Resumen Mecanismos de deformación Deformación Elástica

Presentación del tema: "Resumen Mecanismos de deformación Deformación Elástica"— Transcripción de la presentación:

1 Resumen Mecanismos de deformación Deformación Elástica
Deformación Plástica Dislocación de Borde Dislocación Helicoidal Dislocación Mixta Macla Mecanismos de endurecimiento 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 Recuperación Recristalización Crecimiento del Grano

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 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 NIVEL de cargas aplicadas, un material (que admita deformación) responderá mediante dos tipos de deformaciones: ● Elástica ● Plástica

6 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. 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. La magnitud del módulo de elasticidad es proporcional a la pendiente de la curva fuerza-separación interatómica, calculada en la separación de equilibrio. (Deformación no permanente)

8 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).

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10 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación de Borde (También de Cuña o de Arista)

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12 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación de Borde (o de Cuña) Video de dislocaciones en movimiento

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14 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación Helicoidal o de Tornillo

15 Mecanismo de deformación: Deslizamiento de dislocaciones
Dislocación Mixta video

16 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. C C en las Caras Cúbica Centrado en el Cuerpo Hexagonal Compacto Nº Planos de Deslizamiento 4 6 12 24 1 3 6 Nº Direcciones De Deslizamiento 3 2 1 1 3 1 1 Nº Sistemas de deslizamiento 12 12 12 24 3 3 6 TOTAL 12 48 12

17 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).

18 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. A s t R F

19 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: 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. σ σ σ σ σ σ λ=90º, τR=0 λ=45º, φ=45º, τR=σ/2 φ=90º, τR=0

20 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.

21 Deformación Plástica en Materiales Policristalinos
• Los planos y direcciones de delizamiento (λ,φ) cambian de un grano a otro  τR 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

22 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

23 Mecanismo de Deformación por Maclado
σ En algunos materiales metálicos la deformación plástica puede ocurrir por maclado: En el maclado, una F 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

24 Diferencias entre Deslizamiento y Maclado
● 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 HC, 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.

25 Deformación del Zn (Hexagonal)

26 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

27 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 grano B

28 Mecanismos de Endurecimiento: 2) Solución Sólida
Los átomos de impurezas o solutos de una ss 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 de ss. Los átomos de menor tamaño se quedan arriba de la dislocación. Los átomos de mayor tamaño se quedan abajo de la dislocación.

29 Mecanismos de Endurecimiento:
2) Solución Sólida Ejemplo de endurecimiento por solución sólida de una aleación Cu-Ni

30 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 roll A o d Forjado Extrusión Trefilado

31 Mecanismos de Endurecimiento:
3) Deformación en Frío

32 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.

33 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. Vista lateral Vista sup precipitado

34 Mecanismos de Restauración
Recuperación: Se incrementa la difusión de lo átomos Se reduce el Nº de dislocaciones. Se recuperan algunas propiedades (conductividad eléctrica y térmica) Se libera parte de la energía almacenada Recristalización: Ocurre únicamente por arriba de la T 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 Prop Mec: el metal se hace más blando, menos resistente y más dúctil. Crecimiento de grano: En caso de dejar el material a alta T 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. Ej para el Fe

35 Ejemplo de las diferentes etapas de restauración para un latón
33% CW t = 0 580ºC Recristalización inicial 580ºC Recristalización parcial 580ºC Recristalización completa 580ºC Crecimiento de grano 700ºC Crecimiento de grano

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