05 – Deformaciones
Año 2017
29/08/2017 1
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Mecanismos de deformación en metales
Mecanismos de endurecimiento en metales
Mecanismos de Restauración en metales
Contenido
Deformación Elástica
Deformación Plástica
Dislocación de Borde Dislocación Helicoidal Dislocación Mixta Macla
Endurecimiento por disminución del tamaño de grano
Endurecimiento por solución sólida (sust. o interst.)
Endurecimiento por deformación en frío
Endurecimiento por precipitación de segundas fases
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Concepto: Esfuerzo
Corte
Los cuerpos sólidos responden de distinta forma cuando se los somete a
fuerzas externas. El tipo de respuesta del material dependerá de la forma
en que se aplica dicha fuerza (tracción, compresión, corte o cizalladura,
flexión y torsión).
Independientemente de la forma en que se aplica la fuerza, el
comportamiento mecánico del material se describe mediante tres
tipos de esfuerzos: tracción, compresión y corte.
Ej: El comportamiento mecánico de una barra torsionada puede describirse mediante esfuerzos de corte y el de una viga flexionada mediante esfuerzos de tracción y compresión.
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Concepto: Deformación
Corte
Es el cambio del tamaño o forma de un cuerpo debido a los esfuerzos
producidos por una o más fuerzas aplicadas (o también por la ocurrencia
de la dilatación térmica).
Independientemente de la forma en que se aplica la fuerza, el
comportamiento mecánico del material se describe mediante tres
tipos de deformaciones: tracción, compresión y corte.
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Estado de Tensiones y Deformaciones
• El estado de tensiones de un
elemento de volumen se describe
mediante tres tipos de esfuerzos:
tracción, compresión y corte.
• El estado de deformaciones de
un elemento de volumen se
describe mediante tres tipos de
deformaciones: tracción,
compresión y corte.
Por más compleja que sea la solicitación de un material:
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Hasta aquí sólo se tuvo en cuenta la
FORMA
en que se aplica una
carga sobre un cuerpo sólido y la respuesta del mismo en cuanto a
las deformaciones.
Si se tiene en cuenta el
%IVEL
de cargas aplicadas, un material
(que admita deformación) responderá mediante dos tipos de
deformaciones:
●
Elástica
● Plástica
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Concepto: Deformación Elástica
(Reversible)
Es aquella en la que el cuerpo recupera su forma original al
retirar la fuerza que le provoca la deformación.
En este tipo de deformación el sólido varía su estado tensional y
aumenta su energía interna en forma de
energía potencial elástica
.
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Concepto: Módulo de Elasticidad
Para la mayoría de los metales, existe una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación. Esta relación se conoce con el nombre de Ley de Hook.
ε
E
σ
=
E: Módulo de Elasticidad o Módulo de Young. Se lo puede interpretar como la rigidez, es decir, la resistencia del material a la deformación elástica.
A escala atómica, la deformación elástica macroscópica se manifiesta como pequeños cambios en la distancia interatómica. De esta forma, bajo una carga de tracción, la distancia entre átomos es mayor. Esto significa que el módulo de elasticidad depende de las fuerzas de enlace interatómicasy su magnitud es una medida de la resistencia a la separación de los átomos contiguos.
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Concepto: Módulo de Elasticidad
Mediante el sitio www.matweb.comdetermine el modulo de elasticidad de los siguientes materiales:
- Fe (iron) - grafito (graphite)
- acero ASTM A36 - diamante
- acero inoxidable 304 - alumina (Al2O3)
- Al (aluminum) - caucho natural vulcanizado (rubber)
- aleación de aluminio 2024 - vidrio borosilicato
- Cu - W
- polietileno de alta densidad (HDPE)
- femur Deformaciones
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Concepto: Módulo de Elasticidad
(Deformación no permanente) La magnitud del módulo de elasticidad es proporcional a la pendiente de la curva fuerza-separación interatómica, calculada en la separación de equilibrio.
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Concepto: Deformación Plástica
(Irreversible)
Es aquella en la que el cuerpo no recupera su forma original al
retirar la fuerza que le provoca la deformación.
En los materiales metálicos, la deformación plástica ocurre mediante
la formación y movimiento de dislocaciones. Un mecanismo de
deformación secundario es el maclado (formación de maclas).
Estos mecanismos de deformación plástica (maclas y dislocaciones) se activan cuando la tensión aplicada superan a la tensión de fluencia del material. Es decir, en un ensayo de tracción, a la tensión de fluencia finaliza la zona de deformación elástica y comienza la zona de deformación plástica (la tensión deja de ser proporcional a la deformación).
Deformaciones
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Mecanismo de deformación:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación de Borde (También de Cuña o de Arista)
Deformaciones
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Video de dislocaciones
en movimiento
Mecanismo de deformación:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación de Borde (o de Cuña)
Deformaciones
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Mecanismo de deformación:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación Helicoidal o de Tornillo
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Mecanismo de deformación:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación Mixta
video
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Sistemas de Deslizamiento
•Las dislocaciones (de cualquier tipo) no se mueven con el mismo grado de facilidad en todos los planos y direcciones cristalográficas, sino que existen planos
preferenciales (planos de deslizamiento) y direcciones preferenciales (direcciones de deslizamiento).
•Los planos de deslizamiento poseen elevada densidad planar de átomos. Las direcciones de deslizamiento poseen elevada densidad lineal de átomos.
•Se llama “sistema de deslizamiento” al conjunto de planos y direcciones de deslizamiento en donde las dislocaciones podrán moverse.
Nº Sistemas de deslizamiento
HCP
Nº Planos de
Deslizamiento 4 Nº Direcciones De Deslizamiento 3
12 1 6
2
12 3 3 6
TOTAL 12 12
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Sistemas de Deslizamiento
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Sistemas de Deslizamiento
Ejemplo: Cúbico Centrado en las Caras
Ejemplo: Cúbico Centrado en el Cuerpo
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Deslizamiento en Monocristales
Deformación Plástica
La deformación plástica ocurre por el deslizamiento de dislocaciones en respuesta a una tensión de corteaplicada a lo largo de un plano y una dirección de deslizamiento.
Aún cuando la solicitación sea tracción pura (o compresión pura), la tensión puede descomponerse en tensiones de corte. Esta componente de la tensión aplicada se llama tensión de corte resuelta.
φ
λ
σ
φ
λ
τ
cos
cos
cos
/
cos
=
=
=
A
F
As
Fs
RAs
τ
R
τ
R
Fs 29/08/2017 DeformacionesDeslizamiento en Monocristales
Deformación Plástica
Un monocristal metálico tiene varios sistemas de deslizamiento que pueden operar en forma independiente.
La tensión de corte resuelta será diferente para cada uno de estos sistemas de deslizamiento, en función de los ángulos λ y φ.
Siempre existirá un sistema de deslizamiento cuya orientación será la más favorable, es decir, con las máximas componentes de corte:
) ( )
(máx
(cos
cos
)
máxR
σ
λ
φ
τ
=
La deformación plástica ocurrirá cuando la tensión de corte resuelta máxima alcance un valor crítico τCRSS(tensión de corte resuelta crítica). En estas condiciones, la
magnitud de la tensión nominal aplicada es la tensión de fluencia.
) (
)
cos
(cos
máx yCRSS
σ
λ
φ
τ
=
σ
σ
σ
σ
σ
σ
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Deslizamiento en Monocristales
Deformación Plástica
El deslizamiento ocurre sobre una gran cantidad de planos y direcciones de deslizamientos equivalentes, y con la orientación más favorable.
Este deslizamiento provoca pequeños escalones sobre la superficie de la probeta, paralelos entre sí y dan la vuelta a la probeta.
Cada escalón es el movimiento de un gran número de dislocaciones a lo largo del mismo plano de deslizamiento. Estos escalones de llaman líneas de deslizamiento.
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Deformación Plástica en
Materiales Policristalinos
• Los planos y direcciones de delizamiento (λ,φ)cambian de un grano a otro τRcambia de un
grano a otro.
• Cada grano deformará con el sistema de deslizamiento que le resulta más favorable.
• Puede activarse más de un sistema de deslizamiento en cada grano.
• Durante la deformación, la integridad mecánica y la coherencia se mantienen a lo largo de los b. de g. Los granos no se separan ni se abren.
• Cada grano individual está parcialmente
constreñido en la forma que puede asumir debido a la presencia de los granos vecinos.
σ
σ
Video 1 – Lineas de Deslizamiento
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Deformación Plástica en
Materiales Policristalinos
Los metales policristalinos tienen mayor resistencia mecánica que los
monocristales correspondientes es mayor la tensión necesaria para iniciar el deslizamiento es mayor la tensión de fluencia.
Esto se debe al constreñimiento geométrico impuesto sobre los granos durante la deformación. Aun cuando un grano pueda estar favorablemente orientado para iniciar el deslizamiento con la tensión aplicada, éste no puede deformarse antes de que el grano adyacente (y menos favorablemente orientado) sea capaz también de deslizar.
Distorsión de los granos como consecuencia de la deformación plástica
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Mecanismo de Deformación por Maclado
σ
En algunos materiales metálicos la deformación plástica puede ocurrir por maclado:
En el maclado, una fuerza de corte produce desplazamientos atómicos de forma tal que en un lado de un plano (el plano de maclado), los átomos están situados como si fueran imágenes especulares de las posiciones de los átomos del otro lado.
El maclado ocurre en planos y direcciones cristalográficas bien definidas, dependiendo de la estructura cristalina.
σ
29
Deslizamiento
●
La orientación cristalográfica por encima y por debajo del plano dedeslizamiento es la misma antes y después de la deformación.
●
La magnitud del deslizamiento es un múltiplo de la distancia entre átomosMaclado
●
Se produce una reorientación a través del plano de maclado●
El desplazamiento atómico es menor que la separación interatómica.●
Ocurre preferentemente en metales con estructuras BCC y HCP, a bajas T y a altas velocidades de aplicación de la carga (impacto), donde el deslizamiento está restringido por existir pocos sistemas de deslizamiento que puedan operar.●
El maclado puede activar nuevos sistemas de deslizamiento en orientaciones favorables con respecto al eje de tracción.Diferencias entre Deslizamiento y Maclado
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Deformación del Zn (HCP)
31
Mecanismos de Endurecimiento
●
La deformación plástica macroscópica se debe principalmente al
movimiento de un gran número de dislocaciones.
● La facilidad con que un metal se deforma plásticamente depende
de la facilidad que tienen las dislocaciones para moverse.
Los mecanismos de endurecimiento se basan en el mismo
principio: restringir o anclar el movimiento de dislocaciones.
Ejemplos de algunos mecanismos de endurecimiento:
Reducción del tamaño de grano
Solución sólida (sustitucional o intersticial)
Deformación en frío
Precipitación de segundas fases
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Mecanismos de Endurecimiento:
1) Reducción del Tamaño de Grano
Los borde de grano actúan como barreras al movimiento de las
dislocaciones.
Las dislocaciones deben cambiar la dirección de deslizamiento al pasar a otro grano
Los bordes de grano son una región desordenada de átomos, existiendo una discontinuidad en los planos de deslizamiento.
B . de
G .
Plano de deslizamiento
grano A
gran o B
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Mecanismos de Endurecimiento:
1) Reducción del Tamaño de Grano
La resistencia de los materiales metálicos aumenta cuando se reduce el tamaño de granos. La relación suele ser:
σ = σ0+ K.d-1/2
siendo
σ = la tensión de fluencia σ0y K = constantes del sistema
d = tamaño de grano
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Mecanismos de Endurecimiento:
2) Solución Sólida
Los átomos de impurezas o solutos de una solución sólida se ven
atraídos por los campos de tensiones de las dislocaciones, de forma
tal de cancelar en forma parcial la deformación de la red alrededor
de la dislocación.
Si la dislocación quiere moverse, debe tener una energía adicional para vencer el “anclaje” de las impurezas / solutos
Los átomos de menor tamaño se quedan arriba de la dislocación.
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Mecanismos de Endurecimiento:
2) Solución Sólida
Ejemplo de endurecimiento por solución sólida de una aleación Cu-Ni
El aumento de resistencia se da
a expensas de perdida de
ductilidad
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Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformación en Frío
Si la deformación ocurre a baja T se genera un incremento significativo
en el Nº de dislocaciones.
El movimiento de las dislocaciones está dificultada por la presencia de otras dislocaciones.
También se llama acritud o endurecimiento por trabajado en frío.
Las operaciones de conformado producen un cambio en la sección
transversal del material:
%CW
=
A
o−
A
dA
ox100
Ao Ad force die blank force
Forjado
Extrusión
Trefilado
tensile force Ao Ad die die ram billet container containerforce die holder
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Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformación en Frío
0.9 µm
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Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformación en Frío
Ejemplo de endurecimiento por trabajado en frío de un acero.
Incremento de: Dureza
Resistencia mecánica
Precio a pagar:
Reducción significativa de la ductilidad.
En general se emplea para aumentar las propiedades mecánicas de los metales durante el proceso de conformado.
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Mecanismos de Endurecimiento:
4) Precipitación de Segundas Fases
Vista lateral
Vista sup
precipitado
Existen 2 posibilidades de interacción:
a) La dislocación puede cortar la partícula, generando un escalón.
b) Puede rodearla, generando un lazo de dislocación.
De cualquier forma,
las partículas ofrecen una resistencia al paso
de la dislocación.
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Mecanismos de Restauración
Recuperación:Se incrementa la difusión de lo átomos Se reduce el número de dislocaciones.
Se recuperan algunas propiedades (conductividad eléctrica y térmica) Se libera parte de la energía almacenada
Recristalización:
Ocurre únicamente por arriba de la temperatura de recristalización.
Se forman nuevos granos equiaxiales, sin deformación y con bajo Nº de dislocaciones. Ocurre difusión de átomos a corto alcance.
Fuerza impulsora:Disminución en la energía interna. Se obtiene una estructura refinada.
Se restauran las propiedades mecánicas: el metal se hace más blando, menos resistente y más dúctil.
Crecimiento de grano:
En caso de dejar el material a alta temperatura por suficiente tiempo. Puede no ser requerido.
Fuerza impulsora:Reducción en el área total de bordes de grano. Existe difusión de corto alcance.
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Ej para el Fe
Mecanismos de Restauración
Esquema de crecimiento de grano Temperatura de recristalización:es la
temperatura a la cual luego de 1 h la recristalización es total.
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33% trabajado en frío
t = 0
3s @ 580ºC
Recristalización inicial
4s @ 580ºC
Recristalización parcial
8s @ 580ºC
Recristalización completa
15min @ 580ºC
Crecimiento de grano
10min @ 700ºC
Crecimiento de grano
Ejemplo de las diferentes etapas de restauración para un latón
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Mecanismos de Restauración
Microscopia de un acero 0,08%C – 1,5%Mn – 0,21%Si. (a) Reducción en frío de 50%. (b) Luego de recocido a 700°C por 20 min
(D.Z. Yang, E.L. Brown, D.K. Matlock, and G. Krauss, Ferrite Recrystallization and Austenite Formation in Cold-Rolled Intercritically Annealed Steel, Metall. Trans. A, Vol 11A, 1985, p 1385−1392)
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En general se encuentra entre 0,3Tmy 0,5Tm, siendo Tmla temperatura de fusión en K. Es más baja en metal puros.
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Preguntas
1. ¿Qué significa el modulo de elasticidad de un material? ¿De qué
depende?
2. ¿Cuáles son los mecanismo que explican la deformación plástica
en materiales metálicos?
3. ¿Por qué los materiales con estructura cristalina FCC suelen ser
más dúctiles que los BCC?
4. ¿Qué es un sistema de deslizamiento?
5. ¿Qué es una dislocación?
6. ¿Cuáles son los mecanismos de endurecimiento de materiales
metálicos?
7. ¿Cuál de todos los mecanismos de endurecimiento es el único
que además de endurecer mejora la tenacidad del material?
8. ¿Qué significa la temperatura de recristalización?
9. ¿Cuál es la temperatura mínima que debe calentarse una chapa
de hierro que tuvo una reducción del espesor de 2,5 mm a 1,8 mm, manteniendo el ancho, para recristalizar la estructura?
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Preguntas
10. ¿Cuánto es la relación temperatura de recristalización/Tm, en K,
para un cobre y para un láton 40%Zn?
11. ¿En qué tipo de estructuras cristalinas suelen observarse
deformaciones por el mecanismo de maclado?
12. ¿Qué diferencia hay entre recuperación y recristalización?
13. ¿Cómo podría medir el grado de recuperación en un material
metálico?
14. Identifique la dislocación en la estructura de la diapositiva número
15.
15. ¿Porqué los metales policristalinos tienen mayor resistencia
mecánica que los monocristales correspondientes?
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Preguntas
16. ¿Cuánto es la temperatura de recristalización para el Fe si el %
de trabajo mecánico en frío fue del 40%? Ver diapositiva 41.
1. 650 °C
2. 600 °C
3. 550 °C
4. 500 °C
5. 450 °C
17. ¿Cuál de los siguientes procesos se da a más baja temperatura?
1. solidificación
2. fusión
3. recristalización 4. crecimiento de grano 5. recuperación
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Preguntas
16. ¿Cuál es el mecanismo de endurecimiento principal de la
martensita en los aceros? 1. solución sólida
2. precipitación de fases 3. deformación plástica en frío 4. disminución del tamaño de grano
17. ¿Cuánto vale, aproximadamente, el modulo de elasticidad del
Fe? Utilice el sitio webwww.matweb.com
1. 70 GPa
2. 100 GPa
3. 200 MPa
4. 200 GPa
5. 100 MPa
