microestructura

La microestructura es la disposición de cristales, fases y defectos visibles a aumentos entre aproximadamente 50x y 10,000x, típicamente bajo un microscopio óptico o electrónico. Se encuentra entre la escala atómica (que requiere microscopía electrónica de transmisión a 100,000x o más) y la escala macroscópica (lo que se puede ver a simple vista). Esta escala intermedia es donde los metalúrgicos encuentran los controles que determinan si una viga de acero se doblará o se romperá, si una aleación de aluminio resistirá la corrosión o si un cable de cobre conducirá la electricidad de manera eficiente.

Los componentes primarios de la microestructura son los granos: cristales individuales de la misma fase que se formaron durante la solidificación o la recristalización. Cada grano está delimitado por límites de grano, donde los átomos están menos ordenados. Dentro o entre los granos se encuentran diferentes fases, como ferrita y cementita en el acero, o alfa y beta en las aleaciones de titanio. Las inclusiones (óxidos, sulfuros, nitruros) y los precipitados (partículas endurecedoras) también pueblan la microestructura. El tamaño, la forma y la distribución de estas características rigen las propiedades mecánicas como la resistencia a la fluencia, la tenacidad, la dureza y la resistencia a la fatiga.

La microestructura se controla mediante la composición, la velocidad de enfriamiento y el trabajo mecánico. El enfriamiento rápido produce granos finos y pequeños; el enfriamiento lento produce granos gruesos. El laminado o forjado en caliente rompe las grandes estructuras dendríticas y redistribuye las inclusiones. El tratamiento térmico, el recocido, el temple, el revenido y el envejecimiento cambian las fases presentes y cómo se distribuyen. Un acero enfriado lentamente desde 900 °C puede contener ferrita y cementita blandas y en bloques; el mismo acero templado en agua se convierte en martensita dura. El revenido de esa martensita a 600 °C produce una microestructura mucho más tenaz de finas partículas de carburo en ferrita.

Observación e Interpretación

Para observar la microestructura, se corta una muestra, se monta en resina, se lija progresivamente más fina (típicamente a 0.05 micrómetros con pasta de diamante), se pule y se graba con ácido u otro reactivo para revelar los límites de grano y las fases. Las diferentes fases y orientaciones se graban a diferentes velocidades, creando contraste bajo luz reflejada. La microscopía óptica funciona bien hasta aproximadamente 1500x de aumento útil; la microscopía electrónica de barrido (SEM) llega a 100,000x y muestra detalles más finos. La apariencia le dice al metalúrgico experimentado qué tratamiento térmico se aplicó, qué historial de trabajo tiene el material y dónde es probable que se inicien las fallas.

Los defectos comunes visibles en la microestructura incluyen granos excesivamente gruesos (por sobrecalentamiento o enfriamiento lento), segregación (distribución desigual de los elementos de aleación entre el centro y los bordes de los granos) y porosidad (poros de gas que quedan de la solidificación). Las inclusiones no metálicas del proceso de refinación, alúmina, silicatos, sulfuros de manganeso, actúan como concentradores de tensión y reducen la vida a la fatiga. El término microestructura surgió a principios del siglo XX cuando los metalúrgicos adoptaron el microscopio como una herramienta estándar y reconocieron que las propiedades no estaban gobernadas solo por la composición química, sino por cómo se organizaba esa composición a escala micrométrica.