Tema 2b. La deformación plástica en distintos tipos de materiales

Transcripción

1 Tema 2b. La deformación plástica en distintos tipos de materiales Metales y métodos de obtención Cerámicos Polímeros Compuestos 05/10/2005 Título 1

2 Metales (I) Caracterizados en las transparencias anteriores (tema 5a) Presentan región elástica, región plástica y fractura Características mecánicas generales: resistentes, dúctiles (maleables) y con fractura en la región plástica 05/10/2005 Metales 2

3 Metales (II) El tipo de enlace en un material determina críticamente el grado de deformación elástica o plástica del mismo, p. ej. la posibilidad de que los átomos abandonen sus posiciones de equilibrio bajo la aplicación de tensiones externas El enlace metálico (no direccional) permite un desplazamiento sencillo de las dislocaciones bajo pequeñas tensiones aplicadas y en cualquier dirección La carga eléctrica en un metal está deslocalizada y compartida por todo el material, luego no supone un impedimento para el desplazamiento de los átomos 05/10/2005 Metales 3

4 Metales (III) Particularidades (oscilaciones en la transición régimen elásticoplástico, superplasticidad) 05/10/2005 Metales 4

5 Métodos de obtención/procesado a) Laminado b) Forja c) Trefilado d) Extrusión e) Embutido f) Estirado g) Doblado 05/10/2005 Metales 5

6 Cerámicos y vidrios (I) Deformación No presentan una región plástica apreciable La ruptura de este tipo de materiales ocurre en la región elástica. Se trata, por tanto, de una fractura frágil Diferencia muy notable entre deformación por tensión o por compresión. Modelo de Griffith. 05/10/2005 Cerámicos y vidrios 6

7 Cerámicos y vidrios (II) Razones de la fractura frágil en cerámicos y vidrios a) Pocos sistemas de deslizamiento: pocas posibilidades para el deslizamiento de las dislocaciones (fractura antes que deformación plástica b) Enlace covalente fuerte y direccional: sólo bajo fuertes tensiones se puede romper un enlace de pares de electrones compartidos (no reversible). Fractura frágil c) Enlace iónico: dependiente de la dirección cristalográfica en la que se aplica la tensión: Iones idénticos: alta repulsión electrostática (difícil deslizamiento, fractura frágil) Iones alternos: atracción electrostática (posibilidad de deslizamiento, deformación y fractura dúctil) 05/10/2005 Cerámicos y vidrios 7

8 Cerámicos y vidrios (III) Endurecimiento/aumento de la tenacidad en cerámicos 1. Transformación de fase: (a) en el borde de la grieta existe una región localizada de sobretensión (b) inducción de una transformación de fase estructural en los granos adyacentes (c) bloqueo de la grieta 2. Inclusión de microgrietas adicionales: durante la propagación del borde de la grieta, éste puede conectarse con otra grieta y suavizarse (disminución de la tensión local y frenado de la ruptura) 05/10/2005 Cerámicos y vidrios 8

9 Fatiga Cerámicos y vidrios (IV) Se observa en cerámicos pero sin necesidad de aplicar cíclicamente una carga La razón es un mecanismo químico (no mecánico como en los metales) Condiciones Existencia de agua: el agua descompone la red de silicatos formando uniones Si-OH. Estos grupos no están unidos entre sí. Ruptura de la red cerámica y propagación de la grieta Temperaturas cercanas a la ambiente: a temperaturas mayores aparecen otros fenómenos como la deformación viscosa, a temperaturas bajas el proceso de descomposición es muy lento 05/10/2005 Cerámicos y vidrios 9

10 Cerámicos y vidrios (V) Fluencia (deformación con el tiempo a distintas temperaturas) Fenómeno fundamental en los materiales cerámicos dadas sus aplicaciones frecuentes a alta temperatura El mecanismo responsable de la difusión a alta temperatura es más complicado que en los metales (enlaces atómicos complicados, equilibrio local de carga eléctrica, ) Los bordes de grano proporcionan un medio con el que los granos adyacentes se resbalan entre sí y se recolocan En algunos cerámicos impuros los granos pueden estar rodeados de una fina capa de fase vítrea: al elevarse la temperatura, la fase vítrea se deforma viscosamente y los granos se deslizan entre sí (flotan o se resbalan) 05/10/2005 Cerámicos y vidrios 10

11 Polímeros (I) Tipos de polímeros a) Termoplásticos: cadenas largas unidas por enlaces secundarios (van der Waals, puentes de hdrógeno, ). Alta deformación y plasticidad. Al elevar la temperatura se deforman plásticamente pero recuperan su forma al enfriarse b) Elastómeros: cadenas largas unidas por enlaces secundarios y algún enlace primario (covalente). Son deformables plásticamente pero no recuperan su forma inicial tras un calentamiento c) Termoestables: red tridimensional formada por cadenas unidas entre sí por fuertes enlaces primarios. Rígidos y no deformables. El calentamiento produce deformaciones irreversibles 05/10/2005 Polímeros 11

12 Deformación Polímeros (II) Gran variedad de comportamientos mecánicos dependiendo del valor de la temperatura T>T g ót<t g -T<T g la deformación es elástica (polímeros termoestables o termoplásticos rígidos) hasta un 5%. Fractura frágil -T>T g, la deformación es plástica (dúctil) y de hasta un 100%. Termoplásticos maleables Distintos mecanismos microscópicos de la deformación en polímeros 05/10/2005 Polímeros 12

13 Polímeros (III) (izda.) Poliéster (T g =70ºC) (dcha.) Polimetacrilato de metilo (T g = ºC) 05/10/2005 Polímeros 13

14 Polímeros (IV) Fluencia La deformación del polímero va aumentando progresiva y rápidamente si la tensión se aplica durante cierto tiempo prolongado Efecto muy importante en los polímeros a) Termoplásticos amorfos: las cadenas se deslizan unas sobre otras fácilmente. Grandes cambios y deformaciones. Fluencia enorme a T>Tg (no utilizable) b) Termoplásticos cristalinos: las cadenas están más unidas y ancladas (polietileno). Poca fluencia (utilizables en todo T). c) Termoestables: fluencia muy pequeña (<10%) debido al fuerte anclaje de las cadenas por los enlaces primarios d) Elastómeros: gran capacidad de deformación elástica (500%). Esta alta fluencia reversible se debe a la existencia de un gran número de cambios conformacionales 05/10/2005 Polímeros 14

15 Polímeros (V) Fractura frágil (Termoestables y termoplásticos a T<T g ) 1. La energía necesaria para la ruptura es 1000 mayor que la necesaria para romper los enlaces covalentes C-C (??) 2. Existencia de una fisura (aplicación de tensión) 3. Disposición progresiva y ordenada de las cadenas a lo largo de la grieta (aplicación de una tensión mayor) 4. Ruptura en el borde de la fisura 05/10/2005 Polímeros 15

16 Polímeros (VI) Fractura dúctil (termoplásticos a T>T g ) 1. Las cadenas se desenrollan, se deslizan entre sí y alinean paralelamente a la dirección de la tensión aplicada 2. Al aumentar la tensión, los enlaces covalentes de dichas cadenas ceden y material polimérico se rompe 05/10/2005 Polímeros 16

17 Polímeros (VI) (Izda.) nylon a 60ºC (Dcha) cambio del módulo elástico con la temperatura en polímeros termoestables, termoplásticos amorfos (PMMA) y termoplásticos cristalinos (nylon) 05/10/