Microestructura

Microestructura es la estructura a muy pequeña escala de un material, definida como la estructura de una superficie preparada de material revelada por un microscopio óptico con un aumento de más de 25 aumentos. La microestructura de un material (como metales, polímeros, cerámicas o compuestos) puede influir fuertemente en propiedades físicas como resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, resistencia a la corrosión, comportamiento a altas y bajas temperaturas o resistencia al desgaste. Estas propiedades a su vez gobiernan la aplicación de estos materiales en la práctica industrial.

La microestructura a escalas más pequeñas de las que se pueden ver con microscopios ópticos a menudo se denomina nanoestructura, mientras que la estructura en la que se organizan los átomos individuales se conoce como estructura cristalina. La nanoestructura de especímenes biológicos se denomina ultraestructura. La influencia de una microestructura sobre las propiedades mecánicas y físicas de un material se rige principalmente por los diferentes defectos presentes o ausentes en la estructura. Estos defectos pueden adoptar muchas formas, pero las principales son los poros. Si bien esos poros juegan 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 es observable en características macroestructurales en objetos comunes. El acero galvanizado, como la carcasa de un poste de luz o un divisor de carretera, exhibe un mosaico de colores no uniformes de polígonos entrelazados de diferentes tonos de gris o plateado. Cada polígono es un único cristal de zinc que se adhiere 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 uno de siete arreglos de apilamiento 3D o redes cristalinas (cúbica, tetraédrica, hexagonal, monoclínica, triclínica, romboédrica y ortorrómbica). La dirección de alineación de las matrices difiere entre los cristales adyacentes, lo que genera una variación en la reflectividad de cada cara presentada de los granos entrelazados en la superficie galvanizada. El tamaño medio de grano puede controlarse 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 Fortalecimiento Hall-Petch).

Caracterizaciones de microestructuras

Para cuantificar las características microestructurales, se deben caracterizar tanto las propiedades morfológicas como las materiales. El procesamiento de imágenes es una técnica sólida para la determinación de características morfológicas como la fracción de volumen, la morfología de las inclusiones y las orientaciones de los huecos y los cristales. Para adquirir micrografías se utiliza habitualmente la microscopía óptica y electrónica. Para determinar las propiedades del material, la nanoindentación es una técnica sólida para la determinación de propiedades a nivel micrométrico y submicrónico para las cuales las pruebas convencionales no son factibles. 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 determinar las propiedades microestructurales locales de materiales tanto homogéneos como heterogéneos. Las microestructuras también se pueden caracterizar utilizando modelos estadísticos de alto orden mediante los cuales se extrae de las imágenes un conjunto de propiedades estadísticas complicadas. Luego, estas propiedades se pueden utilizar para producir otros modelos estocásticos.

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 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 reales, las microestructuras se modifican después de la generación para que coincidan con las estadísticas de una microestructura real. Tal 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 configuraciones diferentes).

Influencia de los poros y composición

Un poro en una microestructura, a menos que se desee, es una desventaja para las propiedades. De hecho, en casi todos los materiales, un poro será el punto de partida de la ruptura del material. Es el punto de iniciación de las grietas. Además, un poro suele ser bastante difícil de eliminar. Las técnicas que se describen 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 por 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 una estructura cristalina diferente, exhibiendo así diferentes propiedades mecánicas. Además, estas diferentes fases también presentan una microestructura diferente (tamaño de grano, orientación). Esto también puede mejorar algunas propiedades mecánicas, ya que puede ocurrir una deflexión de la grieta, lo que empuja aún más la ruptura final al crear un camino de grieta más tortuoso en la microestructura más gruesa.

Técnicas de mejora

En algunos casos, simplemente cambiar la forma en que se procesa el material puede influir en la microestructura. Un ejemplo es la aleación de titanio TiAl6V4. Su microestructura y propiedades mecánicas se mejoran mediante SLM (fusión selectiva por láser), que es una técnica de impresión 3D que utiliza polvo y funde las partículas mediante un láser de alta potencia. Otras técnicas convencionales para mejorar la microestructura son los procesos térmicos. Esos procesos se basan en el principio de que un aumento de temperatura inducirá la reducción o aniquilación de los poros. 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. El proceso HIP expone el material deseado a una presión de gas isostático, así como a 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 cerrado. Sin embargo, algunos sistemas también asocian el bombeo de gas al proceso para alcanzar el nivel de presión requerido. La presión aplicada sobre los materiales es igual y proviene de todas las direcciones (de ahí el término “isostática”). 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.