¡Descarga Mecanismos de Endurecimiento y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Ciencia de materiales solo en Docsity!
Mecanismos de endurecimiento
El endurecimiento es el proceso mediante el cual se incrementa la dureza del material. La dureza de un material es la medida de la resistencia del material a la deformación plástica localizada. Mientras que la ductilidad es la medida de la deformación plástica que soporta hasta la fractura. Durante la deformación de un material los planos cristalinos se deslizan y las dislocaciones se mueven. Así que la capacidad de un material para deformarse plásticamente depende la capacidad de las dislocaciones para moverse. La dureza del material aumenta cuando se restringe o impide el movimiento de las dislocaciones, es decir, se requiere aplicar una mayor cantidad de fuerza para que la deformación plástica continúe. La resistencia mecánica también se ve influenciada. El objetivo principal de los procesos de endurecimiento es detener o restringir el movimiento de dislocaciones. Los cuatro principales mecanismos con los que se consigue endurecimiento son: Por reducción de tamaño de grano Por solución sólida Por dispersión Por deformación A continuación, se describen las principales características de cada uno.
Endurecimiento por reducción de tamaño de grano
Es conveniente recordar dos términos importantes
1. Grano: zona coherente en orientación cristalográfica, es decir, dentro del material se tienen
pequeñas zonas donde los planos atómicos están acomodados en la misma dirección cristalográfica, cuando está dirección es diferente se tiene otro grano. Los materiales con muchos granos se denominan policristalinos.
Fig. 1 a) Representación de un grano y los límites de grano b) Microfotografía de un material policristalino
2. Límite de grano : es un defecto cristalino superficial y se caracteriza por ser la zona donde
se tienen dos diferentes direcciones cristalográficas de los planos atómicos, es decir, es la frontera que divide a dos granos. Esta zona se caracteriza por ser reactiva y con alto desorden atómico, pues se tiene una concentración de energía debido a que los átomos no utilizan toda su energía de enlace disponible. Fig. 2 Representación de un límite de grano El tamaño de grano tiene influencia en las propiedades mecánicas. Granos contiguos tienen diferentes orientaciones cristalinas y un límite de grano común. Durante la deformación plástica el movimiento de dislocaciones debe ocurrir a través de este límite de grano. El límite de grano actúa como barrera al movimiento de las dislocaciones debido a que los granos contiguos tienen diferentes orientaciones cristalinas, para que la dislocación continúe su movimiento requiere cambiar la dirección de su movimiento, ya que en los límites de granos se
Si los solutos o aleantes están presentes en muy baja concentración en las aleaciones, se pueden considerar como impurezas. La técnica de endurecimiento por solución sólida consiste principalmente en formar aleaciones con átomos de impurezas, que pueden ser intersticiales o sustitucionales. Los metales puros tienen menor dureza que las aleaciones con el mismo metal base (o solvente), debido a que los átomos de las impurezas (o solutos) producen una distorsión de la red en los átomos del solvente que dificulta el movimiento de dislocaciones. Fig. 4 Soluciones sólidas Para disminuir la distorsión de los átomos del soluto, estos tienden a segregarse alrededor de las dislocaciones para eliminar parte de la energía almacenada en la red alrededor de una dislocación En la Fig. 5 se observa el efecto del tamaño del átomo del soluto en la estructura del solvente para una aleación sustitucional, en las aleaciones intersticiales ocurre algo muy semejante. Fig. 5 Efecto de la presencia de solutos en la red del solvente
De acuerdo con esto, un soluto con átomos más pequeños que los del solvente, genera tensión a su alrededor, mientras que uno más grande genera compresión. En las soluciones sólidas se necesita aplicar un mayor esfuerzo para primero iniciar una deformación plástica y después continuarla, con lo que aumenta la resistencia mecánica y la dureza. El grado de endurecimiento por solución sólida depende de dos factores:
a) Una diferencia importante en el tamaño atómico entre el átomo original (solvente) y el
átomo agregado (soluto) incrementa el efecto de endurecimiento. Una mayor diferencia en tamaños produce una mayor distorsión inicial en la red, haciendo aún más difícil el deslizamiento.
b) Cuanta más cantidad de aleante se agregue, mayor es el efecto de endurecimiento. Pero
está cantidad no debe exceder el límite de solubilidad, pues se tendría un mecanismo de endurecimiento diferente Efecto del endurecimiento por solución sólida en las propiedades.
- El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y la dureza de la aleación, son mayores que las de los materiales puros.
- Generalmente, la ductilidad de la aleación es mejor que la del material puro. Un caso raro son las aleaciones de Cu-Zn, donde la resistencia y la ductilidad aumentan con el endurecimiento por solución sólida.
- La conductividad eléctrica de la aleación es menor que la de los materiales puros. Así que este proceso de endurecimiento no se recomienda para la fabricación de alambres conductores, como de aluminio o cobre.
- La resistencia a la termofluencia (o pérdida de propiedades mecánicas, a temperaturas elevadas), mejora con el endurecimiento por solución sólida. Un ejemplo de aplicación es en las aleaciones para altas temperaturas son las utilizadas en las turbinas de los motores a reacción. Endurecimiento por dispersión En una solución líquida, se observan dos fases cuando se rebasa el límite de solubilidad del soluto. Por ejemplo, cuando se prepara una solución de sal común en agua, se sabe que se rebaso el límite de solubilidad cuando los cristales de sal se depositan en el fondo del recipiente, y aunque se continúe agitando la solución los cristales permanecen como tales. Las dos fases presentes son la sólida de la sal y la líquida del agua, y se pueden observar claramente. Cuando se rebasa el límite de solubilidad del soluto en una solución sólida, se forma una segunda fase, pero como ambas son sólidas no se observa la diferencia a simple vista. La diferencia está en la estructura cristalina del soluto y del solvente, pues cada uno de ellos tiene la propia. Por ejemplo, si tenemos una aleación de aluminio con cobre, al rebasar el límite de solubilidad del cobre en el aluminio, los átomos de cobre se empiezan a conglomerar, la estructura cristalina del cobre es diferente a la del aluminio, así que dentro del aluminio se observaran pequeños conglomerados
El grado de deformación se puede expresar como el porcentaje del trabajo en frío de acuerdo con
la siguiente expresión %𝐶𝑊 = (
) × 100
A 0 es el área original del material Ad es el área después de la deformación Al aumentar la dureza y la resistencia mecánica del material, la ductilidad disminuye. Fig. 7 Efecto de la deformación en la estructura cristalina de un material El endurecimiento por deformación se explica con base en las interacciones entre los campos de distorsión que se producen alrededor de las dislocaciones. La densidad de las dislocaciones aumenta con la deformación, la distancia entre dislocaciones disminuye, es decir, las dislocaciones se encuentran más cercanas y, generalmente, las interacciones dislocación-dislocación son repulsivas, es decir, cada dislocación trata de estar lo más alejada posible de otra. Como consecuencia, el movimiento de una dislocación se ve limitado por la presencia de otras dislocaciones. Cuando aumenta la densidad de dislocaciones, también aumenta la resistencia al movimiento de éstas. El esfuerzo necesario para deformar el metal también aumenta.
Fig. 8 Representación del comportamiento de las dislocaciones durante la deformación El efecto del endurecimiento por deformación se puede eliminar por medio de tratamientos térmicos.
Coeficiente de endurecimiento por deformación
Es una medida de la capacidad de un metal para endurecerse durante la deformación; cuanto mayor es este valor, mayor es la distorsión que sufre para una determinada deformación plástica. La respuesta del metal a la deformación por trabajo en frío está dada por el coeficiente de endurecimiento por deformación: 𝜎 = 𝐾𝜀𝑛 Donde: 𝜎, 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝜀, 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐾, 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑛, 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑑𝑢𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Fig. 9 Técnicas de conformado y deformación
Características del trabajo en frío
El endurecimiento de un metal por deformación (o trabajo en frío) presenta ventajas y desventajas:
- Se puede endurecer y conformar el material al mismo tiempo.
- Es posible obtener tolerancias dimensionales y terminados superficiales excelentes.
- Es un proceso económico para producir grandes cantidades de piezas pequeñas, no requiere de fuerzas elevadas ni de equipo de conformado costoso.
- Es una buena forma de endurecer materiales para conductores eléctricos porque reduce, en menor grado la conductividad eléctrica que otros procesos de endurecimiento.
- Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico pueden ser de utilidad si se controlan adecuadamente.
- Algunas técnicas de procesamiento por deformación sólo se pueden utilizar si se aplica un trabajo en frío. Como es el caso del trefilado. El esfuerzo en el alambre original debe ser mayor que el límite elástico para que se produzca la deformación plástica; el esfuerzo en el alambre final debe ser menor que su límite elástico para evitar la fractura. Esto sólo se consigue si el alambre se endurece por la deformación durante el trefilado.
