Pensemos en un acto cotidiano: pinchamos y cortamos el bife con tenedor y cuchillo aplicando poca o mucha fuerza según la resistencia que ofrezca a ser saboreado. En este sencillo acto estamos sometiendo a los utensilios a un ensayo mecánico al aplicar una fuerza sobre ellos. En general los cubiertos se arquean (poco o mucho) pero luego recuperan la forma. ¿Alguno de ellos queda deformado? (suele ocurrir particularmente si los compramos por poca plata), entonces lo hemos deformado plásticamente. Y si los forzamos a recuperar la forma, ¡los estamos deformando más aún! Y repitiendo la operación terminarán rompiendo. ¡No hay solución!
Las propiedades mecánicas están vinculadas con la respuesta de un material cuando se lo somete a fuerzas. Al aplicarse una fuerza a la gran mayoría de los metales y aleaciones, éstos sufren una deformación proporcional a la fuerza aplicada, hasta cierto umbral. Al quitarse la fuerza, el material recupera su forma original comportándose como un elástico. El umbral recibe el nombre de límite elástico. Superado el límite elástico, el material se deforma permanentemente, lo que se conoce como deformación plástica, que progresa hasta la fractura. Al quitarse la fuerza en la etapa de deformación plástica, el material no recupera su forma original, sino que queda deformado de forma permanente por la generación de defectos denominados dislocaciones. Si la forma era una propiedad importante, las dislocaciones la dañan irremediablemente. También hay metales y aleaciones frágiles que pueden romperse antes del inicio de la deformación plástica, pero no los incluiremos aquí. La selección de materiales para una dada aplicación depende fuertemente entonces de sus propiedades mecánicas.
En las aleaciones (combinación de metales) las propiedades mecánicas dependen no sólo de los metales que la componen, sino también de cómo se distribuyen los átomos. Aún en el estado sólido los átomos se agrupan en forma diferenciada dando lugar a lo que denominamos fases. La respuesta mecánica del material será diferente según las fases presentes. De esta manera, los ensayos mecánicos son una herramienta poderosa para obtener información acerca de la distribución atómica en el material. Este es uno de los temas de estudio de uno de los Grupos del IFIMAT (Instituto de Física de Materiales Tandil, de la UNICEN), las transformaciones de fase y las propiedades mecánicas de aleaciones.
Un grupo de aleaciones en estudio es el Aluminio con agregado de átomos de Silicio y Magnesio (Al-Mg-Si), donde los átomos de Si y Mg no son mucho más que el 1% del total. Con esta pequeña cantidad de agregados el umbral de deformación plástica es unas diez veces mayor que en el Aluminio puro. Pero además se observa que partiendo de los átomos distribuidos al azar y dejando “envejecer” la aleación a temperatura ambiente el límite elástico crece. Ocurre que los átomos de Si y Mg se ligan formando lo que denominamos conglomerados, y estos dan la mayor resistencia a la aleación.
Los conglomerados contienen unos 10 átomos, y su tamaño es del orden del nanómetro (10-9m o un metro dividido mil millones). No pueden observarse siquiera con microscopios electrónicos de altísimo aumento. Sin embargo, midiendo el endurecimiento que producen podemos estudiar cómo se forman y crecen con el tiempo de envejecimiento. En condiciones apropiadas de envejecimiento a distintas temperaturas y tiempos se forman diversas fases que estudiamos también mediante los cambios que producen en las propiedades mecánicas.
Estas aleaciones son utilizadas en la industria automotriz, aeronáutica, de la construcción, etc. Pero nuestro interés, lejos de la ingeniería, está en conocer y explicar el comportamiento de los átomos y las dislocaciones en el material.