materiales de la industria 2do parcial.docx
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MATERIALES DE LA INDUSTRIA
Capítulo 8. Análisis y prevención de fallos
8.1. Energía de impacto
8.2. Tenacidad de fractura
8.3. Fatiga
8.4. Ensayos no destructivos
Radiografías de rayos X
Ensayo de ultrasonidos
Otros ensayos no destructivos
8.5. Análisis y prevención de fallos
Capítulo 9
Diagramas de fases: evolución del equilibrio microestructural
9.1. La regla de las fases
9.2. El diagrama de fases
Solubilidad total en estado sólido
Diagrama eutéctico con insolubilidad total en estado sólido
Diagrama eutéctico con solubilidad parcial en estado sólido
Diagrama eutectoide
Diagrama peritéctico
Diagramas binarios generales
9.3. La regla de la palanca
9.4. Evolución de la microestructura durante el enfriamiento le n to
Capítulo 10. Cinética: tratamiento térmico
10.1. El tiempo: la tercera dimensión
10.2. El diagrama T T T
Transformaciones con difusión
Transformaciones sin difusión (martensíticas)
Tratamientos térmicos del a c e ro
10.3. Templabilidad
10.4. Endurecimiento por precipitación.
10.5. Recocido
Acritud
Restauración
Recristalización
Crecimiento de grano
10.6. Cinética de las transformaciones de fase de los no metales
LOS MATERIALES ESTRUCTURALES
Capítulo 11. Metales
11.1. Aleaciones férreas
Aceros al carbono y de baja aleación
Aceros de alta aleación
Fundiciones
Aleaciones férreas de solidificación rápida
11.2. Aleaciones no férreas
Cobre y aleaciones de cobre
Níquel y aleaciones base níquel
Aleaciones de cinc, plomo y estaño
Metales refractarios
Otros metales
11.3. Aleaciones ligeras
Aluminio y aleaciones de aluminio
Magnesio y aleaciones de magnesio
Titanio y aleaciones de titanio
Berilio
11.4. Materiales compuestos de matriz metálica
11.5. Procesado de materiales metálicos
Capítulo 12. Cerámicos y vidrios
12.1. Cerámicos: materiales cristalinos
12.2. Vidrios: materiales no cristalinos
12.3. Vitrocerámicas
12.4. Procesado de los cerámicos y los vidrios
Capítulo 13. Polímeros
13.1. Definición y clasificación
13.2. Síntesis de polímeros
13.3. Peso molecular. Medida, influencia en propiedades
13.4. Solubilidad y estabilidad química
13.5. Cristalinidad
Factores que influyen en la cristalinidad de un polímero
13.6. Comportamiento térmico
13.7. Comportamiento mecánico
13.8. La reticulación de termoestables y elastómeros
13.9. Plásticos comerciales
13.10. Adhesivos
Humectación
Espesamiento
Cohesión
Tratamiento de preparación superficial
13.11. Familia de adhesivos y criterios de selección
13.12. Procesado de polímeros
Capítulo 14. Materiales compuestos
14.1. Materiales compuestos. Clasificación y selección
14.2. Función de la fibra en el material compuesto
14.3. Función de la matriz en el material compuesto
14.4. La anisotropía del material compuesto
14.5. Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos
ANALISIS Y PREVENCION DE FALLOS
El análisis de fallos puede definirse como el estudio sistemático de la naturaleza
de los distintos modos de fallo de los materiales. La prevención de fallos,
relacionada con el aspecto anterior, consiste en aplicar los conocimientos
proporcionados por el análisis de fallos para evitar desastres futuros.
ENERGIA DE IMPACTO
La energía de impacto (energía absorbida en el impacto), o energía necesaria
para romper una probeta normalizada sometida a una carga de impacto, es una
analogía similar de la tenacidad. ensayo C harpy1. El principio en que se basa
para romper la probeta se calcula a partir de la diferencia entre la altura inicial
y final del péndulo giratorio. Para poder controlar el proceso de rotura, se
mecaniza una entalla, con el objetivo de producir concentración de tensiones, en
la cara de la probeta sometida a la máxima tensión de tracción. El resultado neto
del ensayo consiste en someter la muestra a deformación elástica, deformación
plática y rotura, en una rápida sucesión. Aunque suceden rápidamente, los
mecanismos de deformación relacionados son los mismos que los asociados al
ensayo de tracción en el mismo material. El impulso de carga aplicado debe
aproximarse al rango de la balística sin alcanzar el punto a partir del cual entran
en juego mecanismos de deformación radicalmente distintos.
En realidad, el ensayo Charpy completa rápidamente un ensayo de tracción. La
energía de impacto obtenida a partir del ensayo Charpy se puede correlacionar
con el área total encerrada bajo la curva tensión-deformación (es decir, la
tenacidad).
En el caso de los polímeros, la energía de impacto suele medirse con
un ensayo Izod2 en lugar de un ensayo Charpy. Estos dos ensayos normalizados
se diferencian principalmente en la configuración de la probeta entallada. La
temperatura a la que se realiza el ensayo es también un factor determinante. Las
aleaciones con red cúbica centrada en las caras (fcc) muestran generalmente
modos de rotura dúctil en el ensayo Charpy, y las aleaciones con red hexagonal
compacta (hcp) son, por lo general, frágiles. Sin embargo, las aleaciones con red
cúbica centrada en el cuerpo (bcc) muestran una variación importante del modo de
rotura con la temperatura. En general, fallan de forma frágil a temperaturas
relativamente bajas y de forma dúctil a temperaturas relativamente altas. La
transición dúctil-frágil en las aleaciones bcc puede considerarse como una
manifestación del movimiento más lento de las dislocaciones en este tipo de
aleaciones comparado con el correspondiente a las aleaciones fcc y hcp. (En los
metales bcc, el deslizamiento tiene lugar sobre planos no compactos.) El aumento
del límite elástico junto con la disminución de la velocidad de las dislocaciones a
temperaturas decrecientes conducen, eventualmente, a la rotura frágil. La
superficie de rotura correspondiente a un fallo dúctil a alta temperatura vista al
microscopio presenta una apariencia de cráteres o cúpulas, con numerosas
proyecciones de metal deformado en forma de copa, mientras que la rotura frágil
se caracteriza por superficies de descohesión o clivaje (Figura 8.4). Cerca de la
temperatura de transición entre el comportamiento frágil y dúctil, la superficie de
rotura presenta una apariencia mixta. La temperatura de transición dúctil-frágil es de gran importancia en la práctica. Una aleación que presente este
comportamiento pierde tenacidad y da lugar a un fallo catastrófico por debajo de
su temperatura de transición.
Debido a que un gran porcentaje de los aceros estructurales forman parte del
grupo de las aleaciones bcc, la temperatura de transición dúctil-frágil resulta ser un
criterio de diseño de gran importancia. La temperatura de transición puede estar
comprendida aproximadamente entre —100 y +100°C, dependiendo de la
composición de la aleación y de las condiciones del ensayo. Debido a este
fenómeno los barcos Liberty sufrieron varios fallos desastrosos durante la
Segunda Guerra Mundial. Algunos de ellos se partieron literalmente por la mitad.
Los aceros de bajo contenido en carbono, que eran dúctiles en los ensayos de
tracción a temperatura ambiente, se volvieron frágiles al ser expuestos a las bajas
temperaturas del océano.
TENACIDAD DE FRACTURA
El término mecánica de fractura ha venido a significar el análisis general del fallo
de materiales estructurales con defectos preexistentes. Es un extenso campo
objeto de mucha investigación activa. Este estudio se centrará en
una propiedad del material que es el parámetro de la mecánica de fractura más
ampliamente utilizado. La tenacidad de fractura se representa por el símbolo
K lc, y es el valor crítico del factor de intensidad de tensiones en el frente de una
grieta necesario para producir el fallo catastrófico bajo una carga uniaxial. El
subíndice «I» hace referencia a una carga modo I (uniaxial) y «C» hace referencia
a critico. Un ejemplo sencillo del concepto de tenacidad de fractura se encuentra al
inflar un globo con un pequeño agujero. Cuando la presión interna del globo
alcanza un valor crítico, se origina el fallo catastrófico en el agujero (esto es, el
globo estalla). En general, el valor de la tenacidad de fractura viene dado por:
KIC = Yafs/ ñ a ,
donde Y es un factor geométrico adimensional de orden de la unidad, oy es la
tensión total aplicada en el momento de la rotura y a es la longitud de una grieta
superficial (o la mitad de la longitud de una grieta interna). La tenacidad de fractura
(* IC) tiene unidades de MPa y /m .
Debe tenerse en cuenta que K lc está asociada a condiciones de deformación
plana, en las que el ancho de la probeta, es relativamente grande en comparación
con la dimensión de la entalla. En el caso de probetas delgadas (condiciones de
tensión plana), la tenacidad de fractura se denomina Kc y es función del espesor
de la probeta. Cuando el espesor es ^ 2.5 ( K ^ /R ^ ^ ) 2, generalmente
prevalecen las condiciones de deformación plana.
El concepto microscópico de tenacidad indicado por Klc es coherente con el que
ponen de manifiesto las medidas macroscópicas de los ensayos de tracción e
impacto.
Por el contrario, las aleaciones de elevada ductilidad pueden experimentar una
tanto a escala microscópica como a escala macroscópica. La principal finalidad de
la mecánica de fractura dentro de la metalurgia consiste en la caracterización de
aleaciones con valores medios de ductilidad que pueden experimentar un fallo
catastrófico por debajo de su límite elástico debido al efecto de concentración de
tensiones en los defectos estructurales. Al diseñar depósitos a presión, por
ejemplo, es conveniente representar la tensión de trabajo (relacionada con la
presión de trabajo) en función del tamaño de defecto. [Normalmente es posible
asegurar que no existen en el material defectos con un tamaño por encima de uno
dado mediante un cuidadoso programa que incluya técnicas de inspección no
destructiva.
FATIGA
La fatiga es el fenómeno general de fallo del material tras varios ciclos de
aplicación de un nivel de tensión inferior a la resistencia a tracción.
La fatiga en los metales se ha definido como la pérdida de resistencia producida
por el daño microestructural generado al cargar el material cíclicamente. El
fenómeno de la fatiga también se observa en los cerámicos y vidrios, pero sin
carga cíclica. La explicación es que está involucrado un mecanismo químico en
lugar de uno mecánico. En la Figura 8.18 se muestra el fenómeno de la fatiga
estática en el caso de los vidrios comunes de silicato. Hay que hacer dos
observaciones clave acerca de este fenómeno: (1) se presenta en ambientes que
contienen agua, y (2) tiene lugar a temperaturas próximas a la ambiente. En la
Figura 8.19 puede verse el papel del agua en la fatiga estática. La molécula de
H20 reacciona químicamente con la red de silicato, generando dos unidades Si-
OH. Estas unidades hidroxilo no están unidas unas a otras, lo que produce una
rotura de la red del silicato.
Cuando esta reacción se produce en la punta de una grieta, dicha grieta aumenta
su longitud un espaciado atómico efectos. A estas temperaturas, también pueden
contribuir a la fatiga estática otros factores, como la deformación viscosa. A bajas
temperaturas (por debajo de - 1 0 0 °Q , la velocidad de la reacción para producir
los radicales hidroxilo es demasiado baja para producir un efecto significativo en
los periodos de tiempo considerados en la práctica. La corrosión bajo tensión y la
fragilización por hidrógeno en los metales serían dos analogías a la fatiga estática,
que involucran mecanismos de crecimiento de grieta en ambientes agresivos.
La fatiga en los polímeros se trata de forma similar a la fatiga en las aleaciones
metálicas. Se ha visto que los polímeros de acetato presentan buena resistencia a
fatiga. El límite de fatiga en el caso de los polímeros suele darse a 106 ciclos en
lugar de los 108 ciclos que se emplea comúnmente en el caso de aleaciones no
férreas.
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Los ensayos no destructivos consisten en la evaluación de los materiales de
ingeniería sin perjudicar su utilidad. Un objetivo fundamental de las técnicas de
evaluación no destructiva es la identificación de defectos potencialmente críticos,
como grietas internas y superficiales. Como sucede con la mecánica de fractura,
los ensayos no destructivos pueden servir para analizar un fallo existente o para
evitar fallos futuros. Las técnicas dominantes en este campo son la radiografía de
rayos X y los ultrasonidos.
R A D IO G R A FÍA DE R A Y O S X
La radiografía de rayos X produce una radiografía de la estructura interna de una
pieza, con una resolución mucho más basta, típicamente del orden de 1 mm
(Figura 8.22). Las radiografías médicas de tórax son un ejemplo común. La
radiografía de rayos X industrial se emplea ampliamente en la inspección de
piezas moldeadas y en soldaduras. En un determinado material que se
inspecciona con un haz de rayos X de energía dada, la intensidad del haz, /,
transmitida a través de un espesor de material, x.
E N S A Y O DE U LTR A S O N ID O S
Mientras la radiografía de rayos X se basa en una parte del espectro
electromagnético con longitudes de onda relativamente pequeñas en comparación
con la región visible, los ensayos por ultrasonidos se basan en una parte del
espectro acústico (típicamente desde 1 a 25 MHz) con frecuencias bastante por
encima del rango audible (20 a 20 000 Hz). Una diferencia importante entre la
radiografía de rayos X y la inspección por ultrasonidos es que las ondas
ultrasónicas son de naturaleza mecánica, y requieren un medio para su
transmisión, mientras que las ondas electromagnéticas se transmiten en el vacío.
La atenuación de los rayos X es un factor dominante en la radiografía, pero los
materiales de ingeniería típicos son relativamente transparentes a las ondas
ultrasónicas.
El factor clave en la inspección por ultrasonidos es la reflexión de las ondas
ultrasónicas en las interfaces entre materiales diferentes.
O TR O S E N S A Y O S NO D E S TR U C TIV O S
1. En el ensayo de corrientes inducidas, la impedancia de una bobina se ve
afectada por la presencia de la pieza a ensayar, adyacente y eléctricamente
conductora, en la que la bobina ha inducido corrientes de Foucault. La impedancia
neta es función de la composición y/o la geometría de la pieza de ensayo. La
popularidad de este ensayo se debe a su comodidad, rapidez y
a que no precisa el contacto. Variando la frecuencia del ensayo, se puede usar el
método para detectar grietas tanto superficiales como subsuperficiales.
Entre sus limitaciones se incluyen su naturaleza cualitativa y el requisito de
conductividad eléctrica.
2. En el ensayo de partículas magnéticas, un polvo fino de partículas
magnéticas (Fe o Fe30 4) es atraído por la dispersión del flujo magnético
alrededor de una discontinuidad, como puede ser una grieta en la superficie o
cerca de la superficie en una pieza de ensayo magnetizada. Es una técnica
tradicional, sencilla, ampliamente usada por su comodidad y bajo coste.
La limitación principal es que está restringida a materiales magnéticos.
3. En el ensayo de líquidos penetrantes la acción capilar de un polvo fino sobre
la superficie de una muestra extrae un líquido de alta visibilidad que ha penetrado
previamente en los defectos superficiales. Al igual que el ensayo de partículas
magnéticas, es una técnica de bajo coste y cómoda para la inspección de defectos
superficiales. El ensayo de líquidos penetrantes se usa mucho en materiales no
magnéticos en los que no es posible la inspección con partículas magnéticas. Sus
limitaciones incluyen la incapacidad de inspeccionar grietas subsuperficiales y una
pérdida de resolución en materiales porosos.
4. El ensayo de emisión acústica mide las ondas ultrasónicas producidas por
defectos en la microestructura del material como respuesta a un esfuerzo
aplicado. Ha asumido un papel único en la prevención de fallos. Además de
permitir localizar defectos, puede proporcionar con antelación aviso de un fallo
inminente debido a esos defectos. En contraste con los ensayos de ultrasonidos
convencionales, en los que un transductor proporciona la fuente de ultrasonidos,
en este caso es el propio material la fuente de las emisiones acústicas
ultrasónicas. Los transductores actúan sólo como receptores.
En general, el ritmo de emisiones acústicas aumenta acusadamente justo antes
del fallo. Monitorizando continuamente estas emisiones se puede retirar la carga
estructural a tiempo de evitar el fallo. La vigilancia continua de depósitos a presión
es un ejemplo de esta aplicación.
ANALISIS Y PREVENCIÓN DE FALLOS
El análisis y la prevención de fallos son parte importante en la aplicación de los
materiales al diseño de ingeniería. Actualmente existe una metodología
sistemática bien establecida para el análisis de fallos en los materiales. El tema
relacionado de la prevención de fallos es igualmente importante como base para
evitar desastres futuros. Los aspectos éticos y legales asociados están llevando al
campo de la ciencia y la ingeniería de materiales a tener un papel central dentro
del ámbito más amplio del diseño de ingeniería. Se ha identificado un amplio
espectro de modos de fallo.
1. La rotura dúctil se observa en un gran número de fallos que ocurren en
metales debido a «sobrecarga» (es decir, al llevar a un material más allá de su
límite elástico y, posteriormente, a rotura). La Figura 8.4a muestra el aspecto
microscópico de una rotura dúctil.
2. La rotura frágil, que se muestra en la Figura 8.4b, se caracteriza por una
propagación rápida de la grieta sin deformación plástica significativa a escala
macroscópica.
3. El fallo por fatiga, mediante un mecanismo de crecimiento lento de grieta,
produce las características «playas» de fatiga.
4. El fallo por corrosión-fatiga se debe a la acción combinada de cargas cíclicas
y un ambiente corrosivo. En general, la resistencia a fatiga del metal disminuirá en
presencia de un ambiente químico agresivo.
5. El fallo por corrosión bajo tensión (SCC, stress-corrosion cracking) es otro
mecanismo de fallo combinado, mecánico y químico, en el cual una tensión no
cíclica (por debajo del límite elástico) conduce a la iniciación y propagación de una
grieta en un ambiente químico relativamente suave. Las grietas de corrosión bajo
tensión pueden ser intergranulares, transgranulares o una combinación de ambas.
6. El fallo por desgaste es un término que abarca un amplio grupo de fenómenos
de daño relativamente complejos relacionados con la superficie.
7. El fallo por erosión líquida es una forma especial de daño por desgaste en la
que el causante de la eliminación de material es un líquido. El daño por erosión
líquida da como resultado una zona de la superficie con picaduras o con aspecto
de panal de abeja.
8. La fragilización por metal líquido implica que el material pierda algo de
ductilidad o que rompa por debajo de su límite elástico cuando su superficie se
moje con un metal líquido de menor punto de fusión.
9. La fragilización por hidrógeno es, quizá, la forma más notoria de fallo
catastrófico en aceros de alta resistencia. Sólo unas partes por millón de
hidrógeno disuelto en estos materiales pueden provocar finas grietas casi
imperceptibles y la pérdida de ductilidad.
10. El fallo por fluencia y el fallo bajo carga estática se introdujeron en la
Sección 6.5. Los fallos de este tipo pueden producirse a temperaturas cercanas a
la ambiente en muchos polímeros y en ciertos metales de bajo punto de fusión,
como el plomo, pero pueden tener lugar por encima de
1000 °C en muchos cerámicos y ciertos metales de alto punto de fusión, como las
superaleaciones.
11. Los fallos complejos son aquellos en los que el fallo tiene lugar por la
intervención secuencial de dos mecanismos de fractura diferentes. Un ejemplo
sería un agrietamiento inicial debido a corrosión bajo tensión y, a continuación, el
fallo final por fatiga tras la introducción de una carga cíclica al tiempo que se
elimina el ambiente corrosivo.
CINETICA - TRATAMIENTO TERMICO
El tratamiento térmico es la evolución de la temperatura frente al tiempo necesaria
para obtener la microestructura deseada. La base fundamental del tratamiento
térmico es la cinética, que podría definirse como la ciencia que estudia las
transformaciones de fase dependientes del tiempo.
El punto de partida para este estudio consiste en añadir una escala de tiempo a
los diagramas de fases para mostrar la aproximación al equilibrio. Un tratamiento
sistemático de esta naturaleza genera un diagrama TTT
TRATAMIENTO TERMICO DEL ACERO
La martensita es una fase frágil. De hecho, es tan frágil que un producto
compuesto al 100 por ciento de martensita resultaría poco practico, de forma
similar a un martillo de cristal. Un primer paso común previo al ajuste de las
propiedades mecánicas de un acero es la obtención de un material
completamente martensítico mediante un temple rápido. Posteriormente, puede
disminuirse la fragilidad de este acero volviendo a calentarlo a una temperatura a
la que sea posible la transformación a las fases de equilibrio a y Fe3C. Calentando
durante poco tiempo a una temperatura moderada, se obtiene un producto de
elevada resistencia y baja ductilidad. Al calentar durante tiempos mayores se
obtiene una mayor ductilidad (debido a que la cantidad de martensita restante es
menor).
Un posible problema asociado al temple y al revenido convencionales es que la
pieza se puede distorsionar y agrietar debido al enfriamiento desigual durante la
etapa de temple. El exterior de la pieza se enfriará más rápidamente y, por tanto,
se transformará en martensita antes que el interior. Durante el breve periodo de
tiempo en el cual el interior y el exterior tengan distintas estructuras cristalinas,
pueden generarse tensiones significativas. La zona con estructura martensítica es,
como ya se sabe, muy frágil y susceptible a la formación de grietas.
TEMPLABILIDAD
En lo que resta de capítulo se describirán varios tratamientos térmicos cuyo fin
principal es modificar la dureza de una aleación metálica. En la Sección 6.4 se
definió la dureza como el grado de indentación producido en un ensayo estándar.
La indentación disminuye al aumentar la dureza. Una característica importante de
la medida de dureza es su correlación directa con la resistencia. Por ahora, este
análisis se centrará en los tratamientos térmicos, empleando la dureza como ele
mento de control del efecto que el historial de temperatura provoca en la resisten
cia de la aleación.
La experiencia aportada por los diagramas TTT demuestra la existencia de una
tendencia general. Para un acero determinado, la dureza aumenta al aumentar la
velocidad de temple. Sin embargo, para realizar una comparación sistemática del
comportamiento de distintos aceros se debe tener en cuenta el enorme rango de
composición de los aceros comerciales. La capacidad relativa de un acero para
ser endurecido mediante temple se denomina templabilidad. Afortunadamente, se
ha normalizado a nivel industrial un ensayo sencillo que permite una compara ción
sistemática. El ensayo de templabilidad Jominy.
En este ensayo, una barra de acero de dimensiones normalizadas (25 mm de
diámetro y 100 mm de longitud) se calienta hasta la temperatura de austenización
y, posteriormente, se hace incidir un chorro de agua sobre uno de sus extremos.
Para aceros al carbono y aceros de baja aleación este procedimiento normalizado
de temple genera un gradiente de velocidades de enfriamiento a lo largo de la
barra Jominy, ya que las propiedades térmicas (como la conductividad) son
prácticamente idénticas para dichas aleaciones. (Véase el Capítulo 11 para otros
tipos de aceros. Los aceros al carbono y los aceros de baja aleación son los más
empleados para endurecimiento por temple, para lo cual el ensayo Jominy resulta
muy útil.)
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACION
En la Sección 6.3 se vio que la existencia de pequeños obstáculos para el
movimiento de las dislocaciones puede reforzar (o endurecer) un metal. Los
pequeños precipitados de segundas fases resultan efectivos en esta tarea. En el
Capítulo 9, se vio que las secuencias de enfriamiento conducen a la precipitación
de segundas fases para ciertas composiciones de aleación. Muchos sistemas de
aleación se valen de este endurecimiento por precipitación. El ejemplo más común
de este fenómeno se encuentra en el sistema Al-Cu. Como los precipitados son
relativamente gruesos y se encuentran aislados en los bordes de grano, el
endurecimiento producido por la presencia de una segunda fase es pequeño.
Tenemos otros casos donde la microestructura basta se vuelve a calentar hasta la
región de una sola fase (k). Esta etapa se denomina, apropiadamente, tratamiento
de solución. Posteriormente, la estructura monofásica se templa hasta la
temperatura ambiente, temperatura a la que la precipitación es bastante lenta y,
como consecuencia, se mantiene la solución sólida sobresaturada como fase
metaestable.
RECOCIDO
El material (martensita) se ablanda mediante permanencia a alta temperatura
durante un espacio de tiempo apropiado. El recocido es un tratamiento térmico
comparable en el cual se reduce la dureza de una microestructura con acritud
mediante permanencia a temperatura elevada. Con el fin de poder apreciar los
detalles de la evolución microestructural correspondiente a este tratamiento, es
necesario analizar el significado de los siguientes cuatro términos: acritud,
restauración, recristalización y crecimiento de grano.
ACRITUD
Acritud significa deformación mecánica de un material a temperaturas
relativamente bajas.
RESTAURACION
La etapa más sutil del recocido es la restauración. Durante ésta, no tiene lugar
ningún gran cambio en la microestructura. Sin embargo, la movilidad de los
átomos es la suficiente para disminuir la concentración de defectos puntuales en el
interior de los granos y, en algunos casos, permitir el movimiento de las
dislocaciones hacia posiciones menos energéticas.
RECRISTALIZACION
«La temperatura a la cual la movilidad de los átomos es la suficiente para afectar a
las propiedades mecánicas se encuentra aproximadamente entre un tercio y un
medio de la temperatura absoluta de fusión, Tm». El resultado desde el punto de
vista microestructural de una permanencia a tales temperaturas se denomina
recristalización.
CRECIMIENTO DE GRANO
La microestructura de recristalización contiene una elevada concentración de
bordes de grano. La reducción de esas entrecaras de alta energía constituye un
método para lograr una mayor estabilización de un sistema. El aumento del grosor
de las microestructuras de recocido mediante el crecimiento de grano es otro
ejemplo.
TRANSFORMACION DE FASE EN NO METALES
El análisis de la cinética de las transformaciones de fase se ha centrado en los
materiales metálicos. Las velocidades a las que tienen lugar las transformaciones
de fase en los sistemas no metálicos también son, sin lugar a dudas, importantes
para el procesado de tales materiales. La cristalización de algunos polímeros de
un único componente es un ejemplo modelo de la cinética de la nucleación y el
crecimiento. Como en el caso de los diagramas de fases, los materiales cerámicos
(mejor que los polímeros o los semiconductores) proporcionan la analogía más
cercana al tratamiento de la cinética para los metales.
No existe un uso extendido de los diagramas TTT en los materiales no metálicos,
pero se han creado algunos ejemplos, especialmente en sistemas donde las
velocidades de transformación tienen un papel crítico durante el procesado.
METALES – ALEACIONES
Los metales juegan un importante papel en el diseño en ingeniería, especialmente
como elementos estructurales. De todos los materiales empleados en ingeniería,
aproximadamente el 90 por ciento en peso son aleaciones férreas, entre las que
se incluyen los aceros (con un contenido en C del 0.05 hasta el 2.0 por ciento en
peso) y las fundiciones (con un contenido en C entre el 2.0 y el 4.5 por ciento en
peso).
La mayoría de los aceros incorporan una cantidad de aleantes mínima con el fin
de mantener unos costes moderados. Son los aceros al carbono o aceros de baja
aleación (con un total de aleantes distintos del carbono < al 5 por ciento en peso).
Un cuidado especial en la selección de la aleación y en el procesado puede dar
como resultado aceros de baja aleación y elevada resistencia (HSLA). En el caso
de que las especificaciones de diseño sean exigentes, es necesario el uso de los
aceros de alta aleación (con un total de aditivos distintos del C > 5 por ciento en
peso). La adición de cromo da lugar a los aceros inoxidables, con resistencia a la
corrosión. Aleantes tales como el wolframio conducen a aleaciones de elevada
dureza empleadas como aceros de herramientas. Las fundiciones presentan una
amplia gama de comportamientos dependiendo de su composición y del
procesado. Las fundiciones blanca y gris son típicamente frágiles, mientras que las
fundiciones dúctiles y maleables se caracterizan por su ductilidad.
Las aleaciones no férreas y no ligeras incluyen una amplia gama de materiales.
Las aleaciones de cobre y níquel resultan especialmente atractivas para
resistencia química y a temperatura, y para aplicaciones eléctricas y magnéticas.
Hay que destacar las superaleaciones metálicas, base níquel, base cobalto y base
hierro como materiales de importancia por su muy buen comportamiento a
elevadas temperaturas.
Otras aleaciones no férreas de importancia son las aleaciones de cinc y las de
plomo, así como los metales refractarios y los metales preciosos.
Las aleaciones de aluminio, magnesio, titanio y berilio, gracias a sus propiedades
específicas, han encontrado un amplio uso en componentes estructurales ligeros.
Los materiales compuestos de matriz metálica suponen un mayor módulo y
resistencia específicos, mejor comportamiento a temperatura elevada, mayor
resistencia al desgaste, menor coeficiente de dilatación y un mejor
comportamiento a fatiga y a fluencia que los materiales metálicos convencionales,
si bien generalmente poseen menor plasticidad, menor tenacidad, peor
comportamiento a corrosión, anisotropía y mayor precio.
Muchas de las aleaciones metálicas comunes se obtienen mediante forja, proceso
en el que una preforma simple obtenida por colada se deforma mecánicamente
hasta su forma final. Otras aleaciones se fabrican directamente por colada o
moldeo. Las formas estructurales más complicadas requieren técnicas de unión
como la soldadura. Una alternativa a los procesos de forja y de colada es la
pulvimetalurgia, proceso que tiene lugar completamente en estado sólido. Entre
los avances recientes en el conformado de metales están la compresión isostática
en caliente, el conformado superplástico y la solidificación rápida. Los materiales
compuestos de matriz metálica pueden obtenerse mediante procesos en estado
sólido, procesos en estado líquido, procesos de deposición y procesos in situ.
CERAMICA Y VIDRIO
Los cerámicos y los vidrios son algunos de los materiales de ingeniería más
antiguos y más resistentes a las condiciones ambientales. También son algunos
de los materiales más avanzados que se están desarrollando para la industria
aeroespacial y electrónica.
Materiales Cristalinos
Los cerámicos cristalinos incluyen los silicatos tradicionales y los muchos
compuestos oxídicos y no oxídicos empleados tanto en las tecnologías
tradicionales como en las avanzadas. Los vidrios son sólidos no cristalinos con
composiciones comparables a las de los cerámicos cristalinos. La ausencia de
cristalinidad, obtenida a partir de técnicas específicas de procesado, proporciona
un conjunto único de propiedades mecánicas y ópticas. Químicamente, los vidrios
se subdividen por conveniencia en silícicos y no silícicos. La tercera categoría, las
vitrocerámicas, son otro tipo de materiales cristalinos que se conforman
inicialmente como vidrios, y posteriormente cristalizan de una manera
cuidadosamente controlada. Este proceso de cristalización se analizará con cierto
detalle.
Es bastante apropiado comenzar el estudio de los cerámicos cristalinos
describiendo los silicatos, Debido a que el silicio y el oxígeno conjuntamente
suponen aproximadamente el 75 por ciento de los elementos presentes en la
corteza terrestre estos materiales son muy abundantes y económicos. Muchos de
los cerámicos tradicionales que se utilizan pertenecen a esta categoría. Una de las
mejores maneras de caracterizar las civilizaciones primitivas es por la alfarería
(productos de arcilla cocida), que ha constituido un producto comercial desde
aproximadamente el 4000 a.C. La alfarería forma parte de la categoría de los
cerámicos conocidos como cerámicas blancas, que son cerámicos cocidos
comerciales, con una micro estructura típicamente blanca y con un tamaño de
grano fino.
La arcilla es la base de los productos estructurales arcillosos, como el ladrillo, la
teja, el azulejo y el tubo de gres. La variedad de cerámicos de silicato refleja la
gran diversidad de los minerales de silicato que están disponibles normalmente en
las plantas manufactureras.
En la lista se incluyen refractarios basados en la arcilla refractaria. Los refractarios
son materiales estructurales resistentes a las altas temperaturas, que juegan
papeles primordiales en la industria (por ejemplo, en el proceso de obtención del
acero). Cerca del 40 por ciento de la producción de la industria de los refractarios
consiste en silicatos base arcilla.
Los óxidos puros son compuestos con niveles de impureza inferiores a veces al 1
por ciento en peso, y en algunos casos, niveles de impureza del orden de partes
por millón (ppm).
cerámicos no óxidos: SiC Carburo de silicio, SiN Nitruro de silicio, TiC Carburo de
titanio, TaC Carburo de tantalo, WC Carburo de wolframio, b4c Carburo de boro,
BN Nitruro de boro, C Grafito.
Materiales No Cristalinos
este tipo de material son los vidrios de silicato. Al igual que en el caso de los
silicatos cristalinos, estos vidrios suponen generalmente un coste moderado
debido a la abundancia del silicio y el oxígeno elementales en la corteza terrestre.
En la mayoría de las operaciones rutinarias de fabricación de vidrio, es fácil
disponer del Si02 de depósitos locales de arena con una pureza adecuada. En
realidad, la fabricación de productos de vidrio supone un número de toneladas
mucho mayor que el implicado en la producción de cerámicos cristalinos.
Los generadores de red son óxidos que forman poliedros, con bajos números de
coordinación. La rotura de la red da origen al término de modificadores de red.
Estos modificadores permiten que el vidrio se pueda articular más fácilmente al
conformarlo a una temperatura dada, pero aumentan su reactividad química en
condiciones de servicio.
-La sílice vitrea: Vitreo es sinónimo de amorfo o no cristalino. Debido a la ausencia
de modificadores de red, puede soportar temperaturas de servicio superiores a
1000 °C. Se utiliza típicamente en crisoles de alta temperatura y ventanas de
homo.
-Los vidrios de borosilicato: poseen en la red una combinación de poliedros
triangulares. Los borosilicatos se emplean con profusión por su durabilidad en
aplicaciones tales como recipientes para laboratorios químicos y utensilios de
cocina. El grueso de la industria del vidrio está centrado en los vidrios sódico-
cálcicos.
-La composición del vidrio E: representa una de las fibras de vidrio más comunes
un ejemplo importante de fibra reforzante en los materiales compuestos modernos.
- Los esmaltes cerámicos: son recubrimientos de vidrio aplicados a cerámicos
tales como la alfarería y productos de arcilla. Proporcionan una superficie bastante
más impermeable en comparación con el material sin recubrimiento.
-Los esmaltes metálicos: son recubrimientos vitreos aplicados a los metales. Con
frecuencia el esmalte es más importante por suponer una barrera protectora
contra los ambientes corrosivos que rodean al metal que por la apariencia
superficial que proporciona.
Vitroceramicas
Las vitrocerámicas son unos de los materiales cerámicos más sofisticados, pues
combinan la naturaleza de los cerámicos cristralinos y los vidrios. El resultado es
un producto con unas características especialmente atractivas. Las vitrocerámicas
comienzan por obtenerse como un producto común de vidrio. Una ventaja
importante es su capacidad para ser conformadas y obtener ciertos productos de
una forma tan económica y precisa como los vidrios.
Procesado de Cerámicos y Vidrios
Muchas de ellas son analogías directas del procesado de metales presentado, sin
embargo, la forja no existe como tal para los cerámicos, y el conformado por
deformación de éstos está limitado por su inherente fragilidad. Aunque las
deformaciones en frío y en caliente no son prácticas, se dispone de una mayor
variedad de técnicas de moldeo. La colada en fusión hace referencia a un proceso
equivalente a la colada de los metales. Esta no es una técnica predominante en
los cerámicos debido a sus generalmente altas temperaturas de fusión.
El moldeo en barbotina es una técnica más típica de procesado de cerámicos. La
colada se realiza a temperatura ambiente. La barbotina es una mezcla de polvo y
agua que se vierte en un molde poroso. La mayor parte del agua es absorbida por
el molde, dejando una preforma de polvo relativamente rígida que se puede
extraer del molde. Para conseguir un producto resistente, se debe calentar la
pieza. Al principio, el agua absorbida que queda es extraída.
La calcinación se hace a temperaturas más altas, normalmente por encima de
1000°C. Como en la pulvimetalurgia, la mayor parte de la resistencia de la pieza
calcinada se debe a la difusión en estado sólido.
La desvitrificación controlada (es decir, recristalización) lleva a la formación de
vitrocerámicas, tema que se puso de relieve con anterioridad.
El procesado sol-gel se encuentra entre las nuevas tecnologías que se están
desarrollando más rápidamente para la fabricación de cerámicos y vidrios. En los
cerámicos, este método permite la formación de partículas uniformes y finas de
alta pureza a temperaturas relativamente bajas. Estos polvos se pueden sinterizar
a continuación hasta conseguir una alta densidad con sus correspondientes
buenas propiedades mecánicas.
Procesado biomimético es el nombre que se da a las estrategias de fabricación de
cerámicos de ingeniería es decir, síntesis acuosa y a baja temperatura de óxidos,
sulfuros y otros cerámicos mediante la adaptación de principios biológicos.
Polímeros.
Definición y clasificación.
Los plásticos son materiales que se pueden moldear fácilmente, en su mayoría
sintética y orgánica, constituidos por macromoléculas. A pesar de ser moléculas
de grandes dimensiones (pesos moleculares superiores a 1000, alcanzándose el
millón de u.m.a.), su composición y estructura química es simple. Los polímeros
son moléculas lineales o ramificadas, formadas por la repetición indefinida de
grupos funcionales simples (monómeros) que se componen básicamente de C, H,
O, N.
Se llama grado de polimerización (G.P.) al número de veces que se repite el
monómero para formar la macromolécula, en valor promedio.
El esquema estructural de largas moléculas lineales o ramificadas, unidas entre sí
sólo por enlaces secundarios, corresponde al grupo de polímeros que se conocen
como termo plásticos. El procesado de este grupo de materiales se realiza
calentando el material, hasta que se licué, y dejándolo enfriar en un molde con la
forma deseada. Dado el bajo salto de temperaturas requerido, normalmente
inferior a 200 °C, el proceso de fabricación se realiza con enorme rapidez, en
tiempos inferiores al minuto.
Síntesis de los polímeros.
Los polímeros provienen mayoritariamente del petróleo (mezcla de hidrocarburos).
Un 4 por ciento de la producción mundial de petróleo se convierte en plástico.
Después de un proceso de «cracking» y «reforming», se tienen moléculas simples,
como etileno, benceno, etc., a partir de las que comenzará la síntesis del polímero.
La síntesis de cualquier polímero, con una calidad controlada, es un proceso muy
complejo, y encontraremos normalmente a la gran industria petroquímica asociada
a la producción de los diversos materiales plásticos. Esta industria suministrará
material acabado susceptible de posterior moldeo por fusión/enfriamiento, en el
caso de termoplásticos, o líquidos y polvos reactivos, en el caso de los
termoestables, a falta de la reacción final de entrecruzamiento.
Se distinguen dos métodos de polimerización: por adición y por condensación.
En la polimerización por adición, el polímero es sintetizado por la adición de
monómero insaturado a una cadena de crecimiento. Por este procedimiento se
sintetizan:
• Polietileno (Bolsas, tuberías, cinta adhesiva)
• Polipropileno
• Poliestireno (Isopor)
• Policloruro de vinilo
• Poliacronitrilo
• Polimetacrilato de metilo
• Polibutadieno
• Polióxido de metileno
La polimerización por condensación exige moléculas distintas, bifuncionales y
reactantes, en proporción estequiometrica, que se combinan durante la
polimerización, con o sin eliminación de subproducto, normalmente agua.
• Poliésteres(Prendas y Prendas deportivas, PVC)
• Poliamidas (Nylon: Nombre comercial)
• Poliuretanos(Sofá, cama, esponjas)
Peso molecular. Medida, influencia en propiedades.
Ya se ha indicado que los procesos de síntesis de polímeros hacen que no todas
las moléculas sean de igual tamaño, lo que se definía de una manera intuitiva con
el grado de polimerización. Una variable más precisa, medible experimentalmente,
será dar el peso molecular promedio. El peso molecular del polímero influye en
sus propiedades mecánicas en estado sólido, y en su temperatura de
reblandecimiento, creciendo éstas a un valor asintótico; la parafina y el polietileno
tienen similar estructura química, diferenciándose en su peso molecular promedio.
En sentido negativo, muy altos pesos moleculares van asociados a muy alta
viscosidad del polímero fundido, y por tanto a dificultades en el procesado.
Solubilidad y estabilidad química.
En términos genéricos, los polímeros no se ven afectados por el agua ni por
ácidos o bases inorgánicas, por lo que tienen una notable estabilidad química;
solamente los agentes fuertemente oxidantes provocan su degradación.
Los disolventes orgánicos pueden actuar sobre los polímeros, aunque el concepto
de disolución presente una diferencia básica frente a las disoluciones clásicas.
No existe ningún disolvente universal para todos los plásticos, y se dará como
mejor disolvente para un polímero aquel cuya temperatura crítica sea la más baja.
Cristalinidad.
Debido a las múltiples posibilidades de cambios conformacionales, lo general es
que cada macromolécula sea una madeja enredada con los restantes ovillos, sin
ninguna ordenación, y dejando grandes huecos en la estructura, que le hacen
incluso permeable a los gases.
En algunos polímeros ocurre que, debido a la atracción química que unas partes
de la cadena ejercen sobre otras, la macromolécula se pliega sobre sí misma en
zigzag, produciéndose dentro de la masa del polímero sólido regiones cristalinas
en forma de láminas, intrínsecamente mezcladas con zonas amorfas; de hecho, la
misma macromolécula pertenece simultáneamente a ambas zonas; el espesor
típico de estas láminas cristalinas es de 10 nm, o lo que es equivalente, unos 60
enlaces
C—C. Este fenómeno, que se observa en algunos termoplásticos, tiene
importantes consecuencias tecnológicas. La cristalinidad muestra en las siguientes
características:
• Ligero aumento de densidad respecto del mismo polímero en estado
completamente amorfo; la mejor ordenación hace que para la misma masa ocupe
menor volumen.
• Los polímeros policristalinos no son transparentes. Al igual que la nieve, los
cristales se orientan en todas las direcciones (reflexión y refracción).
• Resistencia química a los disolventes, incluso a aquellos que presentan
similar parámetro de solubilidad.
• Temperatura de fusión definida. Esta transición brusca de sólido a líquido
es buena desde el punto de vista del procesado. La solidificación irá acompañada
de una alta contracción volumétrica, aspecto negativo para el acabado superficial
de la pieza.
• Aumento espectacular de las propiedades mecánicas tras estiramiento.
Comportamiento térmico.
Todos los polímeros, termoplásticos y termoestables, experimentan a una cierta
temperatura, Tg (temperatura de transición vitrea), una notable disminución de su
módulo elástico (que puede medirse con DMA, o analizador dinámico mecánico).
Este cambio va asociado a una transformación interna en estado sólido, que se
manifiesta como un cambio en su capacidad calorífica (que puede medirse con
DSC, o calorimetría diferencial de barrido); igualmente, esta temperatura marca un
cambio en el coeficiente de expansión térmico (medible mediante TMA, o
analizador
Termo mecánico).
Temperatura de transición vitrea, fusión y descomposición de algunos
termoplásticos.
°c PE NR PP PA6 PET PVC PS PMMA
TIr -1 1 5 - 7 3 - 20 53 613 81 100 105
Tf 137 (28) 176 265 265 213 240
Td 406 280-32 200
Comportamiento mecánico.
El comportamiento mecánico de los polímeros es más complicado que el de los
metales, y sus características mecánicas (módulo elástico y resistencia a tracción)
son netamente inferiores.
Como para el resto de los materiales, el ensayo de tracción proporciona una
gráfica tensión-deformación. Pero su comportamiento cambia mucho con la
temperatura de ensayo (y con la velocidad de aplicación de carga), desde un
comportamiento frágil y puramente elástico, con alargamientos a rotura del orden
del 5 por ciento, a un comportamiento dúctil, con mucha deformación irreversible
(plasticidad) y alargamientos del 100 por ciento o superiores.
Plásticos comerciales.
Los polímeros en estado puro son raramente empleados. En general, necesitan
aditivos para tener utilidad industrial. Se llama aditivo en la industria de plásticos a
cualquier sustancia que mejore las propiedades físicas, químicas o mecánicas de
un polímero, o que reduzca su coste. Los aditivos suelen ser moléculas orgánicas,
con una compatibilidad parcial con el polímero, para evitar su migración, o
simplemente, partículas sólidas de relleno (cargas). Los aditivos se clasifican en:
• Aditivos ayudantes del procesado.
• Aditivos modificadores de propiedades del producto.
Adhesivos.
Una importante aplicación tecnológica de los polímeros es su capacidad para unir,
de forma temporal o permanente, materiales de todo tipo, como metales,
cerámicos y plásticos.
Los adhesivos pueden estar inicialmente en estado sólido o líquido, pero
necesariamente pasan durante el proceso de ejecución de la unión por una fase
líquida de baja viscosidad (humectación), hasta penetrar por las irregularidades
superficiales de los adherentes. A continuación, se reconvierten a fase sólida
(espesamiento), estando la resistencia de la unión limitada por las fuerzas
interfaciales adhesivo-adherente (adherencia), o por la propia resistencia
mecánica del material constituyente del adhesivo (cohesión). El fallo de la unión
por exfoliación de los adherentes es muy poco frecuente, salvo en el caso de
laminaciones inducidas en materiales compuestos.
Los grandes grupos de adhesivos existentes en el mercado, con indicación del
valor típico de sus propiedades y de algunos parámetros importantes de su
proceso. El detalle de cada producto puede obtenerse del catálogo de los distintos
fabricantes (3M, Loctite, etc.). Al comparar entre sí b s distintos grupos, se puede
resaltar lo siguiente:
• Los adhesivos epoxi film, de curado a alta temperatura (120°C, 180°C),
ofrecen los mayores valores de propiedades mecánicas. Son, sin embargo, muy
rigurosos en cuanto a las condiciones de preparación superficial, y los tiempos y
condiciones de proceso son poco cómodos, lo que los hace inviables para gran
número de aplicaciones.
• En el extremo opuesto de adhesivos tolerantes a la contaminación
superficial, lo que les hace susceptibles de empleo por la industria de automoción,
se encuentran los adhesivos base caucho, igualmente reticulables.
• La temperatura extrema de servicio de la unión es un criterio primordial en
la elección del adhesivo. El adhesivo no debe emplearse a temperaturas
superiores a su que normalmente es próxima a su temperatura de curado.Los
adhesivos de alta temperatura, además de ser más caros, son frágiles a bajas
temperaturas, siendo entonces preferidos poliuretanos y siliconas.
• Como adhesivo de uso cómodo destacan los cianocrilatos, de empleo en
electrónica y los termofusibles. En ambos casos, el tiempo de endurecimiento es
inferior al minuto, lo que simplifica el utillaje requerido, pero limita el encolado a
pequeñas superficies.
Procesado de polímeros
La transformación de termoplásticos es más eficaz en economía y tiempo que la
transformación de termoestables. En los termoplásticos es un proceso físico,
consistente en calentar la materia prima hasta su licuación, y posterior colada en
molde frío donde adquiere la forma de pieza deseada.
• Moldeo por inyección.
• Moldeo por extrusión.
• Moldeo por soplado.
• Moldeo por compresión
• Moldeo por transferencia
Materiales compuestos. Clasificación , Selección.
El material compuesto (MC) está formado por una fase discontinua, también
llamada refuerzo, ya que de ella dependen principalmente las propiedades
mecánicas, y por una fase continua o matriz, responsable de la resistencia térmica
y ambiental del material, que engloba al refuerzo y hace del material una
estructura monolítica.
La forma del refuerzo permite una primera clasificación: MC granulares, MC
de fibra corta y MC de fibra larga o continua. Todos los materiales compuestos
avanzados están reforzados por fibras continuas de altas características. La matriz
puede ser polimérica, cerámica o metálica; cada uno de estos grupos se subdivide
a su vez con materiales específicos, como matriz órganica de epoxy o de poliéster,
o matriz metálica de aluminio o de titanio. La elección del tipo de matriz está
condicionada fundamentalmente por la temperatura de servicio.
En los Compuestos de Matriz Metálica (MMC) se mejora el comportamiento a
fluencia respecto de la aleación base, pudiendo obtenerse una direccionalidad de
las propiedades; este incremento de resistencia va unido a una disminución de la
tenacidad de la aleación.
Los Compuestos de Matriz Cerámica (CMC) presentan una enorme complejidad,
tanto en su comportamiento como en su producción industrial. El objetivo es
disponer de un material cerámico con la inherente resistencia térmica de los
cerámicos, pero con un valor de tenacidad que permita su utilización en
aplicaciones estructurales.
Los Compuestos de Matriz Polimérica son los mejor caracterizados y los de
mayor utilización industrial. Se requiere todavía mejorar su tolerancia al daño, o
capacidad de la estructura para soportar los accidentes usuales de servicio
(corrosión, impactos, etc.), sin una degradación significativa de sus propiedades.
Función de la fibra en el Material Compuesto.
La fibra es el elemento reforzante por excelencia. Las propiedades mecánicas de
cualquier material son superiores cuando ese material se presenta en forma de
fibra.
Se ha insistido en capítulos anteriores en que el módulo elástico es una propiedad
asociada a la fuerza del enlace químico entre los átomos del material. Así, por
ejemplo, todas las aleaciones férreas presentan un mismo módulo elástico,
próximo a 200 GPa. No ocurre lo mismo con la resistencia mecánica; de hecho, se
encuentra en las aleaciones férreas valores muy dispares y siempre muy inferiores
(al menos diez veces) a la resistencia teórica que correspondería a romper el
enlace químico.
La explicación de este comportamiento es que la presencia de defectos es
dominante en la respuesta del material. El módulo elástico del vidrio no cambia por
estiramiento, como tampoco cambia en el acero respecto del alambre de alta
resistencia. El enlace químico está en ambos casos orientado en cualquier
dirección, en el primero de ellos por tratarse de un material amorfo y en el otro por
ser poli cristalino.
La fibra de vidrio en sus variedades normal (Vidrio E) y de alta resistencia (S o R)
será la de mayor consumo por su excelente relación resistencia/precio. Su bajo
módulo elástico es su principal limitación. Es obviamente un material amorfo, de
aspecto blanco, por dispersión de la luz.
Las fibras de carbono, en sus tres variantes de alta resistencia, intermedia y alto
módulo, serán el material de elección para aplicaciones estructurales muy
exigidas, cuando la rigidez y el peso son criterios dominantes del diseño y cuando
el precio es un factor secundario.
Algunas consideraciones de carácter práctico sobre la orientación de fibras:
— Las orientaciones usuales son O, 90, +145. Combinando estas orientaciones,
se puede conseguir la resistencia y rigidez requerida en cualquier dirección, por el
carácter tensorial de las deformaciones. Utilizar orientaciones distintas es posible,
incluso conveniente en algunos procesos como el devanado de filamentos, pero
en general solamente complicará la fabricación de la estructura.
— Los laminados siempre deben ser simétricos respecto de su plano medio, y
equilibrados, para evitar distorsiones anómalas de la estructura, tales como
alabeamientos inducidos por cambios térmicos.
— La Resistencia y rigidez en una dirección cambia enormemente con la
orientación dada, durante el diseño se tratará de optimizar la estructura, pero por
el carácter frágil de la matriz nunca se emplearán en aplicaciones reales
compuestos exclusivamente unidireccionales.
Función de la Matriz en Materiales compuestos.
Se ha puesto de manifiesto que, sin ser responsable de soportar las cargas, la
matriz juega un papel principal, manteniendo a cada fibra en su sitio y permitiendo
que éstas desarrollen su capacidad estructural. Se analizaran distintos estados de
carga, para identificar los requerimientos exigidos a la matriz.
Se considera en primer lugar un material compuesto unidireccional, con las
fuerzas externas orientadas en sentido de la fibra, como se esquematiza en la
Figura
14.6. La fuerza total a transmitir se reparte entre fibra y matriz, como se
esquematiza sobre la propia figura. Dividiendo ambos términos por la sección
transversal total, se obtiene
Oc = <*mVm + af vf
Las resinas de poliéster insaturado son las más económicas y las de mayor
comodidad de uso. Su curado en caliente es muy rápido, inferior al minuto, por lo
que son las resinas usuales en los procesos que exigen muy alta cadencia de
producción (SMC). En general se acompañan de fibra de vidrio, nunca de fibras
superiores.
Las resinas epoxídicas proporcionan mejores propiedades mecánicas, dentro de la
limitada influencia de la matriz. Su curado es lento, con tiempos típicos de una a
dos horas. Dentro de las resinas epoxy empleadas con los materiales compuestos,
se distinguen tres generaciones:
1. Resinas de primera generación (años setenta), muy reticuladas, para obtener
alto módulo elástico y resistencia térmica, pero por ello muy frágiles.
2. Segunda generación (años ochenta), donde se corrige su falta de tenacidad
mediante elastómeros en dispersión. Presentaron problemas de pérdida de Tg por
absorción de humedad (ensayos en condiciones de calor húmedo).
3. Las resinas actuales, que tratan de compensar ambos fenómenos, además de
abordar aspectos de procesabilidad, tales como control de flujo, vida en almacén,
etc.
La Anisotropía del Material Compuesto.
La anisotropía de un material, o cambio del valor de sus propiedades mecánicas,
térmicas o eléctricas, según la dirección escogida para ensayarlo, es una
propiedad única de estos materiales. Significa una mayor complejidad en el
diseño, ya que puede dar lugar a comportamientos no intuitivos y a modos de fallo
inesperados. En el lado positivo, la anisotropía significa la posibilidad de diseñar el
material junto con la estructura, adaptados óptimamente a su función. La
Naturaleza realiza esa optimización de manera cotidiana; cada hueso adquiere
una geometría, composición y propiedades adaptadas a la función y solicitación
mecánica a la que se ve sometido.
Las propiedades mecánicas de algunos laminados unidireccionales, con un
volumen de fibra del 60 por ciento, obtenidas a partir de ensayos mecánicos sobre
probetas. Estos valores podrían haberse estimado a partir de las propiedades de
fibra y matriz, empleando las expresiones de micromecánica, pero se cometería
mayor error, la utilidad de la micromecánica es poner de manifiesto aspectos
básicos, como la importancia del volumen de fibra, pero no sirve para hacer
predicciones de gran exactitud numérica.
Aplicación y limitaciones de los Materiales Compuestos.
Los materiales compuestos ofrecen una alta resistencia y rigidez específicas; al
igual que su matriz, tienen una buena resistencia a la intemperie y pueden
adaptarse a geometrías muy complejas, reduciendo significativamente el número
de elementos a integrar para formar un conjunto estructural. El diseño debe
contemplar las peculiaridades del material, y las posibilidades de los diferentes
procesos de fabricación, y un diseño para material metálico no puede trasladarse
a otros materiales con una simple adaptación de espesores, como en ocasiones
se hace. Las propiedades del material son muy sensibles a la calidad del proceso
de fabricación. El conjunto de procedimientos que se realizan antes, durante y
después de la fabricación para asegurar la calidad, influyen significativamente en
el coste final del producto.
La posibilidad de realizar elementos estructurales con una notable economía de
peso compensa en algunas aplicaciones del mayor coste inicial, particularmente
en aquellas en que el peso es un factor limitativo de sus actuaciones (aviones de
combate, estructuras sometidas a cargas inerciales...), o cuando interviene en los
costes de explotación (aviones civiles y sistemas de transporte, en general).
Siendo el proceso de fabricación la principal componente del coste final, se
considera que la innovación en los procesos, y su mayor automatización, puede
aumentar la competitividad de estos materiales.
Los materiales compuestos pueden definirse como materiales mezcla, en los que
algunas de sus propiedades son promedio de las de sus constituyentes, pero otras
son de origen sinérgico, es decir, no estaban presentes en los constituyentes, y es
su mezcla la que los potencia. Entre estas propiedades, la más importante será la
tenacidad del material, no debida a efectos de plasticidad, sino al alto trabajo de
fractura global, suma del trabajo de rotura de cada fibra y de su interfase con la
matriz, más el trabajo de extracción de la fibra rota de su alojamiento. Este
mecanismo, ya presente en la madera, se reproduce artificialmente en cada
material compuesto, y permite pensar en la posibilidad de piezas de
cerámica/cerámica con responsabilidad estructural.