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¿Sabes cómo aumentar la resistencia cambiando la estructura del material?
En el mundo de la ingeniería actual, las propiedades mecánicas de los materiales son de suma importancia. Desde la construcción hasta la industria aeroespacial, la resistencia, la ductilidad y la tenacidad son factores integrales en el diseño y las aplicaciones. Cambiar la estructura del material puede mejorar eficazmente estas propiedades y brindar soluciones personalizadas para diversas aplicaciones. Al modificar la estructura de materiales cristalinos y amorfos, los ingenieros pueden aumentar su resistencia al rendimiento, su ductilidad y su tenacidad, según una nueva investigación.
La mejora de la resistencia se puede lograr a través de una variedad de mecanismos, como el fortalecimiento de la solución sólida, el endurecimiento por precipitación y el fortalecimiento de los límites de grano.
Las propiedades del acero se forman principalmente por la solución sólida intersticial del carbono en la red de hierro, lo que a su vez mejora sus propiedades mecánicas. El latón, una aleación de cobre y zinc, exhibe propiedades mecánicas superiores en comparación con sus metales constituyentes debido al fortalecimiento de la solución sólida. Los cambios de proceso, como la forja del metal al rojo vivo, son un método antiguo y eficaz que utilizan los trabajadores del hierro negro. Este endurecimiento por deformación puede introducir dislocaciones, lo que aumenta aún más la resistencia a la fluencia del material.
Mecanismo de fortalecimiento del material
Actualmente se conocen cinco mecanismos para el fortalecimiento de materiales. Estos mecanismos están diseñados para obstaculizar el movimiento de dislocaciones, aumentando así la resistencia del material. La inhibición del movimiento de dislocación contribuye a aumentar la resistencia del material a la deformación. Estos mecanismos incluyen:
Endurecimiento por trabajo
Las dislocaciones son la principal causa del endurecimiento del trabajo. Cuando aparece una gran cantidad de dislocaciones en la superficie de un material, éstas interactúan entre sí generando un campo de tensiones que a su vez dificulta el movimiento de las dislocaciones. En este caso, la relación entre la densidad de dislocaciones y la resistencia al corte es muy estrecha, por lo que el endurecimiento por trabajo se refleja en el crecimiento de la densidad de dislocaciones.
Fortalecimiento y aleación mediante solución sólida
El fortalecimiento de una solución sólida se logra añadiendo átomos de soluto de un elemento a otro material. Estos átomos pueden provocar la deformación de la red cristalina, lo que dificulta el movimiento de las dislocaciones. Cuanto mayor sea la concentración del soluto, mayor será la resistencia al rendimiento del material, pero al mismo tiempo su efecto fortalecedor tiene un límite.
Endurecimiento por precipitación
En la mayoría de los sistemas binarios, el exceso de aleación conduce a la formación de una segunda fase. Estos precipitados de segunda fase actuarán como átomos de soluto en una solución sólida, obstaculizando el movimiento de las dislocaciones.
Mejora de la dispersión
Similar al endurecimiento por precipitación, el fortalecimiento por dispersión implica la atracción y fijación de dislocaciones por precipitados incoherentes. Este método es particularmente eficaz a altas temperaturas y puede utilizarse para crear materiales de alta resistencia.
Fortalecimiento de los límites de grano
En los metales policristalinos, el tamaño del grano tiene un efecto dramático en las propiedades mecánicas. Los límites de grano dificultan el movimiento de las dislocaciones, por lo que la resistencia al rendimiento del material aumenta a medida que disminuye el tamaño del grano.
Mecanismo de refuerzo de materiales amorfos
Para los materiales amorfos, como polímeros y cerámicas, los métodos de fortalecimiento son muy diferentes a los de los metales. El fortalecimiento de estos materiales depende principalmente de los cambios en su estructura química y la forma en que se procesan.
El aumento de la resistencia del polímero proviene principalmente del aumento de la reticulación entre cadenas. Esta reticulación hace que el material sea más rígido y resistente a las grietas.
Por ejemplo, en los polímeros termoendurecibles, los puentes disulfuro y otros enlaces cruzados covalentes les permiten mantener una buena estabilidad estructural a altas temperaturas. Por tanto, el refuerzo de diversos polímeros puede realizarse mediante la introducción de aditivos como fibras y partículas.
Desafíos y oportunidades
Sin embargo, mejorar la resistencia del material tiene un precio. Cada mecanismo de fortalecimiento puede afectar otras propiedades físicas y químicas. Además, la resistencia de un material no puede aumentarse infinitamente y un fortalecimiento excesivo puede provocar una disminución de ciertas propiedades, como la tenacidad o la ductilidad. Por lo tanto, al diseñar materiales, los ingenieros deben considerar mejorar la resistencia teniendo en cuenta otras características de rendimiento deseadas.
Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, nuestra comprensión de las propiedades de los materiales se está volviendo cada vez más profunda y en el futuro pueden aparecer materiales con alta resistencia y buena ductilidad. Si es posible encontrar el mejor equilibrio entre resistencia y otras propiedades será un gran desafío y una oportunidad para el desarrollo futuro de la ciencia de los materiales.
