Materiales para ingeniería. Actividad 2

Actividad 2 Resumen de la actividad anterior Defectos en las redes cristalinas Difusión Propiedades mecánicas Mecánica de la fractura Endurecimiento por deformación y recocido

Resumen de la actividad anterior Introducción a los materiales Materiales, propiedades y estructura Diseño y selección de materiales

Defectos en las redes cristalinas Efecto profundo en las propiedades de los materiales Útiles o indeseados en dependencia de la aplicación En el acero incrementa la resistencia En el cristal de alúmina se transforma en un bello Rubí En la electrónica se logran semiconductores con los defectos en cristales de Si Aumentan la resistencia de los conductores de cobre. Los límites de grano aumentan la resistencia eléctrica

Defectos Puntuales Vacancias, inserciones, sustitución de átomos o iones Se producen por el movimiento de los átomos al aumentar su energía, por calentamiento, durante el procesamiento del material, introducción de impurezas, dopado, etc. Impurezas, las que se adquieren por accidente, por materias primas o proceso Dopado, las que se añaden deliberadamente para obtener alguna propiedad

Vacancias Falta un átomo en su lugar en la estructura cristalina Aumenta la entropía del material Aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino Ocurren durante la solidificación a temperaturas elevadas o por radiación Es un elemento importante en la difusión en los metales Las cerámicas para capacitores con vacancias son semiconductores Las vacancias en los materiales cerámicos mejoran sus características eléctricas. Al aumentar la temperatura aumenta la cantidad e vacancias Al enfriar rápidamente se “atrapan” muchas vacancias

Intersticiales o de inserción Cuando se introduce un átomo o ion en los intersticios de los cristales de la red cristalina Los átomos que se introducen son pequeños pero siempre mayores que el espacio disponible causando deformación de la red Pueden ser impurezas o elementos de aleación Se oponen al movimiento de las dislocaciones Después de introducidos no cambia su cantidad con la temperatura

Sustitucionales Cuando se sustituye un átomo por otro distinto en un cristal Pueden ser impurezas o elementos de aleación Después de introducidos no cambia su cantidad con la temperatura Provoca una deformación de la red cristalina

Intersticialidad (Defecto de frenkel) Un átomo o ion salta de su posición normal a un intersticio de la red cristalina

Defecto de Schottky Vacancias en las redes iónicas mayores de las que debe haber para conservar su neutralidad eléctrica.

Introducción de defectos en los materiales iónicos Mantener la neutralidad eléctrica con equilibrio de cargas Balance e masa Conservar la cantidad de sitios cristalográficos

Dislocaciones Imperfecciones lineales en una red cristalina Se forman con la solidificación o por la deformación plástica Pueden ser de borde, de tornillo o mixtas. Explican los procesos de deformación plásticas en los metales

Dislocación de tornillo Es el desplazamiento de un plano cristalino en una distancia atómica La línea a lo largo de la cual se hace el corte es la dislocación de tornillo

Dislocación de borde o de arista Plano atómico adicional en una red cristalina El borde del plano es la dislocación

Dislocaciones Mixtas Es formada por la unión de una dislocación de borde y una de tornillo

Movimiento de las dislocaciones Al aplicar una fuerza cortante en la dirección del vector de Burguers Se desplaza el plano de la dislocación al intercambiar los enlaces La velocidad de desplazamiento de las dislocaciones es cercana a la velocidad del sonido

Deslizamiento Proceso por el que se mueve una dislocación y provoca una deformación plástica

Dirección de deslizamiento Dirección en la que se mueve la dislocación Dirección del vector de Burgers para las dislocaciones de borde Durante el deslizamiento la dislocación de borde recorre el plano formado por el vector de Burgers y ella misma

Plano de Deslizamiento Plano formado por el vector de Burgers y la dislocación de borde

Sistema de deslizamiento Combinación de la dirección de deslizamiento y el plano de deslizamiento

Observación de las dislocaciones Los lugares donde intersecan las dislocaciones con la superficie son de energía relativamente alta Reaccionan más ante los ácidos, observándose como figuras de corrosión

Líneas de deslizamiento Miles de dislocaciones que se mueven por la superficie de un grano

Bandas de deslizamiento Grupos de líneas de deslizamiento

Importancia de las dislocaciones Mecanismo de la deformación plástica de los metales y aleaciones. Influyen en el comportamiento mecánico, eléctrico y óptico de los materiales. El esfuerzo para la deformación es mucho menor que sin dislocaciones Garantiza la ductilidad de los metales Permite controlar el comportamiento de un metal

Densidad de Dislocaciones o longitud total de dislocaciones Lo normal es 106 cm/cm3 Con deformaciones plásticas alcanzan hasta 1012 cm/cm3

Ley de Schmid 𝜏 𝑟 =𝜎∗ cos 𝜑 ∗𝑠𝑒𝑛(𝜆) Es válida en materiales monogranulares En poligranulares los granos están orientados en direcciones aleatorias

Defectos Superficiales Límite de granos (Superficie que separa granos entre si) Las dislocaciones recorren una distancia corta hasta llegar al limite de grano Controlando el tamaño de grano se controlan las propiedades de los materiales Ecuación de Hall-Petch 𝜎 𝑜,2 = 𝜎 0 +𝐾∗ 𝑑 − 1 2 El tamaño de grano según ASTM se mide a 100x N ‘ Cantidad de granos por pulgada cuadrada 𝑁= 2 𝑛−1 Se calcula N estadísticamente en el microscopio y se despeja o calcula n n es el tamaño de grano según ASTM Fallas de apilamiento Límite de macla Límites de dominio

Importancia de los defectos Efecto sobre las propiedades mecánicas Sirven de obstáculos al movimiento de las dislcaciones Se puede provocar endurecimiento por deformación Por solución solida Por Tamaño de grano Aumento o disminución de las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas

Difusión Flujo apreciable de átomos, electrones, iones vacancias y otros. Depende de gradientes de concentración y de temperatura Depende de los defectos de la redes cristalinas Cementación o carburación. Nitruración, Borado. Cromado duro. Dopantes para semiconductores Principio de las cerámicas conductoras Mecanismo de la oxidación, óxidos densos (aluminio, aceros inoxidables, galvanizados) La capacidad de un átomo de difundirse se mide con la ecuación de Arrhenius

Mecanismos de la difusión Por vacancias Intersticial, más rápida pues hay más intersticios que vacancias

Primera Ley de Fick (Velocidad de difusión) Ecuación que relaciona la velocidad o flujo de difusión con el gradiente de difusión y un coeficiente de difusión del material. El gradiente de concentración es la variación de la composición con la distancia El coeficiente de difusión depende del material y de la temperatura Depende del tiempo Puede ser volumétrica o superficial Influye el enlace y el tipo de estructura cristalina Depende de la concentración del elemento que se difunde

Segunda Ley de Fick Define la difusión dinámica o no estacionaria Depende de condiciones de frontera

Difusión y procesos de fabricación Fusión y colado Sinterizado Recristalización, crecimiento de grano y tratamientos térmicos Soldadura eléctrica y por difusión

Ensayo de tensión, uso del diagrama esfuerzo-deformación unitaria Esquema del ensayo Tipos de curva de tracción Curva de tracción dúctil

Propiedades obtenidas del ensayo de tracción Límite de proporcionalidad Límite elástico Límite elástico convencional o resistencia a la cedencia Resistencia a la tracción o esfuerzo máximo Estricción o formación del cuello Módulo de poisson 𝜇= `− 𝜀 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 𝜀 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 Módulo de resiliencia (energía absorbida en la deformación elástica, área bajo la recta) Tenacidad a la tensión (energía absorbida hasta fracturarse, trabajo de fractura, área bajo la curva) Alargamiento relativo Reducción de área porcentual

Efecto de la temperatura en el ensayo de tracción Menor esfuerzo necesario para deformar Aumenta la ductilidad Disminuyen los parámetros de resistencia Aumentan las deformaciones para la misma carga

Esfuerzo y deformación real Si en los cálculos se considera el área inicial no es exácto El área donde actúa la fuerza se reduce incrementando el valor de la tensión Gráficos diferentes a partir de la deformación plástica

Ensayo de Flexión Se puede usar para sustituir el ensayo de tracción en metales muy frágiles Aplicación de carga en tres puntos Resistencia a la flexión 𝜎 𝐹𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 = 3∗𝐹∗𝐿 2∗𝑊∗ ℎ 2 F es la carga de ruptura Se determina el módulo de elasticidad a flexión La deflexión máxima o flecha máxima Gráfico similar al de tracción

Ensayo de Dureza Mide la resistencia de un material a ser penetrada su superficie por un objeto duro Representa resistencia al rayado o penetración Es proporcional a la resistencia del material

Dureza Brinell Penetración con una bola de acero de 10 mm de diámetro Para materiales blandos relativamente Relaciona el diámetro de la huella dejada en la superficie con la fuerza aplicada Unidades Kg/mm2

Dureza Rockwell Penetración con una bola de acero de 1/16 pulgadas de diámetro para materiales blandos Penetración con una bola de acero de 1/8 pulgadas de diámetro para materiales muy blandos Penetración con un cono de acero para materiales duros Relaciona el diámetro de la huella dejada en la superficie con la fuerza aplicada Unidades HR (A, B, C, D, E, F)

Otros Ensayos de Dureza Vickers Knoop

Tipos de medición de Dureza Macrodureza Microdureza NanoDureza

Velocidad de deformación y resistencia al impacto Ensayo al impacto Resistencia a la propagación de la grieta Energía de impacto Tenacidad al impacto Dependencia con la temperatura

Propiedades que se obtienen del ensayo a impacto Temperatura de transición de dúctil a frágil Sensibilidad a la muesca Relación con el diagrama esfuerzo deformación Resistencia al impacto como energía absorbida

Mecánica de la fractura Comportamiento de materiales que contienen grietas e imperfecciones ante las cargas externas. Concentrador de esfuerzo Factor de intensidad del esfuerzo Kc - Capacidad del material de resistir el crecimiento de una grieta Kk – Tenacidad a la fractura en la deformación plana

Capacidad del material para resistir el crecimiento de una grieta A mayor cantidad de imperfecciones en la red menor resistencia al crecimiento de la grieta El incremento de la ductilidad aumenta la resistencia al crecimiento de la grieta. El aumento de la rigidez aumenta la posibilidad de propagación de la grieta La rapidez de aplicación de la carga aumenta la posibilidad de crecimiento de la grieta. El aumento de la temperatura disminuye la posibilidad de propagación de la grieta

Importancia de la mecánica de la fractura Supone la existencia real de imperfecciones en los materiales así como defectos superficiales Se puede seleccionar materiales que eviten el crecimiento de las imperfecciones a partir del tamaño máximo de imperfección y la magnitud del esfuerzo aplicado Se puede diseñar un componente teniendo en cuenta la dimensión máxima de las imperfecciones. Se puede actuar sobre el proceso de fabricación para evitar imperfecciones mayores que las admisibles para el desarrollo de estas ante cargas.

Endurecimiento por deformación y recocido Se basa en la acritud y el mejoramiento de la estructura granular por deformación plástica y recocido Procesos como Laminado, estampado, forja, Trefilado, doblado, etc. Trabajo en caliente y en frio, diferencias. Conformabilidad, formabilidad, moldeabilidad. Capacidad de cambiar su forma bajo tensiones sin destruirse Comportamiento anisotrópico Esfuerzos residuales, perjudiciales o ventajosos.

Recocido Elimina tensiones internas, Bajas temperaturas Elimina el endurecimiento por deformación plástica en frio (acritud) sin recristalizar el grano. Como intermedio entre deformaciones plásticas. Etapas Recuperación Recristalización Crecimiento del grano Mejora el cordón de soldadura Mejora la granulometría en trabajos en caliente.

Formado superplástico Aleaciones con tamaño de grano muy pequeño mayores de 0.005 mm Altas temperaturas de deformación plástica Velocidades de deformación lentas