UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA

COMPORTAMIENTO MECÁNICO

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO. Endurecimiento por deformación.

Por Horacio rodriguez santillan

Fecha de entrega: 05/04/16

IntroducciónLas propiedades mecánicas de los materiales están controladas fuertemente por la estructura atómica y la microestructura del metal. Las propiedades mecánicas de un metal pueden representarse en un diagrama esfuerzo deformación. Si el esfuerzo es menor al límite elástico, se dice que la deformación es elástica. A niveles de esfuerzo iguales o mayores que el esfuerzo de cedencia, el metal se deforma plásticamente. La principal diferencia entre deformación plástica y elástica es que en la deformación elástica el material recupera su forma inicial al dejar de aplicar el esfuerzo, mientras que en la deformación plástica al dejar de aplicar el esfuerzo el material queda deformado permanentemente. El fenómeno se puede explicar, a una escala atómica, se puede describir como un movimiento de los átomos de su estado inicial. Cuando se aplica un esfuerzo cortante a un cristal, los átomos se desplazaran de sus posiciones iniciales. Si el esfuerzo no es lo suficientemente grande los átomos no se desplazaran muy lejos de sus posiciones iniciales y al eliminar el esfuerzo los átomos regresaran a sus posiciones iniciales. Esto quiere decir que el cristal se deformo elásticamente. En la deformación plástica sucede que los átomos no regresan a su posición inicial, generando una deformación permanente.

Esto quiere decir que el fenómeno de deformación simplemente es un movimiento de átomos. El desplazamiento permanente de los átomos de un metal durante la deformación plástica ocurre por medio de 4 mecanismos principales:

1. Deslizamiento2. Maclado 3. Deslizamiento de los límites de grano4. Termofluencia difusional

El mecanismo que tiene una mayor contribución a la deformación es el deslizamiento. El deslizamiento puede definirse formalmente como el movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano(o planos). Al doblar una tira de aluminio hasta un Angulo de 10° a 30° hace que aparezca la estructura real de la tira de aluminio a la vista. Al observar al microscopio a una ampliación alrededor de 100 X se observan muchas líneas paralelas dentro de cada grano. Estas líneas son producidas por el deslizamiento provocado por la deformación plástica. El deslizamiento no se produce sobre un plano solamente, sino sobre pequeñas regiones de planos paralelos llamados bandas de deslizamiento o líneas de deslizamiento. Idealmente se consideran que los materiales son monocristalinos y tienen una estructura perfecta, sin embargo eso no es cierto. Los materiales son policristalinos y dentro de su estructura pueden tener defectos, que se clasifican en los siguientes 4:

1. Puntuales2. Lineales3. Superficiales4. Volumétricos

El defecto con mayor importancia es la dislocación. En 1934 se introdujo el concepto de dislocación, aunque no fue muy bien aceptado la evidencia experimental demostró que las propiedades mecánicas de los materiales están controladas por estos defectos. Un fenómeno muy interesante, que depende de las dislocaciones, es en endurecimiento por deformación.

Endurecimiento por deformaciónEl endurecimiento por deformación, también conocido como trabajo en frio, es el aumento de la resistencia mecánica de un material por el efecto de una deformación plástica. Para ilustrarlo de una mejor manera lo explicare con la siguiente figura

Cuando deformamos al metal hasta una deformación, εb, con un esfuerzo, Ϭb. Dejamos de aplicar el esfuerzo. Después volvemos a aplicar un esfuerzo al mismo metal deformado, el metal no se deformara hasta pasar el esfuerzo Ϭb. Esto quiere decir que el metal deformado tiene un límite elástico mayor cuando es deformado. Este aumento es el límite de la cedencia está relacionado con las dislocaciones y la generación de dislocaciones. Con el microscopio de transmisión electrónica ha sido posible hacer estudios directos de las dislocaciones con la estructuras de los materiales deformados. Los resultados de estos estudios indican que en la mayoría de los metales existe una relación que relaciona la densidad de dislocaciones con el esfuerzo:

Ϭ=Ϭ0+kρ1/2 Donde ρ es una medida de la densidad de dislocaciones de centímetros de dislocaciones por unidad de volumen, k es una constante y Ϭ0 es el esfuerzo obtenido cuando ρ1/2 es extrapolado a 0. En la figura se muestran los resultados de la deformación de diferentes especímenes de titanio a temperatura ambiente y con diferente tamaño de grano.

Teoría de las dislocacionesLas dislocaciones son defectos en la red cristalina que afectan a una serie de átomos. Existen diferentes tipos de dislocaciones dependiendo de su forma. A continuación voy a describir todos los tipos de dislocaciones.

La dislocación de borde

La dislocación de borde puede visualizarse muy fácilmente como un medio extra de átomos en una retícula. Este tipo de dislocación es un defecto lineal debido a que la localización de los puntos defectuosos de encuentran a lo largo de una línea. Esto se muestra den dos dimensiones en la siguiente figura.

Si se aplica un esfuerzo cortante lo que se va producir es un movimiento de átomos empujando el plano extra de átomos se moverá hasta que por último emerge de la superficie formando el principio de una línea de deslizamiento.

Si consideramos la dislocación de borde desde otro punto de vista. Si suponemos que se aplica una fuerza a la mitad superior del lado derecho de un monocristal. La fuerza hace que los átomos sobre la superficie del lado derecho se deslicen hacia la izquierda por un espaciamiento atómico y el movimiento se caracteriza por el vector de desplazamiento. Este movimiento debe generar un medio plano extra en la izquierda.

Con este punto de vista tenemos las siguientes definiciones.Línea de dislocación: la línea que va a lo largo de aquel borde del plano extra de átomos que termina dentro del cristal.Plano de deslizamiento: el plano definido por la línea extra de dislocación y el vector de deslizamiento. Si la dislocación se mueve en la dirección del vector de deslizamiento, se dice que se mueve propiamente por deslizamiento, y la línea de dislocación se mueve a lo largo del plano de deslizamiento. Símbolo: las dislocaciones de borde se simbolizan convenientemente con un signo de perpendicular, Cuando el signo apunto hacia arriba, el plano extra de átomos está sobre el plano de deslizamiento y a la dislocación se le llama positiva. Cuando el signo apunto hacia abajo, T, el plano extra está abajo del plano de deslizamiento y la dislocación es negativa.

Vector de deslizamiento: el vector de deslizamiento se llama generalmente vector de Burgers y se define formalmente como sigue:

A. Defínase una dirección positiva a lo largo de la línea de dislocación. Esta dirección se escoge arbitrariamente.

B. Constrúyase un plano perpendicular a la línea de dislocaciónC. Trácese un camino alrededor de la línea de dislocación en este plano

moviendo n vectores de retícula en cada una de las 4 direcciones mutuamente perpendiculares. Aváncese en el sentido de las manecillas

del reloj mientras se ve abajo en el sentido positivo de la línea de dislocación. Esto se le conoce como el circuito de Burger.

D. Si este camino no se cierra indica una dislocación. El vector de Burgers, b, es el vector necesario para lograr el cierre.

Cuando la línea de dislocación se mueve en ángulos rectos con el vector de Burgers, el movimiento se llama trepado de dislocación. Nótese que para mover el plano extra de átomos completo hacia arriba, una final completa de vacancias debe emigrar hacia la línea de dislocaciones. Este movimiento se conoce como trepado de dislocación. En resumen, el deslizamiento de la dislocación hace que los átomos de un lado del plano de deslizamiento se desplacen un vector de Burgers con relación a los átomos del lado opuesto del plano de deslizamiento.

La dislocación de tornillo

El segundo tipo fundamental de dislocación es la dislocación de tornillo, la cual es más difícil de visualizar geométricamente. Cuando se aplica un esfuerzo cortante se produce un desplazamiento de magnitud b con respecto al plano de deslizamiento, muy parecido a como se rompe una hoja de papel.

DISLOCACIONES MOVILES EN CRISTALES REALES

En cualquier metal real podría haber un número muy grande de dislocaciones con diferentes vectores b presentes después de que el metal fundido solidifica.Sin embargo, existen algunas limitaciones, las cuales se tratarán con más detalle en seguida.l. Los vectores b de las dislocaciones estables se extienden desde un átomo a su átomo vecino más próximo. Tales dislocaciones se llaman unitarias.2. Las dislocaciones unitarias tienden a tener la energía más baja cuando sus vectores b se extienden a lo largo de una dirección compacta.3. En general, las dislocaciones de energía más baja tienen la mayor movilidad.El movimiento fácil de estas dislocaciones más móviles es lo que produce deslizamiento.

Energía de Falla de apilamiento

La energía de falla de apilamiento (SFE, por sus siglas en inglés) es una característica de los materiales cristalinos que depende de la composición y temperatura y juega un importante rol en la deformación de algunas aleaciones como los aceros austeníticos. La energía de falla de apilamiento es una medida en la distancia entre las dislocaciones parciales y la tendencia para formar fallas de apilamiento locales. Altos valores de SFE resultan en una respuesta microestructural donde las dislocaciones deslizan en perfectas y parciales dislocaciones y pueden ser acumuladas en la banda de deslizamiento. Lo interesante es que es posible identificar regiones específicas donde las características microestructurales cambian. Una baja energía de apilamiento puede favorecer un cambio de fase de austenita a martensita y dejan a la transformación de fase una plasticidad inducida. La energía de falla de apilamiento puede ser una variable controlada y con esto se puede producir y diseñar aceros inoxidables. La energía de falla de apilamiento en un acero inoxidable es fuertemente dependiente de su composición. Los detalles de la influencia de la composición de elementos aleantes en la SFE son compleja y necesita ser investigada caso por caso para comprenderla completamente. Por ahora sabemos que el Ni y Cr incrementan la SFE en aleaciones de Fe-Mn pero tienen el efecto inverso en aceros al carbono. La relación entre SFE y la composición puede ser investigada experimentalmente mediante difracción de rayos X o microscopio de transmisión de electrones o ser estimada por relaciones empíricas.

Los experimentos indican que los modelos empíricos indican que se puede modelar de forma efectiva los valores de la contribución de la SFE de los elementos aleantes para los elementos aleantes, esto significa que la energía de falla de apilamiento puede ser controlada para obtener propiedades mecánicas en aplicaciones demandadas.

Bibliografía

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Reed-Hill, R., Abbaschian, R. & Abbaschian L., (2009), Physical Metallurgy Principles, United States of America, Cengage Learning.

Verhoeven, J.D., (1987), Fundamentos de Metalurgia física, México, Editorial Limusa.

Lu, Jun., Hultman, L., Holmstrom, E., Antonsson, K.H., Grehk, M., Li, W., Vitos, L. & Goldpatefani A. (2016). Stacking fault energies in austenitic stainless steels [Version electronica]. Acta Materialiam, 39, 1-8.