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.
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 ).
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]
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. Dichas microestructuras se denominan 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]
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]
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 temperatura alta 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]
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