05 Deformaciones. Contenido

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1 05 Deformaciones Año /08/ Mecanismos de deformación en metales Deformación Elástica Deformación Plástica Dislocación de Borde Dislocación Helicoidal Dislocación Mixta Macla Contenido Mecanismos de endurecimiento en metales 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 Mecanismos de Restauración en metales Recuperación Recristalización Crecimiento del Grano 2

2 Concepto: Esfuerzo 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. Corte 3 Concepto: Deformación 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. Corte 4

3 Estado de Tensiones y Deformaciones Por más compleja que sea la solicitación de un material: 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. 5 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 6

4 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. 7 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. σ = E ε 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 interatómicas y su magnitud es una medida de la resistencia a la separación de los átomos contiguos. 8

5 Concepto: Módulo de Elasticidad Mediante el sitio determine el modulo de elasticidad de los siguientes materiales: - Fe (iron) - grafito (graphite) - acero ASTM A36 - diamante - acero inoxidable alumina (Al 2 O 3 ) - Al (aluminum) - caucho natural vulcanizado (rubber) - aleación de aluminio vidrio borosilicato - Cu - W - polietileno de alta densidad (HDPE) - femur Deformaciones 9 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. 10

6 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 Deformaciones la zona de deformación elástica y comienza 11 la zona de deformación plástica (la tensión deja de ser proporcional a la deformación). Deformaciones 12

7 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones Dislocación de Borde (También de Cuña o de Arista) Deformaciones 13 Deformaciones 14

8 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones Dislocación de Borde (o de Cuña) Video de dislocaciones en movimiento Deformaciones 15 16

9 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones Dislocación Helicoidal o de Tornillo 18

10 Dislocación Mixta Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones video 19 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. FCC BCC HCP Nº Planos de Deslizamiento Nº Direcciones De Deslizamiento Nº Sistemas de deslizamiento TOTAL

11 Sistemas de Deslizamiento 21 Sistemas de Deslizamiento Ejemplo: Cúbico Centrado en las Caras Ejemplo: Cúbico Centrado en el Cuerpo La ductilidad de un material depende del grado de compactación de los planos de deslizamiento y del número de sistemas de deslizamiento. En general, los metales con estructura cúbica de caras centradas son más dúctiles que los cúbicos de cuerpo centrado por tener planos más compactos (a pesar de tener menor cantidad de sistemas de deslizamiento). 22

12 Deslizamiento en Monocristales Deformación Plástica La deformación plástica ocurre por el deslizamiento de dislocaciones en respuesta a una tensión de corte aplicada 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. τ = R Fs As = F cosλ = σ cosλ cosφ A/ cosφ τ R Fs As τ R 23 Deslizamiento 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: τ = σ λ φ R( máx) (cos cos )( máx) La deformación plástica ocurrirá cuando la tensión de corte resuelta máxima alcance un valor crítico τ CRSS (tensión de corte resuelta crítica). En estas condiciones, la magnitud de la tensión nominal aplicada es la tensión de fluencia. τ = σ (cosλ cosφ CRSS y ) ( máx) σ σ σ σ σ σ λ=90º, τ R =0 λ=45º, φ=45º, τ R =σ/2 φ=90º, τ R =0

13 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. 25 Deformación Plástica en Materiales Policristalinos Los planos y direcciones de delizamiento (λ,φ) cambian de un grano a otro τ R cambia 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 Video 1 Lineas de Deslizamiento Video 2 Lineas de Deslizamiento σ 26

14 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 27 Mecanismo de Deformación por Maclado 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 σ 29/08/

15 Diferencias entre Deslizamiento y Maclado Deslizamiento La orientación cristalográfica por encima y por debajo del plano de deslizamiento es la misma antes y después de la deformación. La magnitud del deslizamiento es un múltiplo de la distancia entre átomos Maclado 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. 29 Deformación del Zn (HCP) 30

16 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 31 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. 29/08/2017 Plano de deslizamiento grano A grano B 32

17 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 = σ 0 + K.d -1/2 siendo σ = la tensión de fluencia σ 0 y K = constantes del sistema d = tamaño de grano 33 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. Los átomos de mayor tamaño se quedan abajo de la dislocación. 34

18 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 29/08/ 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: Laminado force Forjado roll Ao die blank Trefilado Ao die die force Ad Ad %CW = A o A d A o tensile force force x100 Ao ram Ao container billet container roll Extrusión die holder extrusion die 36 Ad Ad

19 Mecanismos de Endurecimiento: 3) Deformación en Frío 0.9 µm 37 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. Puede ser eliminado mediante un tratamiento térmico recocido 38

20 Mecanismos de Endurecimiento: 4) Precipitación de Segundas Fases 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. precipitado Vista lateral Vista sup 39 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. Continúa bajando las propiedades mecánicas. 40

21 Mecanismos de Restauración Ej para el Fe Temperatura de recristalización: es la temperatura a la cual luego de 1 h la recristalización es total. Esquema de crecimiento de grano 41 Ejemplo de las diferentes etapas de restauración para un latón 33% trabajado en frío t = 0 580ºC Recristalización inicial 580ºC Recristalización parcial 580ºC Recristalización completa 580ºC Crecimiento de grano 700ºC42 Crecimiento de grano

22 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 ) 43 En general se encuentra entre 0,3T m y 0,5T m, siendo T m la temperatura de fusión en K. Es más baja en metal puros. 44

23 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? 45 Preguntas 10. Cuánto es la relación temperatura de recristalización/t m, 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 Porqué los metales policristalinos tienen mayor resistencia mecánica que los monocristales correspondientes? 46

24 Preguntas 16. Cuánto es la temperatura de recristalización para el Fe si el % de trabajo mecánico en frío fue del 40%? Ver diapositiva C C C C 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 47 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 web GPa GPa MPa GPa MPa 48