios para producir la ruptura a la fatiga para un nivel determinado de tensiones.

Factores que afectan la resistencia a la fatiga:

Adems de la composicin qumica del material, hay otros factores como:

1. Concentracin de esfuerzos: la resistencia a la fatiga queda reducida por la presencia de puntos con concentracin de esfuerzos tales como orificios, hendiduras o cambio en la seccin transversal.

2. Aspereza superficial: cuanto ms liso sea el acabado de la probeta metlica, mayor ser su resistencia a la fatiga. Las superficies speras generan concentracin de esfuerzos que facilita la formacin de fisuras por fatiga.

3. Estado de la superficie: fallas por fatiga se originan en la superficie del metal, cualquier cambio en las condiciones afectara la resistencia a la fatiga del material. Por ejemplo tratamientos de endurezamiento de la superficie de aceros como carbonizacin o nitruracin (incrementa la vida de fatiga).

4. Medio ambiente: si se encuentra en medio corrosivo durante la aplicacin de ciclos de fatiga, el ataque qumico acelera la velocidad con la que se propaga la fatiga.

5. Temperatura: para una temperatura por debajo de la ambiente, cuando ms baja sea la temperatura, ms alto ser el lmite de fatiga.

Mtodos para mejorar la resistencia a la fatiga:

Tratamiento trmico: es un proceso controlado que se utiliza para modificar la microestructura de los materiales.

Carburizado y carbonitrurado: endurece la superficie del metal.

Revenido.

Envejecimiento.

Overstressing: cuando sometemos el material a un determinado nmero de ciclos a un valor de amplitud por encima del lmite de fatiga. Si no se producen grietas hemos endurecido el material por lo tanto aumentara la resistencia a la fatiga.

Termofluencia:

Si se le aplica un esfuerzo a un material que est a una temperatura elevada, este puede estirarse y finalmente fallar. La deformacin plstica a alta temperatura se conoce como termofluencia.

La mayor parte de los materiales metlicos no se pueden utilizar para aplicaciones estructurales, cuando su temperatura se eleva por encima de (0.3-0.6) Tf (temperatura de fusin), porque se deforma plstica e intergranularmente. Las altas temperaturas permiten que las dislocaciones en el interior de un mental asciendan. En este caso los tomos se mueven a uno y otro lado de la lnea de dislocacin debido al fenmeno de la difusin. Cuando un metal o aleacin est bajo una carga o esfuerzo constante, puede sufrir una deformacin plstica progresiva durante un tiempo.

Los materiales cermicos tambin producen la termofluencia pero se producir a temperaturas ms elevadas que van desde 0.4 a 0.7 Tf.Los polmeros pueden generar termofluencia a temperatura ambiente.

A continuacin se muestra la figura de deformacin de un material, siendo la pendiente la rapidez de termofluencia.

Figura 8. Curva tpica de termofluencia mostrando la deformacin producida en funcin del tiempo para un esfuerzo y una temperatura constante.

Zona I o transitoria: la pendiente de la curva disminuye con el tiempo, la velocidad de fluencia decrece, esto hace suponer que en el material, los mecanismos de deformacin que existen estn generando acritud (el material se endurece con la deformacin).

Zona II o estacionaria: la deformacin es lineal con el tiempo y la pendiente es constante, por una parte el endurezamiento estructural y por otro lado hay mecanismos que ablandan el material.

Zona III: la curva aumenta su pendiente, aumenta la velocidad de deformacin hasta llevar el material a su ruptura (se observan cavidades y huecos).

Hay dos parmetros que interesan desde el punto de vista de diseo, el tiempo hasta llegar a la ruptura y la velocidad de fluencia estacionaria. La utilizacin de un parmetro u otro depende la utilizacin del material, aplicaciones de vida larga, la velocidad de fluencia se usa para saber si la deformacin est por encima del nivel de deformacin mximo permisible. Y aplicaciones de vida corta lo cual interesa conocer el tiempo de fallo, pata saber si el tiempo de fluencia es superior al tiempo para el cual se est diseando el componente.

Prueba de ruptura bajo esfuerzo:

La prueba de ruptura se usa con cargas elevadas y se lleva a cabo hasta la falla de la muestra. Debido a que las deformaciones son largas y el tiempo es largo, se utiliza el logaritmo del esfuerzo vs el tiempo.En general el tiempo al que se produce la ruptura disminuye a medida que aumenta el esfuerzo aplicado y la temperatura.

Figura 9. Efecto del esfuerzo en el tiempo de ruptura para el acero inoxidable 316(18%Cr-12%Ni-2.5%Mo) a varias temperaturas.

Un ejemplo de la aplicacin de la termofluencia seria seleccionar una aleacin para los alabes de una turbina de gas de un motor, debe ser una aleacin de baja velocidad de fluencia puesto que los alabes deben permanecer en servicio durante un largo periodo antes de ser reemplazado. Para muchos diseos de ingeniera que operan a una alta temperatura, la fluencia de los materiales es un factor lmite respecto a que tan alta puede ser la temperatura de trabajo.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

GUANIPA, V. (2011). Seleccin de materiales de ingeniera. 2da edicin. Facultad de Ingeniera. Valencia, Venezuela.GUANIPA, V. Estructura de los slidos. Disponible en: https://onedrive.live.com/view.aspx?cid=FAFF346538EEF5A9&resid=faff346538eef5a9%21135&wacqt=sharedby&app=WordPdf&authkey=%21AqpsbbG4zcnApG8

SMITH, W. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales. 4ta edicin. Editorial Mc Graw Hill. Mxico.