Conceptos Fundamentales de Materiales y sus Propiedades

Una solución sólida es una mezcla homogénea en estado sólido de uno o más solutos en un disolvente.

Tipos de Soluciones Sólidas

• Solución sólida por sustitución: El soluto y el disolvente tienen una estructura cristalina similar. Un átomo de soluto ocupa la posición de un átomo de disolvente en la estructura cristalina.
• Solución sólida por inserción: Los átomos de soluto son pequeños y ocupan los huecos intersticiales del disolvente. Esto aumenta la resistencia de la aleación, dificultando su deformación.

Fases y Diagramas de Equilibrio

Una fase de un material es una porción homogénea que difiere de otras en composición, estado o estructura.

• Regla de Gibbs: Permite calcular el número de fases en equilibrio en un sistema. f + N = C + 1, donde ‘f’ es el número de fases, ‘N’ los grados de libertad (variables como presión, temperatura o composición) y ‘C’ el número de componentes.
• Línea de líquidus: Línea superior del diagrama de fases; marca el inicio de la solidificación (transición de fase líquida a líquida + sólida).
• Línea de sólidus: Línea inferior del diagrama; marca la transición de fase líquida + sólida a fase sólida.
• Regla de la horizontal: Permite determinar la concentración de las fases a una temperatura y aleación dadas, trazando una línea horizontal y observando los puntos de corte con las líneas sólidus, líquidus y solvus.
• Curvas de enfriamiento: Representan la variación de la temperatura con el tiempo para un material.

Aleaciones Hierro-Carbono: Características y Aplicaciones

Hierro

El hierro tiene un contenido de carbono entre 0,008% y 0,025%. El hierro puro es difícil de obtener y sus aplicaciones se limitan a núcleos de inductancias.

Aceros

Los aceros son aleaciones hierro-carbono con una concentración de carbono entre 0,025% y 1,76% a temperatura ambiente. Tienen alta dureza, buena resistencia mecánica y maleabilidad, con amplias aplicaciones industriales.

Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono con una concentración de carbono entre 1,76% y 6,67%. Se caracterizan por su alta dureza, ideales para herramientas de corte.

Microconstituyentes de las Aleaciones Hierro-Carbono

• Ferrita (Hierro alfa): Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a temperaturas inferiores a 900ºC. Dúctil y magnética a bajas temperaturas, se vuelve no magnética a temperaturas superiores a 768ºC. Baja capacidad para formar soluciones sólidas de inserción.
• Austenita (Hierro gamma): Estructura cúbica centrada en las caras (FCC). Estable entre 910 y 1400 ºC, más densa que la ferrita y no magnética. Mayor capacidad para formar soluciones sólidas que la ferrita. Puede disolver hasta 1,76% de carbono a 1130ºC.
• Cementita: Carburo de hierro (Fe3C) con 6,67% de carbono. Frágil, dura y ferromagnética a bajas temperaturas. Inestable a temperaturas inferiores a 1200ºC.
• Perlita: Mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Estructura laminar. Propiedades mecánicas intermedias entre la ferrita y la cementita.
• Martensita: Solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. Estructura tetragonal. A mayor proporción de carbono, mayor resistencia, dureza y fragilidad.

Propiedades Mecánicas y Ensayos de Materiales

• Tensión unitaria: Esfuerzo por unidad de sección.
• Alargamiento unitario: Cociente entre el incremento de longitud y la longitud inicial.
• Módulo de elasticidad (Módulo de Young): Cociente entre la tensión unitaria y el alargamiento unitario. Característico de cada material.
• Estricción: Reducción de la sección en la zona de rotura.
• Límite de proporcionalidad: Valor de la tensión por debajo del cual el alargamiento es proporcional a la carga.
• Cohesión: Resistencia de las moléculas a separarse.
• Ductilidad: Capacidad de deformación bajo tracción.
• Dureza: Resistencia a la penetración o rayado.
• Elasticidad: Capacidad de recuperar la forma original.
• Fatiga: Resistencia a la rotura bajo esfuerzos variables.
• Fragilidad: Poca zona plástica y elástica.
• Maleabilidad: Capacidad de deformación plástica bajo compresión.
• Plasticidad: Capacidad de adquirir deformaciones permanentes.
• Resiliencia: Capacidad de absorber energía en la zona elástica.
• Tenacidad: Resistencia a la rotura o doblado.

Tipos de Ensayos

• Ensayos destructivos: Producen daño o rotura (ej. tracción).
• Ensayos no destructivos: Analizan defectos sin dañar la pieza (ej. microscopía, rayos X).
• Ensayos estáticos: La velocidad de aplicación de la fuerza no influye (ej. tracción).
• Ensayos dinámicos: La velocidad de aplicación de la fuerza es importante (ej. flexión por choque Charpy).

Tratamientos Térmicos y Termoquímicos

Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina mediante calentamiento y enfriamiento controlados, sin alterar la composición química. Las variables clave son la temperatura y el tiempo.

• Temple: Calentamiento a una temperatura superior a la de austenización seguido de enfriamiento rápido (agua, aceite, aire) para obtener martensita (alta dureza y resistencia).
• Revenido: Calentamiento de piezas templadas a una temperatura inferior a la de austenización para reducir tensiones internas y mejorar la tenacidad, transformando la martensita.
• Normalizado: Tratamiento para obtener las propiedades «normales» del acero, reduciendo tensiones internas y unificando el tamaño de grano.
• Recocido: Calentamiento y enfriamiento lento para aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad, o para obtener una microestructura específica.
• Corrosión: Reacción química o electroquímica que deteriora el material.

Los tratamientos termoquímicos modifican la composición química superficial. Las variables son la temperatura, el tiempo y la composición química del medio.

• Cementación: Adición de carbono a la superficie para aumentar la dureza superficial.
• Nitruración: Endurecimiento superficial mediante la introducción de nitrógeno en una atmósfera de amoníaco.
• Cianuración: Endurecimiento superficial con una atmósfera de carbono y nitrógeno.
• Sulfinización: Creación de una capa superficial de azufre, nitrógeno y carbono para mejorar la resistencia al desgaste y la lubricación.
• Tratamientos mecánicos: Mejora de las características por deformación mecánica (ej. forja).

Termodinámica: Sistemas, Ciclos y Máquinas Térmicas

• Sistema abierto: Intercambia energía y materia con el exterior.
• Sistema cerrado: Solo intercambia energía con el exterior.
• Motor térmico: Realiza trabajo al pasar calor de un foco caliente a uno frío.
• Máquina frigorífica: Recibe trabajo para transferir calor de un foco frío a uno caliente.
• Eficiencia: Término para máquinas frigoríficas, similar al rendimiento, pero puede ser mayor que 1.
• Bomba de calor: Máquina frigorífica que extrae calor del exterior y lo cede a un espacio, o viceversa. Puede tener una eficiencia mayor que 1.
• Ciclo de Carnot: Ciclo teórico y reversible con cuatro tiempos:
  1. Expansión isotérmica (trabajo W1 = Q1).
  2. Expansión adiabática (sin transferencia de calor).
  3. Compresión isotérmica (trabajo W2 = Q2).
  4. Compresión adiabática.
• Transformación isócora (isométrica): A volumen constante.
• Transformación isóbara: A presión constante.
• Transformación isoterma: A temperatura constante.
• Transformación adiabática: Sin intercambio de calor.

Componentes de un Motor de Combustión Interna

• Cárter: Protege la parte inferior del motor y sirve como depósito de lubricante.
• Émbolo (Pistón): Se desplaza dentro del cilindro, transformando la energía térmica en energía mecánica.
• Volante de inercia: Acumula energía para un movimiento continuo.
• Válvula de admisión: Permite la entrada de fluidos de combustión al cilindro.
• Válvula de escape: Permite la salida de los gases de combustión.
• Embrague: Conecta y desconecta la transmisión de energía.
• Caja de cambios: Modifica la relación de transmisión.
• PMS (Punto Muerto Superior): Máxima altura del pistón.
• PMI (Punto Muerto Inferior): Mínima altura del pistón.
• Carrera: Distancia entre PMS y PMI.
• Cilindrada unitaria Volumen barrido por el pistón al pasar desde el PMS al PMI en un cilindro.

Ciclos de Motores de Combustión Interna

Ciclo Ideal Otto (4 Tiempos)

1. Admisión (isóbara 0-1): El pistón desciende, la válvula de admisión se abre y entra la mezcla de aire y combustible.
2. Compresión (adiabática 1-2): La válvula de admisión se cierra y el pistón asciende, comprimiendo la mezcla.
3. Combustión-Expansión (isócora 2-3 y adiabática 3-4): Una chispa inflama la mezcla, aumentando la presión. El pistón desciende (carrera útil).
4. Escape (isócora 4-1 e isóbara 1-0): La válvula de escape se abre, los gases quemados salen y el pistón asciende, expulsando los gases restantes.

Ciclo Ideal Diésel (4 Tiempos)

1. Admisión (isóbara 0-1): El pistón desciende, la válvula de admisión se abre y entra aire.
2. Compresión (adiabática 1-2): La válvula de admisión se cierra y el pistón asciende, comprimiendo el aire y elevando su temperatura.
3. Combustión-Expansión (isóbara 2-3 y adiabática 3-4): Se inyecta combustible a alta presión, produciendo la explosión. El pistón desciende (carrera útil).
4. Escape (isócora 4-1 e isóbara 1-0): La válvula de escape se abre, los gases quemados salen y el pistón asciende, expulsando los gases restantes.

Sistemas de Control y Componentes

• Actuador: Recibe la orden del regulador y la adapta para accionar el elemento final de control.
• Amplificador: Proporciona un nivel de señal adecuado.
• Comparador (Detector de error): Compara la señal de referencia con la señal de salida.
• Sensor: En contacto directo con la magnitud a evaluar.
• Transductor: Adapta un tipo de energía a otro.
• Captador: Recoge una transformación en el sistema para realimentarla (transductor en el lazo de realimentación).
• Transmisor: Transforma la señal del sensor/transductor/captador a una señal normalizada.
• Termistores: Resistencias que varían con la temperatura (NTC: coeficiente negativo, PTC: coeficiente positivo).
• Termopares: Generan fuerza electromotriz en la unión de dos metales distintos al calentarse.
• Viscosidad: Resistencia de un fluido a su movimiento. Disminuye al aumentar la temperatura.
• Índice de viscosidad: Medida de la variación de la viscosidad con la temperatura.
• Régimen laminar: Flujo ordenado (Re < 2000).
• Régimen turbulento: Flujo desordenado (Re > 2000).
• Cuatro Tiempos (4T): Ciclo de un motor con admisión, compresión, explosión-expansión y escape.

Principios y Leyes de la Hidráulica y Neumática

• Principio de Pascal: La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones. P1 = F1/S1 = F2/S2. Los desplazamientos de los émbolos cumplen: S1 * L1 = S2 * L2.
• Ley de Continuidad: En líquidos incompresibles, el caudal es constante en todas las secciones de un tubo. Q1 = Q2 => D1^2 * v1 = D2^2 * v2.
• Válvulas de dirección (distribuidores): Se definen por el número de vías, posiciones y forma de activación.
• Válvulas antirretorno: Permiten el paso del fluido en un sentido y lo bloquean en el contrario.
• Válvula selectora: Dos entradas y una salida. Permite la circulación desde una entrada, bloqueando la otra.
• Válvulas de regulación de presión y caudal: Modifican la presión y el caudal (estranguladoras, temporizadoras, etc.).
• Cilindros de simple efecto: Realizan trabajo útil en un solo sentido. Retorno por muelle o gravedad.
• Cilindros de doble efecto: Realizan trabajo en ambos sentidos. Fuerza de avance y retroceso diferentes.
• Sistema de control de lazo abierto: La señal de salida no influye en la entrada (ej. lavadora automática).
• Sistema de control de lazo cerrado: La señal de salida influye en la entrada (ej. control de iluminación de calles).
• Válvula de simultaneidad: Dos entradas y una salida. Función lógica AND.

Circuitos Lógicos y Álgebra de Boole

• Transcodificar: Pasar de información no binaria a otra no binaria.
• Decodificadores: Circuitos combinacionales con ‘n’ entradas y 2^n salidas.
• Multiplexores: Seleccionan una entrada entre varias y la envían a una única salida.
• Demultiplexores: Seleccionan una salida entre varias para enviar la información de una única entrada.
• Codificar: Establecer correspondencia entre información primaria (ej. decimal) e información binaria.
• Decodificar: Operación inversa a la codificación.
• Función lógica: Expresión algebraica con variables binarias y operaciones (producto, suma, inversión).
• Función canónica: Todos los términos contienen todas las variables (directas o complementadas).
• Minterm: Término expresado como producto de variables.
• Maxterm: Término expresado como suma de variables.
• Tabla de verdad: Relación ordenada de términos canónicos que hacen verdadera la función.
• Lógica positiva: 1 lógico con tensión más positiva que 0 lógico.
• Lógica negativa: 1 lógico con tensión más negativa que 0 lógico.
• Circuito combinacional: La salida depende solo de las entradas.
• Circuito secuencial: La salida depende de las entradas y del estado anterior de la salida.
• Circuito comparador: Compara dos datos binarios.
• Sumador: Suma dos datos binarios, considerando el acarreo.
• Biestable: Circuito que memoriza información (RS, JK, D, T; por nivel, flanco; asíncronos, síncronos).
• Caloría: Cantidad de calor para elevar 1 grado Celsius la temperatura de 1 gramo de agua.
• Frigoría: Cantidad de calor a sustraer a 1 kg de agua para disminuir 1 grado Celsius su temperatura.