UNIDAD 7Dislocaciones y Mecanismos deEndurecimiento en los MaterialesMetlicosDislocaciones y Mecanismos deEndurecimiento en los MaterialesMetlicosDislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en losMateriales Metlicos En la Unidad 6 se explic que los materiales pueden experimentardos tipos de deformacin: elstica y plstica. En una escala microscpica, la deformacin plstica correspondeal movimiento neto de un gran nmero de tomos en respuesta auna tensin aplicada. Durante ese proceso, se rompen enlaces y luego se rehacen. En los slidos cristalinos, la deformacin plstica implica elmovimiento de dislocaciones. Se analizarn las propiedades de las dislocaciones y suparticipacin en la deformacin plstica. En la Unidad 6 se explic que los materiales pueden experimentardos tipos de deformacin: elstica y plstica. En una escala microscpica, la deformacin plstica correspondeal movimiento neto de un gran nmero de tomos en respuesta auna tensin aplicada. Durante ese proceso, se rompen enlaces y luego se rehacen. En los slidos cristalinos, la deformacin plstica implica elmovimiento de dislocaciones. Se analizarn las propiedades de las dislocaciones y suparticipacin en la deformacin plstica.Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en losMateriales Metlicos Se presentan varias tcnicas para lograr el endurecimiento de losmateriales metlicos se explican los mecanismos por los cuales se produce elendurecimiento y la participacin de las dislocaciones. Finalmente, se analizan los procesos de recuperacin y derecristalizacin, Son procesos que ocurren en los metales plsticamentedeformados, normalmente a temperaturas elevadas. Se analiza tambin el fenmeno de crecimiento de grano. Se presentan varias tcnicas para lograr el endurecimiento de losmateriales metlicos se explican los mecanismos por los cuales se produce elendurecimiento y la participacin de las dislocaciones. Finalmente, se analizan los procesos de recuperacin y derecristalizacin, Son procesos que ocurren en los metales plsticamentedeformados, normalmente a temperaturas elevadas. Se analiza tambin el fenmeno de crecimiento de grano.Dislocaciones y Deformacin Plstica Se calcularon por primera vez algunas propiedades mecnicas tericaspara cristales perfectos: sus magnitudes deberan ser mucho mayoresque las determinadas experimentalmente. Durante la dcada de 1930 se postul que la diferencia: defectocristalino lineal que se denomin dislocacin. En los 50 se pudo verificar la existencia de esos defectos porobservacin directa con un microscopio electrnico detransmisin(TEM). Desde entonces se ha desarrollado una Teora de Dislocaciones quepermite explicar muchos fenmenos fsicos y mecnicos en losmateriales. Se calcularon por primera vez algunas propiedades mecnicas tericaspara cristales perfectos: sus magnitudes deberan ser mucho mayoresque las determinadas experimentalmente. Durante la dcada de 1930 se postul que la diferencia: defectocristalino lineal que se denomin dislocacin. En los 50 se pudo verificar la existencia de esos defectos porobservacin directa con un microscopio electrnico detransmisin(TEM). Desde entonces se ha desarrollado una Teora de Dislocaciones quepermite explicar muchos fenmenos fsicos y mecnicos en losmateriales.Tipos de dislocacionesTipos de dislocacionesTipos de dislocacionesDislocaciones y Deformacin Plstica La deformacin plstica corresponde al movimiento de un grannmero de dislocaciones. Una dislocacin de borde se mueve en respuesta a una tensin decorte aplicada en una direccin perpendicular a su lnea. El hemiplanoextra ( A en la Figura) se mueve hacia la derecha forzadopor la tensin de corte, ese movimiento, a su vez, fuerza las mitadessuperiores de los planos B, C, D, etc, en la misma direccin. Si la tensin de corte es suficientemente grande las uniones del planoB se alargan en la direccin de la tensin de corte, la mitad superior del plano B se convierte en el hemiplanoextramientras que el plano A se une con la mitad inferior del plano B. La deformacin plstica corresponde al movimiento de un grannmero de dislocaciones. Una dislocacin de borde se mueve en respuesta a una tensin decorte aplicada en una direccin perpendicular a su lnea. El hemiplanoextra ( A en la Figura) se mueve hacia la derecha forzadopor la tensin de corte, ese movimiento, a su vez, fuerza las mitadessuperiores de los planos B, C, D, etc, en la misma direccin. Si la tensin de corte es suficientemente grande las uniones del planoB se alargan en la direccin de la tensin de corte, la mitad superior del plano B se convierte en el hemiplanoextramientras que el plano A se une con la mitad inferior del plano B.Dislocaciones y Deformacin PlsticaDislocaciones y Deformacin Plstica El proceso se repite por accin de la tensin aplicada demanera que el hemiplanoextra se va desplazando porruptura y formacin de uniones. Finalmente el hemiplanoextra emerge por la superficiederecha del cristalformando un escaln que tiene unadistancia atmica de ancho. El proceso se repite por accin de la tensin aplicada demanera que el hemiplanoextra se va desplazando porruptura y formacin de uniones. Finalmente el hemiplanoextra emerge por la superficiederecha del cristalformando un escaln que tiene unadistancia atmica de ancho.Dislocaciones y Deformacin PlsticaDislocaciones y Deformacin Plstica El proceso por el cual la deformacin plstica se genera por elmovimiento de dislocaciones se denomina deslizamiento (slip). El plano cristalogrfico sobre el cual se mueve la dislocacin dedenomina plano de deslizamiento (slipplane). La deformacin plstica macroscpica corresponde a ladeformacin que resulta del desplazamiento (slip) de lasdislocaciones en respuesta a la aplicacin de una tensin decorte. El proceso por el cual la deformacin plstica se genera por elmovimiento de dislocaciones se denomina deslizamiento (slip). El plano cristalogrfico sobre el cual se mueve la dislocacin dedenomina plano de deslizamiento (slipplane). La deformacin plstica macroscpica corresponde a ladeformacin que resulta del desplazamiento (slip) de lasdislocaciones en respuesta a la aplicacin de una tensin decorte.Dislocaciones y Deformacin Plstica El movimiento de una dislocacin hlice en respuesta a unatensin de corte es perpendicular a la direccin de la tensin. Sin embargo, la deformacin plstica neta es la misma. Para una dislocacin mixta la direccin de movimiento de la lneade la dislocacin no es ni paralela ni perpendicular a la direccinde la tensin. El movimiento de una dislocacin hlice en respuesta a unatensin de corte es perpendicular a la direccin de la tensin. Sin embargo, la deformacin plstica neta es la misma. Para una dislocacin mixta la direccin de movimiento de la lneade la dislocacin no es ni paralela ni perpendicular a la direccinde la tensin.Dislocaciones y Deformacin PlsticaDislocaciones y Deformacin Plstica Todos los metales y aleaciones contienen dislocaciones que seintroducen durante la solidificacin, la deformacin plstica y tambinpor tensiones trmicas producto de un enfriado rpido. La densidad de dislocaciones se expresa por unidad de volumen o porunidad de superficie, en este caso se toman en cuenta las queintersectanun determinado plano. Para metales enfriados lentamente la densidad de dislocaciones es delorden de 103mm-2, en cambio, para metales severamente deformadoses de 109o 1010mm-2. Por calentamiento de una probeta severamente deformada se puededisminuir la densidad a 105o 106mm-2. En los materiales cermicos ladensidad de dislocaciones suele ser menor. Todos los metales y aleaciones contienen dislocaciones que seintroducen durante la solidificacin, la deformacin plstica y tambinpor tensiones trmicas producto de un enfriado rpido. La densidad de dislocaciones se expresa por unidad de volumen o porunidad de superficie, en este caso se toman en cuenta las queintersectanun determinado plano. Para metales enfriados lentamente la densidad de dislocaciones es delorden de 103mm-2, en cambio, para metales severamente deformadoses de 109o 1010mm-2. Por calentamiento de una probeta severamente deformada se puededisminuir la densidad a 105o 106mm-2. En los materiales cermicos ladensidad de dislocaciones suele ser menor.Caractersticas de las dislocaciones Hay varias propiedades de las dislocaciones que sonimportantesen este contexto. Una de ellas es el campo de tensiones que existe alrededor de lasdislocaciones y que influye tanto en su movilidad como en laposibilidad de que se multipliquen. Cuando los metales se deforman plsticamente una fraccin de laenerga de deformacin, alrededor del 5 %, se retieneinternamente, el resto se disipa en forma de calor. La mayor parte de esa energa se almacena en forma de energade deformacin asociada a las dislocaciones. Hay varias propiedades de las dislocaciones que sonimportantesen este contexto. Una de ellas es el campo de tensiones que existe alrededor de lasdislocaciones y que influye tanto en su movilidad como en laposibilidad de que se multipliquen. Cuando los metales se deforman plsticamente una fraccin de laenerga de deformacin, alrededor del 5 %, se retieneinternamente, el resto se disipa en forma de calor. La mayor parte de esa energa se almacena en forma de energade deformacin asociada a las dislocaciones.Caractersticas de las dislocaciones Dislocacin de borde:los tomos de las regiones cercanas estnsometidos a tensiones, de traccin, de compresin o de corte. Los tomos que estn inmediatamente arriba de la lnea dedislocacin estn forzados a estar a una distancia menor que lanormal, sufren una deformacin de compresin si se los compara contomos de una regin alejada de la dislocacin. Directamente por debajo de la lnea de la dislocacin el efecto esel contrario, los tomos sufren una deformacin de traccin. Tambin existen deformaciones de corte en las cercanas de lalnea de la dislocacin. Dislocacin de borde:los tomos de las regiones cercanas estnsometidos a tensiones, de traccin, de compresin o de corte. Los tomos que estn inmediatamente arriba de la lnea dedislocacin estn forzados a estar a una distancia menor que lanormal, sufren una deformacin de compresin si se los compara contomos de una regin alejada de la dislocacin. Directamente por debajo de la lnea de la dislocacin el efecto esel contrario, los tomos sufren una deformacin de traccin. Tambin existen deformaciones de corte en las cercanas de lalnea de la dislocacin.Caractersticas de las dislocacionesCaractersticas de las dislocaciones Para una dislocacin tornillo las tensiones son de corte puras. Esas distorsiones en la red cristalina se pueden considerar comocampos de deformacin que se irradian desde la lnea de ladislocacin. La deformacin se extiende a los tomos de los alrededores de ladislocacin, su magnitud decrece con la distancia segn las direccionesradiales a la lnea de la dislocacin. Para una dislocacin tornillo las tensiones son de corte puras. Esas distorsiones en la red cristalina se pueden considerar comocampos de deformacin que se irradian desde la lnea de ladislocacin. La deformacin se extiende a los tomos de los alrededores de ladislocacin, su magnitud decrece con la distancia segn las direccionesradiales a la lnea de la dislocacin.Caractersticas de las dislocaciones Los campos de deformacin alrededor de dislocaciones que estncercanas pueden interactuar de manera tal que surgen fuerzasentre ellas. Por ejemplo, consideremos dos dislocaciones de borde del mismosigno e idntico plano de deslizamiento. Los campos de tensin compresivos y de traccin estn del mismolado del plano de deslizamiento, en consecuencia, la interaccin entre las deformaciones es tal quese genera una fuerza repulsiva entre las dos dislocaciones. Los campos de deformacin alrededor de dislocaciones que estncercanas pueden interactuar de manera tal que surgen fuerzasentre ellas. Por ejemplo, consideremos dos dislocaciones de borde del mismosigno e idntico plano de deslizamiento. Los campos de tensin compresivos y de traccin estn del mismolado del plano de deslizamiento, en consecuencia, la interaccin entre las deformaciones es tal quese genera una fuerza repulsiva entre las dos dislocaciones.Caractersticas de las dislocacionesCaractersticas de las dislocaciones Por otro lado, dos dislocaciones de borde de signo opuesto ycon el mismo plano de deslizamiento se atraern mutuamente. En ese caso, las dislocaciones se aniquilarn cuando seencuentren. Es decir, los doshemiplanosextra se alinearn yformarn un plano completo. Tambin es posible la interaccin entre las dislocaciones deborde con las tornilloy con las mixtas. Estos campos de tensiones son importantes en los mecanismosde endurecimiento de los metales. Por otro lado, dos dislocaciones de borde de signo opuesto ycon el mismo plano de deslizamiento se atraern mutuamente. En ese caso, las dislocaciones se aniquilarn cuando seencuentren. Es decir, los doshemiplanosextra se alinearn yformarn un plano completo. Tambin es posible la interaccin entre las dislocaciones deborde con las tornilloy con las mixtas. Estos campos de tensiones son importantes en los mecanismosde endurecimiento de los metales.Caractersticas de las dislocacionesCaractersticas de las Dislocaciones Durante la deformacin plstica el nmero de dislocaciones crecefuertemente. Una fuente importante para ese crecimiento es la multiplicacinde las dislocaciones existentes. Otras fuentes: bordes de grano, irregularidades en la superficie yrayaduras, actan como concentradores de tensin y eventuales sitiosgeneradores de dislocaciones durante la deformacin. Durante la deformacin plstica el nmero de dislocaciones crecefuertemente. Una fuente importante para ese crecimiento es la multiplicacinde las dislocaciones existentes. Otras fuentes: bordes de grano, irregularidades en la superficie yrayaduras, actan como concentradores de tensin y eventuales sitiosgeneradores de dislocaciones durante la deformacin.Sistemas de Deslizamiento Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad sobretodos los planos cristalogrficos. Suele haber un plano preferencial y, sobre ese plano, unadireccin preferida. Ese plano es llamado plano de deslizamiento (slipplane) y ladireccin: direccin de deslizamiento. Esa combinacin sedenominasistema de deslizamiento. El sistema de deslizamiento depende de la estructura cristalinadel material metlico. Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad sobretodos los planos cristalogrficos. Suele haber un plano preferencial y, sobre ese plano, unadireccin preferida. Ese plano es llamado plano de deslizamiento (slipplane) y ladireccin: direccin de deslizamiento. Esa combinacin sedenominasistema de deslizamiento. El sistema de deslizamiento depende de la estructura cristalinadel material metlico.Sistemas de Deslizamiento Para cada estructura cristalina el plano de deslizamiento es elplano con empaquetamiento ms compacto, es decir, el quetiene la mayor densidadplanar. La direccin de deslizamiento corresponde a la direccin que enese plano tiene la mayor densidad lineal. Por ejemplo, para la estructura FCC, los planos que tienen lamayor densidadplanar son los de la familia {111}. El deslizamiento ocurre en las direcciones y sobre losplanos {111}. Para cada estructura cristalina el plano de deslizamiento es elplano con empaquetamiento ms compacto, es decir, el quetiene la mayor densidadplanar. La direccin de deslizamiento corresponde a la direccin que enese plano tiene la mayor densidad lineal. Por ejemplo, para la estructura FCC, los planos que tienen lamayor densidadplanar son los de la familia {111}. El deslizamiento ocurre en las direcciones y sobre losplanos {111}.Sistemas de Deslizamiento Es decir, {111}-representa la combinacin de plano ydireccin de deslizamiento o el sistema de deslizamiento para laestructura FCC. En la Figura que sigue puede verse que en un mismo plano puedehaber ms de una direccin de desplazamiento. En consecuencia, para una estructura cristalina puede haber variossistemas de deslizamiento que representan distintas combinacionesde planos y direcciones. Por ejemplo, para la FCC hay 12 sistemas: cuatro planosde {111}y,en cada plano, 3 direcciones de . Es decir, {111}-representa la combinacin de plano ydireccin de deslizamiento o el sistema de deslizamiento para laestructura FCC. En la Figura que sigue puede verse que en un mismo plano puedehaber ms de una direccin de desplazamiento. En consecuencia, para una estructura cristalina puede haber variossistemas de deslizamiento que representan distintas combinacionesde planos y direcciones. Por ejemplo, para la FCC hay 12 sistemas: cuatro planosde {111}y,en cada plano, 3 direcciones de .Sistemas de DeslizamientoSistemas de Deslizamiento Para estructuras BCC y HCP incluyen ms de una familia de planos(por ejemplo, {110}, {211}y {321}para BCC). Algunos de esos sistemas de deslizamiento funcionan slo atemperaturas elevadas. Los metales con estructuras FCC y BCC tienen un gran nmero desistemas deslizamiento, por lo menos 12. son dctiles pues el mov. de las dislocaciones es posible sobredistintos sistemas: deformacin plstica ms fcil. Los metales HCP suelen ser menosdctiles(ej: Mg, Zn) puespocos sistemas de deslizamiento activos. Para estructuras BCC y HCP incluyen ms de una familia de planos(por ejemplo, {110}, {211}y {321}para BCC). Algunos de esos sistemas de deslizamiento funcionan slo atemperaturas elevadas. Los metales con estructuras FCC y BCC tienen un gran nmero desistemas deslizamiento, por lo menos 12. son dctiles pues el mov. de las dislocaciones es posible sobredistintos sistemas: deformacin plstica ms fcil. Los metales HCP suelen ser menosdctiles(ej: Mg, Zn) puespocos sistemas de deslizamiento activos.Sistemas de DeslizamientoSistemas de Deslizamiento Deslizamiento: la direccin del vector de Burgersbcoincide con ladireccin de deslizamiento de la dislocacin. Su longitud es igual a un paso en el desplazamiento que es igual, asu vez, a una distancia interatmica. Tanto la direccin y el mdulo debdependen de la estructuracristalina, esconveniente expresarlo en funcin del parmetro de celda ay de los ndices de la direccin de desplazamiento. b(FCC) =a/2 ; b(BCC) =a/2 ;b(HCP) =a/3 . Deslizamiento: la direccin del vector de Burgersbcoincide con ladireccin de deslizamiento de la dislocacin. Su longitud es igual a un paso en el desplazamiento que es igual, asu vez, a una distancia interatmica. Tanto la direccin y el mdulo debdependen de la estructuracristalina, esconveniente expresarlo en funcin del parmetro de celda ay de los ndices de la direccin de desplazamiento. b(FCC) =a/2 ; b(BCC) =a/2 ;b(HCP) =a/3 .Deslizamiento en Monocristales Para avanzar en la discusin es conveniente tratar el tema enmonocristales, despus se lo extiende a policristales. Las dislocaciones de borde, tornillo o mixtas se mueven segnunsistema de deslizamientocuando se aplica una tensin. Se vi que aunque una tensin sea pura de traccin o de compresinse generan tensiones componentes de corte en los planos que noson perpendiculares a las direccin de la tensin. Se denominan tensiones de corte resueltas (resolved shearstresses), su magnitud depende del mdulo de la tensin aplicada yde la orientacin del sistema de deslizamiento. Para avanzar en la discusin es conveniente tratar el tema enmonocristales, despus se lo extiende a policristales. Las dislocaciones de borde, tornillo o mixtas se mueven segnunsistema de deslizamientocuando se aplica una tensin. Se vi que aunque una tensin sea pura de traccin o de compresinse generan tensiones componentes de corte en los planos que noson perpendiculares a las direccin de la tensin. Se denominan tensiones de corte resueltas (resolved shearstresses), su magnitud depende del mdulo de la tensin aplicada yde la orientacin del sistema de deslizamiento.Deslizamiento en Monocristales Llamemos(phi) al ngulo entre la normal al plano dedeslizamientoy la direccin de la tensin aplicada, y(lambda) al ngulo entre las direcciones de la tensin y de ladireccin de deslizamiento, puede demostrarse que la tensin de corte resuelta responde a lasiguiente ecuacin: Llamemos(phi) al ngulo entre la normal al plano dedeslizamientoy la direccin de la tensin aplicada, y(lambda) al ngulo entre las direcciones de la tensin y de ladireccin de deslizamiento, puede demostrarse que la tensin de corte resuelta responde a lasiguiente ecuacin:En general, (phi + lambda 90) pues no necesariamentecomparten el plano la normal al plano de deslizamiento, ladireccin de deslizamiento y la direccin de la tensin.Deslizamiento en MonocristalesDeslizamiento en Monocristales Un metal monocristalino tiene distintos sistemas de deslizamientoque pueden operar. La tensin de corte resuelta difiere para esos planos pues laorientacin relativa con respecto a la direccin de la tensintambin difiere. Sin embargo, uno de esos sistemas suele tener el mayor valorpara la tensin de corte resuelta, es decir, la tensin de corteresuelta mxima: Un metal monocristalino tiene distintos sistemas de deslizamientoque pueden operar. La tensin de corte resuelta difiere para esos planos pues laorientacin relativa con respecto a la direccin de la tensintambin difiere. Sin embargo, uno de esos sistemas suele tener el mayor valorpara la tensin de corte resuelta, es decir, la tensin de corteresuelta mxima:Deslizamiento en Monocristales Cuando se aplica una tensin de traccin o de compresin eldeslizamiento en un monocristal comienza en el sistema que estorientado de manera ms favorable, la tensin de corte resuelta en ese sistema alcanza un valorcrtico, la tensin de corte resuelta crtica : CRSS, CRSSrepresenta la tensin de corte mnima requerida para iniciarel deslizamiento. Es una propiedad del material que indica cuando comienza ladeformacin plstica. Cuando se aplica una tensin de traccin o de compresin eldeslizamiento en un monocristal comienza en el sistema que estorientado de manera ms favorable, la tensin de corte resuelta en ese sistema alcanza un valorcrtico, la tensin de corte resuelta crtica : CRSS, CRSSrepresenta la tensin de corte mnima requerida para iniciarel deslizamiento. Es una propiedad del material que indica cuando comienza ladeformacin plstica.Deslizamiento en Monocristales El monocristal se deforma plsticamente cuando la tensin decorte resuelta es igual a la tensin de corte resuelta crtica : R(max)=CRSS, la magnitud de la tensin necesaria para iniciar la fluencia (y) es :Ergo, la tensin mnima necesaria para la fluencia ocurrecuando el monocristal est orientado de manera que = = 45 , en esas condiciones y= 2 CRSSDeslizamiento en Monocristales Para una muestra monocristalina que est sometida a tensin ladeformacin ser como la que muestra la siguiente figura. El deslizamiento ocurre sobre varios planos y direccionesequivalentes que son los ms favorablemente orientados. La deformacin por deslizamiento genera pequeos escalonessobre la superficie de la muestra que son paralelos entre s. Cada escaln resulta del movimiento de un gran nmero dedislocaciones sobre el mismo plano de deslizamiento. Para una muestra monocristalina que est sometida a tensin ladeformacin ser como la que muestra la siguiente figura. El deslizamiento ocurre sobre varios planos y direccionesequivalentes que son los ms favorablemente orientados. La deformacin por deslizamiento genera pequeos escalonessobre la superficie de la muestra que son paralelos entre s. Cada escaln resulta del movimiento de un gran nmero dedislocaciones sobre el mismo plano de deslizamiento.Deslizamiento en MonocristalesDeslizamiento en Monocristales Sobre la superficie pulida de un monocristal esos escalonesaparecen como lneas que son llamadas lneas de deslizamiento(slip lines). La figura muestra un monocristal de Zn que ha sidodeformado plsticamente.Deslizamiento en Monocristales Si contina la deformacin de unmonocristal metlico, el nrode lneasde deslizamiento y el tamao de los escalones de deslizamientoaumenta. Para metales FCC o BCC el deslizamiento puede, eventualmente,comenzar en un segundo sistema, el prximo ms favorablementeorientado. Para metales HCP (con pocos sistemas de deslizamiento), si el eje de latensin aplicada para el sistema de deslizamiento ms favorable es, o bien perpendicular a ladir. de deslizamiento (lambda =90), o bienparalelo al plano de deslizamiento (phi =90), laCRSS=0. En ese caso, lo ms habitual, es que el cristal se fracture. Si contina la deformacin de unmonocristal metlico, el nrode lneasde deslizamiento y el tamao de los escalones de deslizamientoaumenta. Para metales FCC o BCC el deslizamiento puede, eventualmente,comenzar en un segundo sistema, el prximo ms favorablementeorientado. Para metales HCP (con pocos sistemas de deslizamiento), si el eje de latensin aplicada para el sistema de deslizamiento ms favorable es, o bien perpendicular a ladir. de deslizamiento (lambda =90), o bienparalelo al plano de deslizamiento (phi =90), laCRSS=0. En ese caso, lo ms habitual, es que el cristal se fracture.Deslizamiento en Policristales La deformacin y el deslizamiento en policristales es un poco mscomplejo, por la orientacin al azar de los distintos granos, la direccin dedeslizamiento vara de grano en grano. Para cada grano, el movimiento de las dislocaciones ocurrir sobreel sistema que tenga la orientacin ms favorable. En la figura que sigue, puede verse una muestra policristalina decobre que ha sido deformada plsticamente. La superficie fuepulida antes de la deformacin. La deformacin y el deslizamiento en policristales es un poco mscomplejo, por la orientacin al azar de los distintos granos, la direccin dedeslizamiento vara de grano en grano. Para cada grano, el movimiento de las dislocaciones ocurrir sobreel sistema que tenga la orientacin ms favorable. En la figura que sigue, puede verse una muestra policristalina decobre que ha sido deformada plsticamente. La superficie fuepulida antes de la deformacin.Deslizamiento en Policristales Se ven las lneas de deslizamiento y, aparentemente, operaron dossistemas para la mayora de los granos: dos conjuntos de lneasparalelas que se intersectan.Deslizamiento en policristales Deformacin plstica considerable de una muestra policristalinadistorsin comparable de cada grano por deslizamiento. Durante la deformacin la integridad mecnica y la coherencia semantienen a lo largo de los bordes de grano, es decir, no seseparan ni se abren. En consecuencia, cada grano est restringido en su forma por losgranos vecinos. La manera en que los granos se distorsionan como resultado de ladeformacin plstica se muestra en la figura siguiente. Deformacin plstica considerable de una muestra policristalinadistorsin comparable de cada grano por deslizamiento. Durante la deformacin la integridad mecnica y la coherencia semantienen a lo largo de los bordes de grano, es decir, no seseparan ni se abren. En consecuencia, cada grano est restringido en su forma por losgranos vecinos. La manera en que los granos se distorsionan como resultado de ladeformacin plstica se muestra en la figura siguiente.Deslizamiento en PolicristalesComo resultado de la deformacin plstica, los granos, queestabanequiaxiados, seelonganen la direccin en la que elmaterial se deform.Deslizamiento en Policristales Metalespolicristalinos: ms resistentes a la deformacin que losmonocristalinosse requieren tensiones mayores para iniciarel deslizamiento y la fluencia. Esto se debe, principalmente, a las restricciones geomtricasque tienen los granos durante la deformacin. Un grano particular puede estar orientado de manera favorablecon respecto a la tensin aplicada como para sufrirdeslizamiento pero, no se puede deformar hasta que los granos vecinos tambinestn en condiciones de hacerlo. Metalespolicristalinos: ms resistentes a la deformacin que losmonocristalinosse requieren tensiones mayores para iniciarel deslizamiento y la fluencia. Esto se debe, principalmente, a las restricciones geomtricasque tienen los granos durante la deformacin. Un grano particular puede estar orientado de manera favorablecon respecto a la tensin aplicada como para sufrirdeslizamiento pero, no se puede deformar hasta que los granos vecinos tambinestn en condiciones de hacerlo.Deformacin por maclado Adems del deslizamiento, la deformacin plstica en losmateriales metlicos puede ocurrir por la formacin de maclasmecnicas o maclado mecnico: (mechanical twins o mechanical twinning). En la siguiente figura se muestra de que modo se produce esefenmeno. El maclado ocurre para un plano cristalogrfico definido y parauna direccin determinada segn la estructura cristalina. Pej, parametales BCC: (112) y [111]. Adems del deslizamiento, la deformacin plstica en losmateriales metlicos puede ocurrir por la formacin de maclasmecnicas o maclado mecnico: (mechanical twins o mechanical twinning). En la siguiente figura se muestra de que modo se produce esefenmeno. El maclado ocurre para un plano cristalogrfico definido y parauna direccin determinada segn la estructura cristalina. Pej, parametales BCC: (112) y [111].Deformacin por maclado Los crculos sin relleno representan tomos que no se mueven, lascircunferencias en lnea punteada y los crculos con relleno representan laposicin original y final respectivamente de los tomos que se mueven.Deformacin por maclado Si se comparan las deformaciones por maclado y pordeslizamiento surgen diferencias. Por deslizamiento: la orientacin cristalogrfica por encima y pordebajo del plano de deslizamiento es la misma antes y despusde la deformacin. Por maclado: hay una reorientacin alrededor del plano demaclado. Adems, el deslizamiento ocurre en mltiplos enteros delespaciado interatmico mientras que en el macladoes menorque un espaciamiento interatmico. Si se comparan las deformaciones por maclado y pordeslizamiento surgen diferencias. Por deslizamiento: la orientacin cristalogrfica por encima y pordebajo del plano de deslizamiento es la misma antes y despusde la deformacin. Por maclado: hay una reorientacin alrededor del plano demaclado. Adems, el deslizamiento ocurre en mltiplos enteros delespaciado interatmico mientras que en el macladoes menorque un espaciamiento interatmico.Deformacin por maclado y por deslizamientoDeformacin por maclado y por deslizamiento Maclado mecnico: estructuras BCC y HCP a bajas T y avelocidades de carga elevadas, bajo esas condiciones el deslizamiento est restringido, es decir,hay pocos sistemas de deslizamiento activos. La cantidad de material deformado por maclado es pequeacomparada con la deformada por deslizamiento. El maclado puede poner nuevos sistemas en una orientacinfavorable para poder sufrir deformacin por deslizamiento. Maclado mecnico: estructuras BCC y HCP a bajas T y avelocidades de carga elevadas, bajo esas condiciones el deslizamiento est restringido, es decir,hay pocos sistemas de deslizamiento activos. La cantidad de material deformado por maclado es pequeacomparada con la deformada por deslizamiento. El maclado puede poner nuevos sistemas en una orientacinfavorable para poder sufrir deformacin por deslizamiento.Mecanismos de Endurecimiento en losMateriales Metlicos La deformacin plstica de los metales est asociadafundamentalmente al movimiento de las dislocaciones. si se dificulta el movimiento de las dislocaciones debera serms difcil deformar plsticamente al metal. Casi todos los mecanismos de endurecimiento residen en elsiguiente principio: Al restringir o limitar el movimiento de las dislocaciones metalms duro y resistente a la deformacin. La deformacin plstica de los metales est asociadafundamentalmente al movimiento de las dislocaciones. si se dificulta el movimiento de las dislocaciones debera serms difcil deformar plsticamente al metal. Casi todos los mecanismos de endurecimiento residen en elsiguiente principio: Al restringir o limitar el movimiento de las dislocaciones metalms duro y resistente a la deformacin.Endurecimiento por reduccindel tamao de grano El tamao promedio de los granos en un metal policristalinoinfluye en las propiedades mecnicas. Los granos adyacentes tienen normalmente distintasorientaciones cristalogrficas. Durante la deformacin plstica se produce el movimiento de lasdislocaciones, en algn momento, la dislocacin se encuentra con un borde degrano: barrera para ese movimiento. El tamao promedio de los granos en un metal policristalinoinfluye en las propiedades mecnicas. Los granos adyacentes tienen normalmente distintasorientaciones cristalogrficas. Durante la deformacin plstica se produce el movimiento de lasdislocaciones, en algn momento, la dislocacin se encuentra con un borde degrano: barrera para ese movimiento.Endurecimientopor reduccindel tamaodegrano Hay, por lo menos, dos razones para que un borde de grano actecomo tal barrera: 1. Dos granos vecinos tienen distintas orientaciones, si unadislocacin pasa de un grano a otrodebe cambiar su direccinde movimiento, cuanto mayor sea la desorientacin entre los granos vecinos msdifcil es ese cambio de la direccin. 2. El desorden atmico en un borde de grano implica unadiscontinuidad en los planos de deslizamiento de un grano a otro. Hay, por lo menos, dos razones para que un borde de grano actecomo tal barrera: 1. Dos granos vecinos tienen distintas orientaciones, si unadislocacin pasa de un grano a otrodebe cambiar su direccinde movimiento, cuanto mayor sea la desorientacin entre los granos vecinos msdifcil es ese cambio de la direccin. 2. El desorden atmico en un borde de grano implica unadiscontinuidad en los planos de deslizamiento de un grano a otro.Endurecimiento por reduccindel tamao de granoEndurecimiento por Reduccindel tamao de Grano Para bordes de grano de gran ngulo las dislocaciones noatraviesan los bordes de grano durante la deformacin, si no que se acumulan en esa regin. Esas aglomeraciones inducen concentracin de tensiones en losplanos de deslizamiento, lo que genera nuevas dislocaciones en los granos adyacentes. Para bordes de grano de gran ngulo las dislocaciones noatraviesan los bordes de grano durante la deformacin, si no que se acumulan en esa regin. Esas aglomeraciones inducen concentracin de tensiones en losplanos de deslizamiento, lo que genera nuevas dislocaciones en los granos adyacentes.Endurecimientopor reduccindel tamaodegrano Un material de grano fino es ms duro y ms resistente que otrocon grano grande ya que el primero tiene un rea de borde degrano mayor para dificultar el mov. de las dislocaciones. Para muchos materiales, la fluencia olmiteelsticovara con eltamao de grano segn: y=o+kyd-1/2 Un material de grano fino es ms duro y ms resistente que otrocon grano grande ya que el primero tiene un rea de borde degrano mayor para dificultar el mov. de las dislocaciones. Para muchos materiales, la fluencia olmiteelsticovara con eltamao de grano segn: y=o+kyd-1/2En esa expresin, (ec. de Hall-Petch), d es el dimetropromedio de grano, oy kyson constantes para el materialen cuestin.Endurecimiento por Reduccin delTamao de Grano La ecuacin de Hall-Petch no es vlida para materiales de granomuy grueso ni muy fino. En la figura siguiente se muestra la dependencia de la fluencia conel tamao de grano para un latn. El tamao de grano se puede controlar mediante la velocidad desolidificacin y tambin por deformacin plstica seguida de untratamiento trmico, La ecuacin de Hall-Petch no es vlida para materiales de granomuy grueso ni muy fino. En la figura siguiente se muestra la dependencia de la fluencia conel tamao de grano para un latn. El tamao de grano se puede controlar mediante la velocidad desolidificacin y tambin por deformacin plstica seguida de untratamiento trmico,Endurecimiento por Reduccin del Tamao de GranoEndurecimiento por reduccindel tamao de grano Los bordes de grano de ngulo bajo no son efectivos en interferircon el proceso de deslizamiento por el pequeodesacomodamiento al atravesar el borde de grano. Por otro lado, los bordes de macla s son efectivos en esesentido. Tambin las interfaces impiden el movimiento de lasdislocaciones, esto cobra importancia en aleaciones mscomplejas. Los bordes de grano de ngulo bajo no son efectivos en interferircon el proceso de deslizamiento por el pequeodesacomodamiento al atravesar el borde de grano. Por otro lado, los bordes de macla s son efectivos en esesentido. Tambin las interfaces impiden el movimiento de lasdislocaciones, esto cobra importancia en aleaciones mscomplejas.Endurecimiento por formacinde una solucin slida Otra tcnica para endurecer los materiales metlicos es el aleadocon impurezas que formen soluciones slidasintersticiales osustitucionales. Se denomina endurecimiento por formacin de una solucinslida (solid-solution strengthening). Los metales de alta pureza son casi siempre ms blandos y menosresistentes que sus aleaciones. Al aumentar la concentracin de la impureza se incrementan tantola resistencia a la traccin como el lmite elstico. Otra tcnica para endurecer los materiales metlicos es el aleadocon impurezas que formen soluciones slidasintersticiales osustitucionales. Se denomina endurecimiento por formacin de una solucinslida (solid-solution strengthening). Los metales de alta pureza son casi siempre ms blandos y menosresistentes que sus aleaciones. Al aumentar la concentracin de la impureza se incrementan tantola resistencia a la traccin como el lmite elstico.Resistencia a la traccin y endurecimiento porformacin de solucin slida (Cu-Ni)Lmite elstico y endurecimiento por formacinde solucin slidaDuctilidad y endurecimiento por formacin desolucin slidaEndurecimiento por formacin de una solucinslida Aleaciones: ms resistentes a la deformacin que los metalespuroslos tomos de soluto generan deformaciones en la reddel metal solvente. La interaccin entre las dislocaciones y los campos de deformacinde la red debidos a esos tomos dificulta su movimiento. tomo de soluto en posicin sustitucional tomo de svdeformaciones de compresin a su alrededor. Aleaciones: ms resistentes a la deformacin que los metalespuroslos tomos de soluto generan deformaciones en la reddel metal solvente. La interaccin entre las dislocaciones y los campos de deformacinde la red debidos a esos tomos dificulta su movimiento. tomo de soluto en posicin sustitucional tomo de svdeformaciones de compresin a su alrededor.Endurecimiento por formacin de una solucinslidaEndurecimiento por formacin de una solucinslidaEndurecimiento por formacin de una solucinslida Los tomos de soluto tienden a difundir y segregarse alrededor delas dislocaciones de manera de reducir la energa de deformacintotal. un tomo de soluto pequeo tender a ubicarse cerca de unadislocacin que minimice su deformacin de traccin medianteuna deformacin compresiva. un tomo de soluto grande, por el contrario, tender a ubicarsecerca de una dislocacin que anule su deformacin decompresin. Los tomos de soluto tienden a difundir y segregarse alrededor delas dislocaciones de manera de reducir la energa de deformacintotal. un tomo de soluto pequeo tender a ubicarse cerca de unadislocacin que minimice su deformacin de traccin medianteuna deformacin compresiva. un tomo de soluto grande, por el contrario, tender a ubicarsecerca de una dislocacin que anule su deformacin decompresin.Endurecimiento por formacin de una solucinslidaEndurecimiento por formacin de una solucinslidaEndurecimiento por formacin de una solucin slida La resistencia al deslizamiento es mayor cuando hay tomos deimpureza: mayor deformacin de la red para que la dislocacininicie su movimiento. Idem cuando la dislocacin est en movimiento y lo contina. Tensin mayor para iniciar y luego continuar la deformacinplstica en aleaciones que sean soluciones slidas. La resistencia al deslizamiento es mayor cuando hay tomos deimpureza: mayor deformacin de la red para que la dislocacininicie su movimiento. Idem cuando la dislocacin est en movimiento y lo contina. Tensin mayor para iniciar y luego continuar la deformacinplstica en aleaciones que sean soluciones slidas.Endurecimiento por deformacin El endurecimiento por deformacin (strain hardening) consisteen que un metal dctil se vuelva ms duro y fuerte cuando esdeformado plsticamente. Suele denominarse endurecimiento por trabajo (workhardening) o trabajo en fro (cold working). Muchos metales experimentan este fenmeno a temperaturaambiente. A veces es conveniente expresar el grado de deformacin plsticacomo porcentaje de trabajo en fro: % CW. El endurecimiento por deformacin (strain hardening) consisteen que un metal dctil se vuelva ms duro y fuerte cuando esdeformado plsticamente. Suele denominarse endurecimiento por trabajo (workhardening) o trabajo en fro (cold working). Muchos metales experimentan este fenmeno a temperaturaambiente. A veces es conveniente expresar el grado de deformacin plsticacomo porcentaje de trabajo en fro: % CW.Endurecimiento por deformacin Aoy Adson las reas de la seccin antes y despus de ladeformacin. Las siguientes figuras muestran como se incrementa la resistenciaa la traccin y el lmite elstico en el acero, latn y cobre alaumentar el trabajo en fro. El precio por ese incremento es la disminucin de la ductilidad delmetal como se ve en otra de las figuras. Aoy Adson las reas de la seccin antes y despus de ladeformacin. Las siguientes figuras muestran como se incrementa la resistenciaa la traccin y el lmite elstico en el acero, latn y cobre alaumentar el trabajo en fro. El precio por ese incremento es la disminucin de la ductilidad delmetal como se ve en otra de las figuras.Endurecimiento por deformacinEndurecimiento por deformacinEndurecimiento por deformacinEndurecimiento por deformacinInfluencia del trabajo en fro sobre la curvatensin-deformacin de un acero con bajo % de CEndurecimiento por deformacin El endurecimiento por deformacin se mostr en la unidadanterior. Cuando un metal con lmite elsticoyoes deformadoplsticamente hasta el punto D y luego se retira la carga paravolver a aplicarla resulta un nuevo lmite elsticoyf. El metal se ha vuelto ms resistente a la deformacin duranteese proceso puesyf>yo. El endurecimiento por deformacin se mostr en la unidadanterior. Cuando un metal con lmite elsticoyoes deformadoplsticamente hasta el punto D y luego se retira la carga paravolver a aplicarla resulta un nuevo lmite elsticoyf. El metal se ha vuelto ms resistente a la deformacin duranteese proceso puesyf>yo.Endurecimiento por deformacinEndurecimiento por deformacin Este fenmeno se explica en trminos de la interaccin entre loscampos de deformacin de distintas dislocaciones. Al someter un metal a trabajo en fro la densidad de dislocacionesaumenta por multiplicacin o por creacin de nuevas dislocaciones. Ergo, disminuye la distancia promedio entre las dislocaciones. Enpromedio la interaccin dislocacin-dislocacin es repulsiva. El resultado es que se ve dificultado el movimiento de lasdislocaciones. Este fenmeno se explica en trminos de la interaccin entre loscampos de deformacin de distintas dislocaciones. Al someter un metal a trabajo en fro la densidad de dislocacionesaumenta por multiplicacin o por creacin de nuevas dislocaciones. Ergo, disminuye la distancia promedio entre las dislocaciones. Enpromedio la interaccin dislocacin-dislocacin es repulsiva. El resultado es que se ve dificultado el movimiento de lasdislocaciones.Endurecimiento por deformacin Cuando la densidad de dislocaciones crece, tambin aumenta laresistencia a su movimiento. En consecuencia, la tensin necesaria para deformar un metalcrece al aumentar el trabajo en fro. El endurecimiento por deformacin se utiliza para mejorar laspropiedades mecnicas durante los procesos de fabricacin. Sus efectos se pueden eliminar mediante un recocido(tratamiento trmico). Cuando la densidad de dislocaciones crece, tambin aumenta laresistencia a su movimiento. En consecuencia, la tensin necesaria para deformar un metalcrece al aumentar el trabajo en fro. El endurecimiento por deformacin se utiliza para mejorar laspropiedades mecnicas durante los procesos de fabricacin. Sus efectos se pueden eliminar mediante un recocido(tratamiento trmico).Endurecimiento por Deformacin Curvas de traccin nominales(de ingeniera) vsCurvas de traccin reales:K y n son constantes que dependen del metal o aleacin yde la historia trmica y mecnica del material. Sueledenominarse a n como exponente de endurecimiento pordeformacin (< 1).n es una medida de la capacidad del metal para endurecerse pordeformacin, a>n >capacidad.Mecanismos de endurecimiento demateriales metlicos Tres mecanismos para endurecer materiales metlicos de unasola fase: reduccin del tamao de grano, endurecimiento porformacin de una solucin slida y por deformacin. Naturalmente, pueden ser usados simultneamente. Los efectos de la deformacin y de la reduccin del tamao degrano se pueden eliminar por tratamientos trmicos. Los efectos de la formacin de soluciones slidas, en cambio, noson afectados por ese tipo de tratamientos. Tres mecanismos para endurecer materiales metlicos de unasola fase: reduccin del tamao de grano, endurecimiento porformacin de una solucin slida y por deformacin. Naturalmente, pueden ser usados simultneamente. Los efectos de la deformacin y de la reduccin del tamao degrano se pueden eliminar por tratamientos trmicos. Los efectos de la formacin de soluciones slidas, en cambio, noson afectados por ese tipo de tratamientos.Recuperacin, Recristalizacin yCrecimiento de grano Si un metal policristalino sufre una deformacin plstica atemperaturas