mecanismos_de_deformacion__16008__.pdf
TRANSCRIPT
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RESISTENCIA DE
MATERIALES
PROFESOR:
GELACIO TAFUR ANZUALDO
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Mecanismos de deformacin,
endurecimiento y restauracin
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Mecanismos de deformacin
Mecanismos de endurecimiento
Mecanismos de Restauracin
Resumen
Deformacin Elstica
Deformacin Plstica
Dislocacin de Borde
Dislocacin Helicoidal
Dislocacin Mixta
Macla
Endurecimiento por disminucin del tamao de grano
Endurecimiento por solucin slida (sust. o interst.)
Endurecimiento por deformacin en fro
Endurecimiento por precipitacin de segundas fases
Recuperacin
Recristalizacin
Crecimiento del Grano
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Concepto: Esfuerzo
Corte
Los cuerpos slidos responden de distinta forma cuando se los somete a
fuerzas externas. El tipo de respuesta del material depender de la forma
en que se aplica dicha fuerza (traccin, compresin, corte o cizalladura,
flexin y torsin).
Independientemente de la forma en que se aplica la fuerza, el
comportamiento mecnico del material se describe mediante tres
tipos de esfuerzos: traccin, compresin y corte. Ej: El comportamiento mecnico de una barra torsionada puede describirse mediante
esfuerzos de corte y el de una viga flexionada mediante esfuerzos de traccin y compresin.
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Concepto: Deformacin
Corte
Es el cambio del tamao o forma de un cuerpo debido a los esfuerzos
producidos por una o ms fuerzas aplicadas (o tambin por la ocurrencia
de la dilatacin trmica).
Independientemente de la forma en que se aplica la fuerza, el
comportamiento mecnico del material se describe mediante tres
tipos de deformaciones: traccin, compresin 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:
traccin, compresin y corte.
El estado de deformaciones de
un elemento de volumen se
describe mediante tres tipos de
deformaciones: traccin,
compresin y corte.
Por ms compleja que sea la solicitacin de un material:
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Hasta aqu slo se tuvo en cuenta la FORMA en que se aplica una
carga sobre un cuerpo slido y la respuesta del mismo en cuanto a
las deformaciones.
Si se tiene en cuenta el NIVEL de cargas aplicadas, un material
(que admita deformacin) responder mediante dos tipos de
deformaciones:
Elstica Plstica
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Concepto: Deformacin Elstica
(Reversible)
Es aquella en la que el cuerpo recupera su forma original al
retirar la fuerza que le provoca la deformacin.
En este tipo de deformacin el slido vara su estado tensional y
aumenta su energa interna en forma de energa potencial elstica.
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Concepto: Mdulo de Elasticidad Para la mayora de los metales, existe una relacin lineal entre el esfuerzo
aplicado y la deformacin. Esta relacin se conoce con el nombre de Ley de
Hook. E
E: Mdulo de Elasticidad o Mdulo de Young. Se lo puede interpretar como la
rigidez, es decir, la resistencia del material a la deformacin elstica.
(Deformacin no permanente)
A escala atmica, la deformacin elstica macroscpica se manifiesta como
pequeos cambios en la distancia interatmica. De esta forma, bajo una carga de
traccin, la distancia entre tomos es mayor. Esto significa que el mdulo de
elasticidad depende de las fuerzas de enlace interatmicas y su magnitud es una
medida de la resistencia a la separacin de los tomos contiguos.
La magnitud del mdulo de elasticidad es proporcional
a la pendiente de la curva fuerza-separacin
interatmica, calculada en la separacin de equilibrio.
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Concepto: Deformacin Plstica
(Irreversible)
Es aquella en la que el cuerpo no recupera su forma original al
retirar la fuerza que le provoca la deformacin.
En los materiales metlicos, la deformacin plstica ocurre mediante
la formacin y movimiento de dislocaciones. Un mecanismo de
deformacin secundario es el maclado (formacin de maclas).
Estos mecanismos de deformacin plstica (maclas y dislocaciones) se activan cuando la
tensin aplicada superan a la tensin de fluencia del material. Es decir, en un ensayo de
traccin, a la tensin de fluencia finaliza la zona de deformacin elstica y comienza la
zona de deformacin plstica (la tensin deja de ser proporcional a la deformacin).
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Mecanismo de deformacin:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocacin de Borde (Tambin de Cua o de Arista)
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Video de dislocaciones
en movimiento
Mecanismo de deformacin:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocacin de Borde (o de Cua)
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Mecanismo de deformacin:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocacin Helicoidal o de Tornillo
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Mecanismo de deformacin:
Deslizamiento de dislocaciones
Dislocacin 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 cristalogrficas, sino que existen planos
preferenciales (planos de deslizamiento) y direcciones preferenciales (direcciones de
deslizamiento).
Los planos de deslizamiento poseen elevada densidad planar de tomos. Las
direcciones de deslizamiento poseen elevada densidad lineal de tomos.
Se llama sistema de deslizamiento al conjunto de planos y direcciones de
deslizamiento en donde las dislocaciones podrn moverse.
N Sistemas de
deslizamiento
Hexagonal Compacto
N Planos de
Deslizamiento 4
N Direcciones
De Deslizamiento 3
12
1
6
2
12 3 3 6
TOTAL 12 12
12 24
48
12
Cbica Centrado en el Cuerpo C C en
las Caras
24
1
1
3
3
1
6
1
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Sistemas de Deslizamiento Ejemplo: Cbico Centrado en las Caras
Ejemplo: Cbico Centrado en el Cuerpo
La ductilidad de un material depende del grado de compactacin de los planos de deslizamiento y
del nmero de sistemas de deslizamiento. En general, los metales con estructura cbica de caras
centradas son ms dctiles que los cbicos de cuerpo centrado por tener planos ms compactos (a
pesar de tener menor cantidad de sistemas de deslizamiento).
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Deslizamiento en Monocristales
Deformacin Plstica La deformacin plstica ocurre por el deslizamiento de dislocaciones en respuesta a una
tensin de corte aplicada a lo largo de un plano y una direccin de deslizamiento.
An cuando la solicitacin sea traccin pura (o compresin pura), la tensin puede
descomponerse en tensiones de corte. Esta componente de la tensin aplicada se llama
tensin de corte resuelta.
coscos
cos/
cos
A
F
As
FsR
A s
R
R
F s
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Deslizamiento en Monocristales
Deformacin Plstica Un monocristal metlico tiene varios sistemas de deslizamiento que pueden operar en
forma independiente.
La tensin de corte resuelta ser diferente para cada uno de estos sistemas de
deslizamiento, en funcin de los ngulos y .
Siempre existir un sistema de deslizamiento cuya orientacin ser la ms favorable, es
decir, con las mximas componentes de corte:
)()( )cos(cos mxmxR
La deformacin plstica ocurrir cuando la tensin de corte resuelta mxima alcance un
valor crtico CRSS (tensin de corte resuelta crtica). En estas condiciones, la
magnitud de la tensin nominal aplicada es la tensin de fluencia.
)()cos(cos mxyCRSS
=90, R=0 =90, R=0 =45, =45, R=/2
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Deslizamiento en Monocristales
Deformacin Plstica
El deslizamiento ocurre sobre una gran cantidad de planos y direcciones de
deslizamientos equivalentes, y con la orientacin ms favorable.
Este deslizamiento provoca pequeos escalones sobre la superficie de la probeta,
paralelos entre s y dan la vuelta a la probeta.
Cada escaln es el movimiento de un gran nmero de dislocaciones a lo largo del
mismo plano de deslizamiento. Estos escalones de llaman lneas de deslizamiento.
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Deformacin Plstica en
Materiales Policristalinos Los planos y direcciones de delizamiento (,)
cambian de un grano a otro R cambia de un grano a otro.
Cada grano deformar con el sistema de
deslizamiento que le resulta ms favorable.
Puede activarse ms de un sistema de
deslizamiento en cada grano.
Durante la deformacin, la integridad mecnica y
la coherencia se mantienen a lo largo de los b. de g.
Los granos no se separan ni se abren.
Cada grano individual est parcialmente
constreido en la forma que puede asumir debido a
la presencia de los granos vecinos.
Video 1 Lineas de Deslizamiento
Video 2 Lineas de
Deslizamiento
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Deformacin Plstica en
Materiales Policristalinos
Los metales policristalinos tienen mayor resistencia mecnica que los
monocristales correspondientes es mayor la tensin necesaria para iniciar el deslizamiento es mayor la tensin de fluencia.
Esto se debe al constreimiento geomtrico impuesto sobre los granos durante la
deformacin. Aun cuando un grano pueda estar favorablemente orientado para
iniciar el deslizamiento con la tensin aplicada, ste no puede deformarse antes de
que el grano adyacente (y menos favorablemente orientado) sea capaz tambin de
deslizar.
Distorsin de los granos
como consecuencia de
la deformacin plstica
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Mecanismo de Deformacin por Maclado
En algunos materiales metlicos la deformacin plstica
puede ocurrir por maclado:
En el maclado, una F de corte produce
desplazamientos atmicos de forma tal que en un
lado de un plano (el plano de maclado), los tomos
estn situados como si fueran imgenes especulares
de las posiciones de los tomos del otro lado.
El maclado ocurre en planos y direcciones
cristalogrficas bien definidas, dependiendo de la
estructura cristalina.
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Deslizamiento
La orientacin cristalogrfica por encima y por debajo del plano de deslizamiento es la misma antes y despus de la deformacin.
La magnitud del deslizamiento es un mltiplo de la distancia entre tomos
Maclado
Se produce una reorientacin a travs del plano de maclado
El desplazamiento atmico es menor que la separacin interatmica.
Ocurre preferentemente en metales con estructuras BCC y HC, a bajas T y a altas velocidades de aplicacin de la carga (impacto), donde el deslizamiento est
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 traccin.
Diferencias entre Deslizamiento y Maclado
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Deformacin del Zn
(Hexagonal)
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Mecanismos de Endurecimiento
La deformacin plstica macroscpica se debe principalmente al movimiento de un gran nmero de dislocaciones.
La facilidad con que un metal se deforma plsticamente 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:
Reduccin del tamao de grano Solucin slida (sustitucional o intersticial) Deformacin en fro Precipitacin de segundas fases
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Mecanismos de Endurecimiento:
1) Reduccin del Tamao de Grano
Los borde de grano actan como barreras al movimiento de las
dislocaciones.
Las dislocaciones deben cambiar la direccin de deslizamiento al pasar a otro grano
Los bordes de grano son una regin desordenada de tomos, existiendo una discontinuidad en los planos de deslizamiento.
Plano de
deslizamiento
grano A
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Mecanismos de Endurecimiento:
2) Solucin Slida
Los tomos de impurezas o solutos de una ss se ven atrados por los
campos de tensiones de las dislocaciones, de forma tal de cancelar
en forma parcial la deformacin de la red alrededor de la
dislocacin.
Si la dislocacin quiere moverse, debe tener una energa adicional para vencer el anclaje de las impurezas / solutos de ss.
Los tomos de menor tamao se quedan
arriba de la dislocacin.
Los tomos de mayor tamao se quedan
abajo de la dislocacin.
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Mecanismos de Endurecimiento:
2) Solucin Slida
Ejemplo de endurecimiento por solucin slida de una aleacin Cu-Ni
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Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformacin en Fro Si la deformacin ocurre a baja T se genera un incremento significativo
en el N de dislocaciones.
El movimiento de las dislocaciones est dificultada por la presencia de otras dislocaciones.
Tambin se llama acritud o endurecimiento por trabajado en fro.
Las operaciones de conformado producen un cambio en la seccin
transversal del material:
%CW
Ao AdAo
x100
Ao Ad
force
die
blank
force
Forjado
Extrusin
Trefilado tensile force
Ao
Addie
die
Laminado
roll
A o
A d roll
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Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformacin en Fro
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Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformacin en Fro Ejemplo de endurecimiento por trabajado en fro de un acero.
Incremento de:
Dureza Resistencia mecnica
Precio a pagar:
Reduccin significativa de la ductilidad.
En general se emplea para aumentar las propiedades mecnicas de los metales
durante el proceso de conformado.
Puede ser eliminado mediante un tratamiento trmico.
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Mecanismos de Endurecimiento:
4) Precipitacin de Segundas Fases
Vista lateral
Vista sup
precipitado
Existen 2 posibilidades de interaccin:
a) La dislocacin puede cortar la partcula, generando un escaln.
b) Puede rodearla, generando un lazo de dislocacin.
De cualquier forma, las partculas ofrecen una resistencia al paso
de la dislocacin.
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Mecanismos de Restauracin Recuperacin:
Se incrementa la difusin de lo tomos
Se reduce el N de dislocaciones.
Se recuperan algunas propiedades
(conductividad elctrica y trmica)
Se libera parte de la energa almacenada
Recristalizacin:
Ocurre nicamente por arriba de la T de recristalizacin.
Se forman nuevos granos equiaxiales, sin deformacin y con bajo N de dislocaciones.
Ocurre difusin de tomos a corto alcance.
Fuerza impulsora: Disminucin en la energa interna.
Se obtiene una estructura refinada.
Se restauran las Prop Mec: el metal se hace ms blando,
menos resistente y ms dctil.
Crecimiento de grano:
En caso de dejar el material a alta T por suficiente tiempo. Puede no ser requerido.
Fuerza impulsora: Reduccin en el rea total de bordes de grano.
Existe difusin de corto alcance.
Contina bajando las propiedades mecnicas.
Ej para el Fe
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33% CW
t = 0
3s @ 580C
Recristalizacin inicial
4s @ 580C
Recristalizacin parcial
8s @ 580C
Recristalizacin completa
15min @ 580C
Crecimiento de grano
10min @ 700C
Crecimiento de grano
Ejemplo de las diferentes etapas de restauracin para un latn