Microestructura
Estructura de material a escala muy pequeña
La metalografía permite al metalúrgico estudiar la microestructura de los metales.
Una micrografía de bronce que revela una estructura dendrítica fundida.
Microestructura de Al - Si

La microestructura es la estructura a escala muy pequeña de un material, definida como la estructura de una superficie preparada de material tal como se revela mediante un microscopio óptico con un aumento de más de 25×. [1] La microestructura de un material (como metales , polímeros , cerámicas o compuestos ) puede influir en gran medida en las propiedades físicas como la resistencia, la tenacidad, la ductilidad, la dureza, la resistencia a la corrosión, el comportamiento a altas o bajas temperaturas o la resistencia al desgaste. Estas propiedades, a su vez, rigen la aplicación de estos materiales en la práctica industrial.

La microestructura a escalas más pequeñas que las que se pueden ver con microscopios ópticos se denomina a menudo nanoestructura , mientras que la estructura en la que se disponen los átomos individuales se conoce como estructura cristalina . La nanoestructura de los especímenes biológicos se denomina ultraestructura . La influencia de una microestructura en las propiedades mecánicas y físicas de un material está determinada principalmente por los diferentes defectos presentes o ausentes en la estructura. Estos defectos pueden adoptar muchas formas, pero los principales son los poros. Si bien esos poros desempeñan un papel muy importante en la definición de las características de un material, también lo hace su composición. De hecho, para muchos materiales, pueden existir diferentes fases al mismo tiempo. Estas fases tienen diferentes propiedades y, si se gestionan correctamente, pueden evitar la fractura del material.

Métodos

El concepto de microestructura se puede observar en las características macroestructurales de objetos comunes. El acero galvanizado , como la carcasa de un poste de luz o un separador de caminos, presenta un mosaico de colores no uniformes de polígonos entrelazados de diferentes tonos de gris o plata. Cada polígono es un solo cristal de zinc adherido a la superficie del acero que se encuentra debajo. El zinc y el plomo son dos metales comunes que forman grandes cristales (granos) visibles a simple vista. Los átomos de cada grano están organizados en una de siete configuraciones de apilamiento tridimensionales o redes cristalinas (cúbica, tetraédrica, hexagonal, monoclínica, triclínica, romboédrica y ortorrómbica). La dirección de alineación de las matrices difiere entre cristales adyacentes, lo que genera una variación en la reflectividad de cada cara presentada de los granos entrelazados en la superficie galvanizada. El tamaño promedio de grano se puede controlar mediante las condiciones de procesamiento y la composición, y la mayoría de las aleaciones consisten en granos mucho más pequeños que no son visibles a simple vista. Esto es para aumentar la resistencia del material (ver Refuerzo de Hall-Petch ).

Caracterizaciones de microestructura

Microestructura de un tubo espiral procedente del cementerio de los siglos XII y XIII de Kukruse, Estonia. Alambre de aleación de cobre que contiene estaño y plomo. La espiral se montó en plástico y se lijó. El tinte se grabó con el reactivo Klemm's II. Fotografiado con microscopio óptico con aumento de 200x.

Para cuantificar las características microestructurales, se deben caracterizar tanto las propiedades morfológicas como las del material. El procesamiento de imágenes es una técnica robusta para la determinación de características morfológicas como la fracción de volumen, [2] morfología de inclusiones, [3] orientación de huecos y cristales. Para adquirir micrografías, se utilizan comúnmente la microscopía óptica y electrónica. Para determinar las propiedades del material, la nanoindentación es una técnica robusta para la determinación de propiedades en el nivel micrométrico y submicrométrico para las que no son factibles las pruebas convencionales. Las pruebas mecánicas convencionales, como las pruebas de tracción o el análisis mecánico dinámico (DMA), solo pueden devolver propiedades macroscópicas sin ninguna indicación de propiedades microestructurales. Sin embargo, la nanoindentación se puede utilizar para la determinación de propiedades microestructurales locales de materiales homogéneos y heterogéneos. [4] Las microestructuras también se pueden caracterizar utilizando modelos estadísticos de alto orden a través de los cuales se extrae un conjunto de propiedades estadísticas complicadas de las imágenes. Luego, estas propiedades se pueden utilizar para producir varios otros modelos estocásticos. [5] [6] [7]

Generación de microestructura

La generación de microestructuras también se conoce como reconstrucción estocástica de microestructuras. Se generan microestructuras simuladas por computadora para replicar las características microestructurales de las microestructuras reales. Estas microestructuras se conocen como microestructuras sintéticas. Las microestructuras sintéticas se utilizan para investigar qué característica microestructural es importante para una propiedad determinada. Para garantizar la equivalencia estadística entre las microestructuras generadas y las reales, las microestructuras se modifican después de la generación para que coincidan con las estadísticas de una microestructura real. Este procedimiento permite la generación de un número teóricamente infinito de microestructuras simuladas por computadora que son estadísticamente iguales (tienen las mismas estadísticas) pero estocásticamente diferentes (tienen diferentes configuraciones). [3] [8]

Una microestructura simulada por computadora de materiales compuestos [3]

Influencia de los poros y la composición

Un poro en una microestructura, a menos que sea deseado, es una desventaja para las propiedades. De hecho, en casi todos los materiales, un poro será el punto de inicio para la ruptura del material. Es el punto de inicio de las grietas. Además, un poro suele ser bastante difícil de eliminar. Las técnicas descritas más adelante implican un proceso de alta temperatura. Sin embargo, incluso esos procesos a veces pueden hacer que el poro sea aún más grande. Los poros con un gran número de coordinación (rodeados de muchas partículas) tienden a crecer durante el proceso térmico. Esto se debe a que la energía térmica se convierte en una fuerza impulsora para el crecimiento de las partículas que inducirá el crecimiento del poro, ya que el alto número de coordinación prohíbe el crecimiento hacia el poro. Para muchos materiales, se puede ver en su diagrama de fases que pueden existir múltiples fases al mismo tiempo. Esas diferentes fases pueden exhibir diferentes estructuras cristalinas, exhibiendo así diferentes propiedades mecánicas. [9] Además, estas diferentes fases también exhiben una microestructura diferente (tamaño de grano, orientación). [10] Esto también puede mejorar algunas propiedades mecánicas, ya que puede producirse una deflexión de grietas, lo que empuja aún más la ruptura final, ya que crea una trayectoria de grietas más tortuosa en la microestructura más gruesa. [11]

Técnicas de mejora

En algunos casos, simplemente cambiando la forma en que se procesa el material puede influir en la microestructura. Un ejemplo es la aleación de titanio TiAl6V4. [12] Su microestructura y propiedades mecánicas se mejoran utilizando SLM (fusión selectiva por láser), que es una técnica de impresión 3D que utiliza polvo y funde las partículas juntas utilizando un láser de alta potencia. [13] Otras técnicas convencionales para mejorar la microestructura son los procesos térmicos. [14] Estos procesos se basan en el principio de que un aumento de la temperatura inducirá la reducción o aniquilación de los poros. [15] El prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso de fabricación que se utiliza para reducir la porosidad de los metales y aumentar la densidad de muchos materiales cerámicos . Esto mejora las propiedades mecánicas y la trabajabilidad del material. [16] El proceso HIP expone el material deseado a una presión de gas isostático, así como a una alta temperatura en un recipiente sellado (alta presión). El gas utilizado durante este proceso es principalmente argón. El gas debe ser químicamente inerte para que no se produzca ninguna reacción entre él y la muestra. La presión se logra simplemente aplicando calor al recipiente herméticamente sellado. Sin embargo, algunos sistemas también asocian el bombeo de gas al proceso para lograr el nivel de presión requerido. La presión aplicada sobre los materiales es igual y proviene de todas las direcciones (de ahí el término "isostático"). [17] Cuando las piezas fundidas se tratan con HIP, la aplicación simultánea de calor y presión elimina los huecos internos y la microporosidad mediante una combinación de deformación plástica, fluencia y unión por difusión; este proceso mejora la resistencia a la fatiga del componente. [18]

Véase también

  • Crecimiento anormal del grano  : fenómeno en el que ciertos granos de materiales crecen más rápido que otros.
  • Cristalito  : Pequeño cristal que se forma en determinadas condiciones.
  • Fractografía  – Estudio de las superficies de fractura de los materiales.
  • Límite de grano  : Interfaz entre cristalitos en un material policristalino
  • Metalurgia  – Campo de la ciencia que estudia el comportamiento físico y químico de los metales.
  • Micrografía  : proceso para producir imágenes con un microscopio.

Referencias

  1. ^ Adaptado de ASM Metals Handbook, novena edición, v. 9, "Metalografía y microestructuras", American Society for Metals, Metals Park, OH, 1985, pág. 12.
  2. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. (2015). "Elemento de volumen no correlacionado para el modelado estocástico de microestructuras basado en la variación de la fracción de volumen de fibra local". Composites Science and Technology . 117 : 191–198. doi :10.1016/j.compscitech.2015.06.010.
  3. ^ abc Sanei, Seyed Hamid Reza; Barsotti, Ercole J.; Leonhardt, David; Fertig, Ray S. (2017). "Caracterización, generación sintética y equivalencia estadística de microestructuras compuestas". Revista de materiales compuestos . 51 (13): 1817–1829. Código Bibliográfico :2017JCoMa..51.1817S. doi :10.1177/0021998316662133. S2CID  138768783.
  4. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. (2016). "Dependencia de la escala de longitud de la variabilidad en el módulo de epoxi extraído de preimpregnado compuesto". Pruebas de polímeros . 50 : 297–300. doi :10.1016/j.polymertesting.2015.12.015.
  5. ^ Tahmasebi, Pejman (20 de febrero de 2018). "Modelado y evaluación precisos de microestructuras en materiales complejos". Physical Review E . 97 (2): 023307. Bibcode :2018PhRvE..97b3307T. doi :10.1103/PhysRevE.97.023307. PMID  29548238.
  6. ^ Tahmasebi, Pejman (2018). "Modelos a nanoescala y multirresolución para muestras de esquisto". Fuel . 217 : 218–225. Código Bibliográfico :2018Fuel..217..218T. doi :10.1016/j.fuel.2017.12.107.
  7. ^ Tahmasebi, Pejman; Sahimi, Muhammad (29 de junio de 2018). "Un algoritmo estocástico multiescala para modelar materiales granulares complejos". Materia granular . 20 (3). doi :10.1007/s10035-018-0816-z. ISSN  1434-5021. S2CID  85549903.
  8. ^ Tahmasebi, Pejman (20 de febrero de 2018). "Modelado y evaluación precisos de microestructuras en materiales complejos". Physical Review E . 97 (2): 023307. Bibcode :2018PhRvE..97b3307T. doi :10.1103/physreve.97.023307. ISSN  2470-0045. PMID  29548238.
  9. ^ Oberwinkler, B., Modelado del comportamiento del crecimiento de grietas por fatiga de Ti-6Al-4V considerando el tamaño de grano y la relación de tensiones. Ciencia e ingeniería de materiales: A 2011, 528 (18), 5983-5992.
  10. ^ Sieniawski, J.; Ziaja, W.; Kubiak, K.; Motyka, M., Microestructura y propiedades mecánicas de aleaciones de titanio bifásicas de alta resistencia. Aleaciones de titanio: avances en el control de propiedades 2013, 69-80.
  11. ^ Nalla, R.; Boyce, B.; Campbell, J.; Peters, J.; Ritchie, R., Influencia de la microestructura en la fatiga de alto ciclo de Ti-6Al-4V: estructuras bimodales vs. lamelares. Metallurgical and Materials Transactions A 2002, 33 (13), 899-918.
  12. ^ Henriques, VAR; Campos, PP d.; Cairo, CAA; Bressiani, JC, Producción de aleaciones de titanio para sistemas aeroespaciales avanzados mediante pulvimetalurgia. Materials Research 2005, 8 (4), 443-446.
  13. ^ Kruth, J.-P.; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M., Mecanismos de unión en la sinterización selectiva por láser y la fusión selectiva por láser. Revista de prototipado rápido 2005, 11 (1), 26-36.
  14. ^ Murr, L.; Quinones, S.; Gaytan, S.; Lopez, M.; Rodela, A.; Martinez, E.; Hernandez, D.; Martinez, E.; Medina, F.; Wicker, R., Microestructura y comportamiento mecánico de Ti–6Al–4V producido mediante fabricación rápida de capas, para aplicaciones biomédicas. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 2009, 2 (1), 20-32.
  15. ^ Kasperovich, G.; Hausmann, J., Mejora de la resistencia a la fatiga y la ductilidad del material TiAl6V4 procesado mediante fusión selectiva por láser. Journal of Materials Processing Technology 2015, 220, 202-214.
  16. ^ Lin, CY; Wirtz, T.; LaMarca, F.; Hollister, SJ, Evaluaciones estructurales y mecánicas de una jaula de fusión intercorporal de titanio optimizada en cuanto a topología fabricada mediante un proceso de fusión selectiva por láser. Journal of Biomedical Materials Research Part A 2007, 83 (2), 272-279.
  17. ^ Leuders, S.; Thöne, M.; Riemer, A.; Niendorf, T.; Tröster, T.; Richard, H.; Maier, H., Sobre el comportamiento mecánico de la aleación de titanio TiAl6V4 fabricada mediante fusión selectiva por láser: resistencia a la fatiga y rendimiento frente al crecimiento de grietas. International Journal of Fatigue 2013, 48, 300-307.
  18. ^ Larker, HT; Larker, R., Prensado isostático en caliente. Ciencia y tecnología de materiales 1991.
  • Medios relacionados con Microestructura en Wikimedia Commons
Obtenido de "https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Microestructura&oldid=1250364671"