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.