deformación y mecanismos de endurecimiento

Universidad Autónoma de Nuevo LeónUniversidad Autónoma de Nuevo LeónFacultad de Ingeniería Mecánica y EléctricaFacultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en Mecánica de Materiales

Deformación y Mecanismos de Deformación y Mecanismos de EndurecimientoEndurecimiento

Presenta: Sergio Serment Moreno 24 de Abril del 2012

Mecanismos de Mecanismos de Deformación de MetalesDeformación de Metales

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Mecanismos de deformación de Mecanismos de deformación de MetalesMetales

Historia: Las resistencias teóricas resultan mucho mayores a las medidas experimentalmente. En 1930 se atribuyó a la presencia de dislocaciones. En 1950 se observó la existencia de las dislocaciones

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Conceptos básicos de dislocacionesConceptos básicos de dislocaciones

Dislocación de borde

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Conceptos básicos de dislocacionesConceptos básicos de dislocaciones

Dislocación de tornillo

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Conceptos básicos de dislocacionesConceptos básicos de dislocaciones

Dislocación mixta

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Mecanismos de deformación de Mecanismos de deformación de metalesmetales

Deformación plástica = Movimiento de dislocaciones.

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El deslizamiento de una dislocación de borde es paralelo a la dirección en que se aplica el esfuerzo de corte.

Mecanismos de deformación de Mecanismos de deformación de metalesmetales

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El deslizamiento de una dislocación de tornillo es perpendicular a la dirección en que se aplica el esfuerzo de corte.

Mecanismos de deformación de Mecanismos de deformación de MetalesMetales

Densidad de Dislocaciones: Distancia total de las dislocaciones en una unidad de volumen o número de dislocaciones que intersectan una unidad de área de cualquier sección. [mm-2]Metales = 103 a 109 mm-2

Cerámicos = 102 a 104 mm-2

Monocristal de silicio = 0.1 a 1 mm-2

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Características de las dislocacionesCaracterísticas de las dislocaciones

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Un metal al ser deformado plásticamente retiene aprox. 5% de la energía de deformación en su estructura interna.

Características de las dislocacionesCaracterísticas de las dislocaciones

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Los campos de esfuerzos correspondientes a diferentes dislocaciones pueden interactuar entre si.

Las dislocaciones ya existentes, las fronteras de grano, los defectos internos y los defectos en la superficie del material son fuente de nuevas dislocaciones.

Sistemas de deslizamientoSistemas de deslizamiento

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Un sistema de deslizamiento se compone de un plano y una dirección. Preferentemente son aquellos planos y direcciones que están más poblados.

Sistemas de deslizamientoSistemas de deslizamiento

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Sistemas de deslizamiento para diferentes metales.

Deformación en metales Deformación en metales policristalinospolicristalinos

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El deslizamiento se llevará a cabo a través del sistema más favorecido por la orientación de los granos.

Mecanismos de Mecanismos de Endurecimiento en Endurecimiento en

MetalesMetales

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Endurecimiento por reducción de Endurecimiento por reducción de tamaño de granotamaño de grano

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Las fronteras de grano dificultan el deslizamiento de dislocaciones.

Endurecimiento por solución sólidaEndurecimiento por solución sólida

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Impurezas generan esfuerzos de tensión-compresión.

Endurecimiento por solución sólidaEndurecimiento por solución sólida

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Endurecimiento por deformaciónEndurecimiento por deformación

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Fuente de Frank-Read: Una dislocación se dobla sobre si misma y genera una nueva dislocación.

Endurecimiento por deformaciónEndurecimiento por deformación

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Técnicas de trabajo en frío

Endurecimiento por deformaciónEndurecimiento por deformación

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A0= Área original de la sección transversal que experimenta la deformación.Ad= Área después de la deformación.

0

0

% ( ) 100dA ACW

A

−= ×

EjemploEjemplo

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Variación de las propiedades mecánicas del material en función del %CW.

Endurecimiento por deformaciónEndurecimiento por deformación

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Diagramas esfuerzo deformación.

Recocido, recuperación, Recocido, recuperación, recristalización y recristalización y

crecimiento granularcrecimiento granular

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RecocidoRecocido

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Tratamiento térmico que ayuda a desaparecer esfuerzos residuales y desaparecer los efectos del CW.

RecuperaciónRecuperación

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Al calentarse el metal trabajado en frío las dislocaciones comienzan a moverse y formar los bordes de una nueva estructura. Se eliminan algunos esfuerzos residuales y se recuperan las conductividades eléctrica y térmica del metal. La densidad de dislocaciones se mantiene igual.

RecristalizaciónRecristalización

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Formación de un nuevo conjunto de granos libres de esfuerzos con aproximadamente las mismas dimensiones.Temperatura de recristalización: Temperatura a la cual la recristalización se completa en un tiempo de 1 hora. Normalmente entre 1/3 y ½ de la T de fusión.

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Trabajo en calienteTrabajo en caliente

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Se pueden llevar a cabo deformaciones plásticas del metal a T mayores a la de recristalización. Durante la deformación no existe endurecimiento ya que la recristalización ocurre continuamente. La deformación plástica es prácticamente “ilimitada”.

Crecimiento granularCrecimiento granular

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Se lleva a cabo por la migración de fronteras de grano. Reduce la energía interna del material.

Crecimiento granularCrecimiento granular

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d= Diámetro de granod0= Diámetro de grano inicial a t=0K y n son constantes independientes del tiempo

0n nd d Kt− =

Crecimiento granularCrecimiento granular

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Mecanismos de Mecanismos de deformación en materiales deformación en materiales

cerámicoscerámicos

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Cerámicos cristalinosCerámicos cristalinos

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La deformación ocurre de la misma manera que en los metales. No presentan deformaciones plásticas debido a: (1)La fuerza de sus enlaces.(2)Existen pocos sistemas de deslizamiento.(3)La estructura compleja de las dislocaciones.

Cerámicos no cristalinosCerámicos no cristalinos

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La deformación plástica ocurre a través de un flujo viscoso.

Cerámicos no cristalinosCerámicos no cristalinos

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Para un flujo viscoso en un líquido que se origina por el esfuerzo de corte generado por dos placas paralelas, la viscosidad η es la relación entre el esfuerzo aplicado τ y el cambio en la velocidad dv con la distancia dy. La viscosidad disminuye con la temperatura.

/

/ /

F A

dv dy dv dy

τη = =

Mecanismos de deformación Mecanismos de deformación y endurecimiento en y endurecimiento en

polímerospolímeros

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Deformación de polímeros Deformación de polímeros semicristalinossemicristalinos

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Deformación en polímeros Deformación en polímeros semicristalinossemicristalinos

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Mecanismo de deformación elástica: Se produce una elongación de las cadenas del polímero . Puede presentarse el desacomodo de algunas moléculas, éste se restringe por fuerzas de van der Waals y otras interacciones secundarias.

Mecanismo de deformación plástica: Se puede describir de mejor manera por las interacciones entre las lamelas y las regiones amorfas en respuesta a un esfuerzo alicado

Deformación en polímeros Deformación en polímeros semicristalinossemicristalinos

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Factores que influyen en las propiedades Factores que influyen en las propiedades mecánicas de los polímeros semicristalinosmecánicas de los polímeros semicristalinos

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Igual que en los metales si se incrementa la T o se disminuye el grado de deformación se aumenta la ductilidad. Entrecruzamiento, van der Waals, peso molecular, grado de cristalinidad.

Deformación de elastómerosDeformación de elastómeros

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Experimentan grandes deformaciones y regresan a su forma original. Amorfos y compuestos por cadenas entrincadas entre si. La deformación elástica de un elastómero está regida por la entropía. Se aplica un esfuerzo y comienzan a ordenarse las cadenas, se deja de aplicar y regresa a su estado de mayor entropía.Cuando se estira un elastómero: se eleva su T y el módulo de elasticidad aumenta conforme aumenta la T, caso contrario a otros materiales

Deformación de elastómerosDeformación de elastómeros

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Deformación de elastómerosDeformación de elastómeros

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Para que un polímero se considere elastómero: no debe cristalizar y sus cadenas deben girar sobre su eje libremente.

Un elastómero siempre se encuentra debajo de tu T de transición vítrea, debajo de ella el elastómero se vuelve frágil.

VulcanizaciónVulcanización

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Entrecruzamiento con cadenas de azufre (1:100 a 5:100). Antes de vulcanizar el caucho es suave y pegajoso y tiene poca resistencia a la erosión. Luego del vulcanizado aumentan su módulo de elasticidad, resistencia a la tensión y resistencia a la degradación por oxidación.

VulcanizaciónVulcanización

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BibliografíaBibliografía

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CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES – 6TA EDICIONDONAL R. ASKELAND / PRADEEP P. FULAY / WENDELIN J. WRIGHTCENGAGE LERNING – 2011 MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING AN INTRODUCTION – 8th EDITIONWILLIAM D. CALLISTER, JR. / DAVID G. RETHWISCHWILEY – 2009 FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES – 4TA EDICIONWILLIAM F. SMITH / JAVAD HASHEMIMC GRAW HILL – 2004 ENGINEERING MATERIALS SCIENCEMILTON OHRINGACADEMIC PRESS – 1995

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