Propiedades, Procesos y Microestructuras de Materiales: Cerámicas, Polímeros, Metales y Vidrios

Cuestiones sobre las Propiedades, Procesos y Microestructuras de Materiales

Propiedades Mecánicas de los Materiales

19. Define: ductilidad, tenacidad, fragilidad, dureza y resistencia.

• Ductilidad: Capacidad de un material para deformarse plásticamente bajo tensión de tracción antes de fracturarse. Se mide como el porcentaje de elongación o reducción de área.
• Tenacidad: Capacidad de un material para absorber energía antes de fracturarse. Se relaciona con la resistencia y la ductilidad. Un material tenaz es resistente y dúctil.
• Fragilidad: Tendencia de un material a fracturarse con poca o ninguna deformación plástica. Lo opuesto a la tenacidad.
• Dureza: Resistencia de un material a la deformación plástica localizada, generalmente por indentación, rayado o abrasión.
• Resistencia: Capacidad de un material para soportar una carga aplicada sin fallar o deformarse plásticamente. Se puede referir a la resistencia a la tracción, compresión, flexión, etc.

Cerámicas y Vidrios

20. Describe la naturaleza de los productos de arcilla y los procesos principales de su fabricación y conformación.

Los productos de arcilla son materiales cerámicos fabricados principalmente a partir de arcillas, que son silicatos de aluminio hidratados. Los procesos principales de fabricación incluyen:

1. Extracción y preparación de la materia prima: Se extrae la arcilla y se eliminan impurezas.
2. Mezclado y amasado: Se mezcla la arcilla con agua y otros aditivos para obtener una pasta homogénea.
3. Conformación: Se da forma a la pasta mediante diferentes técnicas como moldeo, extrusión o prensado.
4. Secado: Se elimina el agua de las piezas conformadas para evitar deformaciones durante la cocción.
5. Cocción: Se someten las piezas a altas temperaturas en un horno para que se produzcan reacciones químicas que les confieran resistencia y durabilidad.

22. ¿Qué tipos de cerámica conoces? Explica brevemente sus características.

• Cerámicas tradicionales: Basadas en arcillas, feldespatos y sílice. Ejemplos: ladrillos, tejas, vajillas, sanitarios. Son económicas y fáciles de fabricar.
• Cerámicas avanzadas: Materiales cerámicos con composiciones y microestructuras controladas para obtener propiedades específicas. Ejemplos: alúmina, circonia, carburo de silicio. Se utilizan en aplicaciones de alta tecnología como electrónica, industria aeroespacial y biomedicina.
• Vidrios: Materiales cerámicos no cristalinos, generalmente a base de sílice. Son transparentes, duros y frágiles.
• Vitrocerámicas: Materiales obtenidos por la cristalización controlada de un vidrio. Combinan la facilidad de conformado de los vidrios con la resistencia mecánica de las cerámicas.

23. Explica qué es la temperatura de transición vítrea de un vidrio y cómo se determina. ¿Cómo se entiende la cristalinidad de un polímero?

La temperatura de transición vítrea (Tg) es la temperatura a la cual un material amorfo, como un vidrio o un polímero, pasa de un estado rígido y vítreo a un estado más flexible y gomoso. Se determina mediante técnicas como la calorimetría diferencial de barrido (DSC) o el análisis termomecánico (TMA), observando cambios en las propiedades físicas como el calor específico o el coeficiente de expansión térmica.

La cristalinidad de un polímero se refiere al grado de ordenamiento de las cadenas poliméricas. Un polímero puede tener regiones cristalinas, donde las cadenas están ordenadas de forma regular, y regiones amorfas, donde las cadenas están desordenadas. El grado de cristalinidad afecta a las propiedades del polímero, como la rigidez, la resistencia y la temperatura de fusión.

28. Procesado del vidrio. Temperatura de transición vítrea.

El procesado del vidrio implica calentar la materia prima (principalmente sílice) hasta su fusión y luego enfriarla de forma controlada para obtener la forma deseada. La temperatura de transición vítrea (Tg) es crucial en este proceso, ya que determina el rango de temperaturas en el que el vidrio puede ser moldeado sin cristalizar. Por debajo de la Tg, el vidrio es rígido y frágil; por encima, se comporta como un líquido viscoso.

30. Explica en qué consiste el proceso de desvitrificación.

La desvitrificación es el proceso de cristalización de un vidrio. Ocurre cuando un vidrio se calienta a una temperatura superior a su temperatura de transición vítrea durante un tiempo prolongado, permitiendo que los átomos se reorganicen en una estructura cristalina. Esto puede alterar las propiedades del vidrio, haciéndolo más opaco y, en algunos casos, más frágil.

Metalurgia y Tratamientos Térmicos

24. Explica la finalidad del recocido contra la acritud y describe el efecto de la temperatura de recocido de tratamiento.

El recocido contra la acritud es un tratamiento térmico que tiene como finalidad eliminar la acritud, es decir, la dureza y fragilidad introducidas en un material metálico por deformación en frío. Consiste en calentar el material a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura durante un tiempo y luego enfriarlo lentamente. La temperatura de recocido debe ser lo suficientemente alta para permitir la recristalización del material, eliminando las dislocaciones y restaurando la ductilidad.

25. Explica qué puede observarse en una probeta metálica mediante el microscopio óptico tras realizar tratamientos de lijado y pulido sin llevar a cabo un ataque químico.

Tras el lijado y pulido, y sin ataque químico, en una probeta metálica se pueden observar inclusiones no metálicas, grietas, poros y, en algunos casos, diferentes fases si tienen un contraste óptico significativo. Sin embargo, no se podrán observar los límites de grano ni la microestructura interna de los granos.

26. Explica las diferentes microestructuras esperables en una probeta de zinc enfriada muy lentamente y enfriada muy rápidamente. Es como explicar el crecimiento planar (lento) y el dendrítico (rápido).

• Enfriamiento lento (crecimiento planar): Se favorece el crecimiento de granos grandes y equiaxiales (de forma similar en todas las direcciones) con una microestructura más homogénea. El crecimiento es planar porque el calor se extrae de forma uniforme a través del sólido.
• Enfriamiento rápido (crecimiento dendrítico): Se forman dendritas, que son estructuras arborescentes con brazos primarios, secundarios y terciarios. Esto se debe a que el calor se extrae más rápidamente en ciertas direcciones, favoreciendo el crecimiento en esas direcciones. La microestructura resultante es menos homogénea y presenta segregación (variación en la composición química).

27. Explica por qué es necesario realizar un ataque químico en una probeta de acero para observar los granos cristalinos.

El ataque químico es necesario porque revela los límites de grano al disolver preferentemente estas zonas, que son más reactivas que el interior de los granos debido a su mayor energía. Esto crea un relieve que permite diferenciar los granos al microscopio óptico.

17. Describe el tratamiento de temple de los aceros y su finalidad.

El temple es un tratamiento térmico que consiste en calentar el acero a una temperatura superior a su temperatura de austenización, mantenerlo a esa temperatura para homogeneizar la austenita y luego enfriarlo rápidamente en un medio como agua o aceite. La finalidad del temple es obtener una microestructura martensítica, que es muy dura y resistente, pero también frágil.

18. Enumera y describe brevemente los distintos tipos de aceros inoxidables.

• Aceros inoxidables austeníticos: Contienen cromo y níquel. Son no magnéticos, muy resistentes a la corrosión y dúctiles.
• Aceros inoxidables ferríticos: Contienen cromo, pero poco o nada de níquel. Son magnéticos y menos resistentes a la corrosión que los austeníticos.
• Aceros inoxidables martensíticos: Contienen cromo y pueden ser templados para aumentar su dureza. Son magnéticos y menos resistentes a la corrosión que los austeníticos y ferríticos.
• Aceros inoxidables dúplex: Tienen una microestructura mixta de austenita y ferrita. Combinan la resistencia a la corrosión de los austeníticos con la resistencia mecánica de los ferríticos.

Defectos Cristalinos y Microestructura

29. Explica qué son las dislocaciones, qué es un sistema de deslizamiento y qué es la tensión de cizalladura.

• Dislocaciones: Son defectos lineales en la estructura cristalina de un material. Se pueden visualizar como una línea extra de átomos en la red cristalina.
• Sistema de deslizamiento: Es la combinación de un plano cristalográfico (plano de deslizamiento) y una dirección cristalográfica (dirección de deslizamiento) en la que se produce el movimiento de las dislocaciones bajo la aplicación de una tensión.
• Tensión de cizalladura: Es la componente de la tensión que actúa paralelamente al plano de deslizamiento y en la dirección de deslizamiento. Es la responsable del movimiento de las dislocaciones y, por tanto, de la deformación plástica de los materiales.

31. Explica qué es el proceso de sinterización.

La sinterización es un proceso de fabricación de piezas sólidas a partir de polvos metálicos o cerámicos. Consiste en compactar los polvos para darles forma y luego calentarlos a una temperatura inferior a su punto de fusión. A esta temperatura, los átomos de las partículas difunden entre sí, uniéndose y formando una pieza sólida y densa.

1. Nucleación.

La nucleación es la primera etapa de la formación de una nueva fase sólida a partir de una fase líquida o gaseosa. Consiste en la formación de pequeños núcleos estables de la nueva fase, que luego pueden crecer hasta formar granos o cristales.

2. Diferencias entre nucleación heterogénea y homogénea. Radio crítico.

• Nucleación homogénea: Ocurre en el seno de la fase madre, sin la presencia de superficies preexistentes. Requiere un mayor subenfriamiento.
• Nucleación heterogénea: Ocurre sobre superficies preexistentes, como impurezas, paredes del recipiente o defectos del material. Requiere un menor subenfriamiento.
• Radio crítico: Es el tamaño mínimo que debe tener un núcleo para ser estable y poder crecer. Los núcleos con un radio menor al crítico se redisuelven en la fase madre.

3. Explica cómo influyen las dislocaciones en un material y la acritud. ¿Por qué la acritud provoca el endurecimiento de los materiales?

Las dislocaciones permiten la deformación plástica de los materiales a tensiones mucho menores que las que se necesitarían para romper los enlaces atómicos en un cristal perfecto. La acritud aumenta la densidad de dislocaciones en el material. Estas dislocaciones interactúan entre sí, dificultando su movimiento y, por tanto, aumentando la resistencia y dureza del material.

6. Defectos que puedan producirse en el material durante la solidificación.

• Porosidad: Atrapamiento de gases durante la solidificación.
• Grietas: Tensiones internas durante el enfriamiento.
• Inclusiones: Partículas extrañas que quedan atrapadas en el sólido.
• Segregación: Variación en la composición química del material.
• Dislocaciones: Defectos lineales en la estructura cristalina.

8. Describe la microestructura de una vitrocerámica y explica cómo es posible su obtención.

Las vitrocerámicas tienen una microestructura compuesta por una fase cristalina finamente dispersa en una matriz vítrea. Se obtienen mediante la cristalización controlada de un vidrio. El proceso implica la adición de agentes nucleantes al vidrio, que promueven la formación de un gran número de pequeños cristales durante un tratamiento térmico posterior. Esto da como resultado un material con una alta resistencia mecánica y estabilidad térmica.

10. Explica qué son las dislocaciones. ¿Intervienen las dislocaciones en la deformación elástica de un metal? ¿Y de un polímero?

Las dislocaciones son defectos lineales en la estructura cristalina. En la deformación elástica de un metal, las dislocaciones no se mueven de forma significativa. La deformación elástica se debe principalmente a la distorsión de los enlaces atómicos. En los polímeros, la deformación elástica puede involucrar el desenrollamiento y estiramiento de las cadenas poliméricas, pero no necesariamente el movimiento de dislocaciones, ya que la estructura no es típicamente cristalina.

11. ¿Cuál es el plano más denso en la estructura cúbica centrada en las caras (FCC)?

El plano más denso en la estructura FCC es el plano (111), también conocido como plano octaédrico.

12. ¿Cuál es la dirección más densa en la estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)?

La dirección más densa en la estructura BCC es la dirección <111>, que corresponde a la diagonal del cubo.

15. ¿En qué consiste el proceso de refinación del grano o inoculación? ¿Cuál es la finalidad de este proceso?

La refinación del grano o inoculación es un proceso que consiste en introducir partículas finamente dispersas en un metal fundido para promover la nucleación heterogénea durante la solidificación. La finalidad es obtener una microestructura de grano fino, lo que mejora las propiedades mecánicas del material, como la resistencia y la tenacidad.

16. Explica qué es: la austenita, la ferrita, la cementita, la perlita.

• Austenita: Solución sólida de carbono en hierro con estructura FCC. Es estable a altas temperaturas.
• Ferrita: Solución sólida de carbono en hierro con estructura BCC. Es la fase más blanda y dúctil del acero.
• Cementita: Carburo de hierro (Fe3C). Es un compuesto duro y frágil.
• Perlita: Microestructura laminar compuesta por capas alternadas de ferrita y cementita. Se forma durante el enfriamiento lento de la austenita.

Polímeros

4. Recordando la práctica de síntesis del poliestireno, explica por qué al enfriarse el polímero adquiere cada vez una mayor dureza.

Al enfriarse, las cadenas poliméricas del poliestireno tienen menos energía térmica y, por tanto, menos movilidad. Esto reduce la capacidad de las cadenas para deslizarse unas sobre otras, aumentando la rigidez y la dureza del material. Además, si el enfriamiento es suficientemente lento, se puede favorecer la formación de zonas cristalinas, lo que aumenta aún más la dureza.

5. Explica las diferencias entre plásticos termoplásticos y termoestables.

• Termoplásticos: Se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse, pudiendo ser moldeados repetidamente. Sus cadenas poliméricas están unidas por fuerzas intermoleculares débiles. Ejemplos: polietileno, polipropileno, PVC.
• Termoestables: Una vez que se han endurecido por calentamiento, no se ablandan de nuevo al calentarlos. Sus cadenas poliméricas están unidas por enlaces covalentes fuertes, formando una estructura reticulada. Ejemplos: resinas epoxi, poliéster insaturado.

9. Explica qué es el grado de cristalinidad de un polímero y de qué depende. Describe las esferulitas.

El grado de cristalinidad de un polímero es la fracción de material que se encuentra en forma cristalina. Depende de la estructura química del polímero, la velocidad de enfriamiento y la presencia de aditivos. Las esferulitas son agregados esféricos de regiones cristalinas y amorfas que se forman en los polímeros semicristalinos durante la cristalización. Crecen radialmente a partir de un núcleo central hasta que chocan con otras esferulitas.

13. ¿Qué sabes de los vítreos?

Los vítreos, o vidrios, son materiales sólidos amorfos, es decir, no tienen una estructura cristalina ordenada. Generalmente se obtienen por enfriamiento rápido de un líquido, evitando la cristalización. Son materiales duros, frágiles y, a menudo, transparentes. La sílice (SiO2) es el principal componente de muchos vidrios comunes.

14. Describe la estructura de los plásticos. ¿Qué es el grado de polimerización? ¿Qué son los copolímeros?

Los plásticos están formados por largas cadenas de moléculas llamadas polímeros. Estas cadenas pueden ser lineales, ramificadas o reticuladas. El grado de polimerización es el número de unidades repetitivas (monómeros) que forman una cadena polimérica. Los copolímeros son polímeros formados por dos o más tipos diferentes de monómeros.

Microscopía

7. Describe las partes principales de un microscopio óptico. ¿Cuál es la diferencia entre resolución y aumentos?

Partes principales de un microscopio óptico:

• Ocular: Lente por la que se observa la muestra.
• Objetivos: Lentes que amplían la imagen de la muestra.
• Platina: Plataforma donde se coloca la muestra.
• Condensador: Lente que concentra la luz sobre la muestra.
• Diafragma: Regula la cantidad de luz que llega a la muestra.
• Fuente de luz: Proporciona la iluminación.
• Tornillos de enfoque: Permiten enfocar la imagen.

Resolución es la capacidad de distinguir dos puntos cercanos como separados. Aumentos es la relación entre el tamaño de la imagen observada y el tamaño real de la muestra. Un mayor aumento no implica necesariamente una mayor resolución.