Microestructura

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

La microestructura a escalas menores que las que se pueden observar con microscopios ópticos se denomina a menudo nanoestructura , mientras que la estructura en la que se organizan los átomos individuales se conoce como estructura cristalina . La nanoestructura de las muestras biológicas se denomina ultraestructura .

La influencia de la microestructura en las propiedades mecánicas y físicas de un material está determinada principalmente por los diferentes defectos presentes o ausentes en su estructura. Estos defectos pueden adoptar diversas formas, pero los poros son los principales. Si bien los poros desempeñan un papel fundamental en la definición de las características de un material, su composición también lo hace. De hecho, en muchos materiales pueden coexistir diferentes fases. Estas fases poseen propiedades distintas y, si se gestionan adecuadamente, pueden prevenir la fractura del material.

El concepto de microestructura se observa en las características macroestructurales de objetos cotidianos. El acero galvanizado , como la carcasa de una farola o una mediana, presenta un mosaico de colores no uniformes formado por polígonos entrelazados de diferentes tonalidades de gris o plata. Cada polígono es un monocristal de zinc adherido a la superficie del acero subyacente. El zinc y el plomo son dos metales comunes que forman grandes cristales (granos) visibles a simple vista. Los átomos de cada grano se organizan en una de las siete estructuras 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 provoca variaciones en la reflectividad de cada cara de los granos entrelazados en la superficie galvanizada. El tamaño medio del grano se puede controlar mediante las condiciones de procesamiento y la composición, y la mayoría de las aleaciones constan de granos mucho más pequeños, invisibles a simple vista. Esto tiene como objetivo aumentar la resistencia del material (véase el método de 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 ]} la morfología de las inclusiones, ^{[ 3 ]} las orientaciones de los huecos y los 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 a nivel micrométrico y submicrométrico 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 las propiedades microestructurales. Sin embargo, la nanoindentación se puede utilizar para determinar las propiedades microestructurales locales de materiales homogéneos y heterogéneos. ^{[ 4 ]} 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. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Se generan microestructuras simuladas por computadora para replicar las características microestructurales de microestructuras reales. Dichas microestructuras se denominan microestructuras sintéticas. Las microestructuras sintéticas se utilizan para investigar qué característica microestructural es importante para una propiedad dada. Para garantizar la equivalencia estadística entre las microestructuras generadas y las reales, las microestructuras se modifican después de su generación para que coincidan con las estadísticas de una microestructura real. Este procedimiento permite generar un número teóricamente infinito de microestructuras simuladas por computadora que son estadísticamente iguales (tienen las mismas estadísticas) pero estocásticamente diferentes (tienen configuraciones diferentes). ^{[ 3 ] [ 10 ]}

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 partida para la ruptura del material. Es el punto de inicio 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 número de coordinación alto (rodeado 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 número de coordinación alto inhibe el crecimiento hacia el poro. Para muchos materiales, se puede ver en su diagrama de fases que pueden existir múltiples fases al mismo tiempo. Estas diferentes fases pueden exhibir diferentes estructuras cristalinas, exhibiendo así diferentes propiedades mecánicas. ^{[ 11 ]} Además, estas diferentes fases también exhiben una microestructura diferente (tamaño de grano, orientación). ^{[ 12 ]} Esto también puede mejorar algunas propiedades mecánicas, ya que puede producirse una desviación de la grieta, empujando así la ruptura final más lejos, pues crea una trayectoria de grieta más tortuosa en la microestructura más gruesa. ^{[ 13 ]}

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. ^{[ 14 ]} 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 con un láser de alta potencia. ^{[ 15 ]} Otras técnicas convencionales para mejorar la microestructura son los procesos térmicos. ^{[ 16 ]} Estos procesos se basan en el principio de que un aumento de la temperatura inducirá la reducción o aniquilación de los poros. ^{[ 17 ]} El prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso de fabricación, utilizado 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. ^{[ 18 ]} El proceso HIP expone el material deseado a una presión de gas isostática, 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 incorporan el bombeo de gas al proceso para alcanzar el nivel de presión requerido. La presión aplicada sobre los materiales es uniforme y proviene de todas las direcciones (de ahí el término "isostático"). ^{[ 19 ]} 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. ^{[ 20 ]}

• Crecimiento anormal de granos : fenómeno en el que ciertos granos de un material crecen más rápido que otros. 
• Cristalito : pequeño cristal que se forma bajo ciertas 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. 

• Contenido multimedia relacionado con la microestructura en Wikimedia Commons.