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Mecanismos de endurecimiento en materiales metálicos, ciencia de los materiales...

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MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO EN MATERIALES METÁLICOS ENDURECIMIENTO POR ACRITUD Cuanto más deformación haya, más cantidad de dislocaciones hay y cada vez es necesario aplicar una mayor tensión para seguir produciendo deformación plástica, por lo que habrá un endurecimiento progresivo. Ese endurecimiento que experimenta el material a medida que va aumentando la deformación producida es a lo que llaman deformación por acritud. Incremento densidad de dislocaciones, aumento energía libre almacenada dentro del material. A medida que se da acritud al material, su capacidad de deformación plástica posterior va disminuyendo puesto que va siendo más difícil mover las dislocaciones, y el material va perdiendo plasticidad y tenacidad.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO POR ACRITUD. Dentro de los mecanismos de interacción entre las dislocaciones pueden señalarse: -Interacción entre sus campos de tensiones. -Intersección con otras dislocaciones. -Apilamiento frente a obstáculos. Para niveles pequeños de deformación, el entrecruzamiento y multiplicación de dislocaciones hace que la densidad de dislocaciones sea ya muy alta y se desarrolle una maraña de dislocaciones, distribuidas homogéneamente por toda la estructura del material, lo cual frena y obstaculiza mucho el avance de las dislocaciones móviles que vayan a producir deformación plástica. Para mayores deformaciones, el nº de dislocaciones es tan alto que el material trata de disminuir la energía introducida en el cristal con un reordenamiento espontaneo de las dislocaciones. Las dislocaciones tienden a distribuirse en posiciones de menor energía y se forma una estructura de celdillas, formadas por paredes en las que se concentran gran cantidad de dislocaciones, y en cuyo interior hay muy pocas. Al aumentar la deformación y aumentar la cantidad de dislocaciones, va siendo cada vez menor el tamaño de las celdillas, por lo que hay un endurecimiento, aunque el ritmo de endurecimiento va progresivamente disminuyendo. También se reduce la capacidad de deformación. En los BCC la tendencia a la formación de celdillas es grande, en los FCC es menos probable. Al aumentar la acritud en un material, aumentan la dureza, el limite elástico y la resistencia a tracción, disminuyen la plasticidad y la tenacidad, también disminuye la conductividad eléctrica. La deformación plástica modifica la estructura granular, ya que los granos cristalinos se alargan en la dirección de deformación. Al deformar plásticamente un metal a alta T, no habrá un endurecimiento significativo durante el proceso de deformación. **Al endurecer un material interesa frenar dislocaciones, pero NO anclarlas por completo ya que el material se volvería frágil.

RECOCIDO CONTRA ACRITUD Tras deformar un material metálico, este queda en una situación metaestable, ya que se ha elevado la energía libre del cristal al crearse una gran cantidad de dislocaciones. Esta situación no es de equilibrio. Recocido contra acritud: calentamiento del material tras la deformación en frio de forma que el material pierde progresivamente acritud, dureza, límite elástico y resistencia. Aumenta su plasticidad y tenacidad. Se forman nuevos granos con muy pocas dislocaciones en su interior.  Si la acritud fue originada en un proceso de deformación a baja T para aumentar la dureza, hay que tener precaución para que calentamientos posteriores no produzcan recocido contra acritud.  Si la acritud fue con el objetivo de obtener una pieza con cierta geométrica, puede no interesar el estado final de acritud. Es recomendable tratamiento de recocido contra acritud. Hay 3 etapas en la evolución de la microestructura. La situación final dependerá de la T elegida y del tiempo de tratamiento. RESTAURACIÓN Se mantiene la estructura granular inicial, no cambia la forma de los granos pero hay un cambio en el nº y la posición de las dislocaciones. -La mayor T, permite a las dislocaciones moverse y cambiar de plano. Facilita que se reordenen en posiciones de menor energía. -Formación de subgranos. Evolución de la estructura previa de las celdillas, disminuye el espesor de las paredes, disminuye el nº de dislocaciones en el interior y el tamaño de las celdillas crece. Durante esta etapa se produce una serie de variación de las propiedades: -Disminuyen las tensiones internas. -Disminuyen moderadamente a dureza y el límite elástico. -Aumentan ligeramente la plasticidad y la tenacidad. -Aumento ligero de la conductividad eléctrica. RECRISTALIZACIÓN Fuerte descenso de la energía libre del material cristalino por la disminución de dislocaciones. Se sustituye la estructura granular inicial por otra nueva, en un proceso de nucleación y crecimiento, que conduce a una microestructura de granos equiaxiales formada a partir de los granos alargados iniciales. Los nuevos granos van creciendo gracias a la reordenación de los átomos de la red en las proximidades de la entrecara del nuevo grano. Los nuevos granos aparecen preferentemente en las zonas más deformadas y junto a los bordes de granos primitivos. La velocidad del proceso de recristalización viene regulado por la velocidad N, y C. cuando mayor es T, mayores son las velocidades y la recristalización es más rápida. Cuanto mayor es la deformación previa por acritud mayor es la energía disponible en el interior del material, y mayores serán las velocidades y menor será el tamaño de los granos. Según a combinación T-t aplicada, l recristalización puede ser parcial o total.

Temperatura de recristalización TR: T a la que se produce la recristalización completa en 1 hora. Metales puro 0,2-0,3Tf. Factores que influyen en TR y pueden modificarla: -Purezas. Impurezas y aleantes disueltos elevan TR. -Al aumentar la cantidad de deformación baja TR. -A menos tamaño de grano inicial menor TR. -Menos T de deformación previa implica menor TR. Durante esta etapa se produce una serie de variación de las propiedades: -Disminuyen mucho la dureza, el límite elástico, y resistencia. Los nuevos granos crecen con muy pocas dislocaciones. -Se elevan mucho la plasticidad y tenacidad. -Aumenta la conductividad eléctrica. CRECIMIENTO DE GRANO Todo policristal tiene a aumentar el tamaño de sus granos, puesto que de esa manera se reduce la superficie de borde de grano, disminuyendo la energía libre del material. Tras la etapa de recristalización, puede producirse crecimiento de grano por permanencia a T elevada. El proceso de crecimiento de grano se acelera al subir la T. 𝐷𝑛 − 𝐷0𝑛 = 𝐾𝑡 D0=Tamaño de grano inicial. D=Tamaño medio de grano. n>=2 La segregación en borde de grano entorpece el crecimiento de los granos equiaxiales formados durante la recristalización. Cuanto mayor sea la cantidad de partículas, menor será el tamaño de grano final. Recristalización secundaria: Unos pocos granos crecen mucho a costa de los demás. Cuidado porque el crecimiento de grano puede deteriorar las propiedades mecánica a baja T (grano basto baja dureza y limite elástico, puede deteriorar la plasticidad y a tenacidad), y dar problemas en el caso de que se vaya a realizar un conformado posterior.

ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA La presencia de átomos de soluto dentro de una red cristalina entorpece el movimiento de las dislocaciones por que endurece. MECANISMOS FUNDAMENTALES DE ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA DISTORSIÓN DE LA RED El átomo de soluto siempre va a tener distinto tamaño que los átomos del disolvente. Cuando se introduce un átomo diferente en la red, los tomos del material base que hay alrededor son desplazados de sus posiciones de equilibrio, y se produce una distorsión local de la red cristalina. Esas distorsiones llevan asociados campos de tensiones, los átomos intersticiales producen a su alrededor tensiones normales y de cizalladura, los átomos de sustitución crean solo tensiones normales. Las tensiones generadas por los átomos de soluto interaccionan con os campos de tensiones asociados a las dislocaciones.

La existencia de esas fuerzas de interacción, más o menos intensas, entorpece el avance de alas dislocaciones, obligando a aumentar la tensión exterior aplicada para poder vencer esos campos de tensiones que aparecen alrededor del soluto, el material se endurece. Esta distorsión lleva asociada campos de tensiones: -Los átomos intersticiales. Generan importantes tensiones de tracción y cizalladura, interaccionan con todo tipo de dislocaciones, pudiendo ser causa de fragilidad por frenar demasiado a dichas dislocaciones, impidiendo la deformación plástica. Endurecen mucho pero general fragilidad. -Los átomos sustitucionales interaccionan solo con las dislocaciones de arista, ya que las helicoidales no generan tensiones normales a su alrededor. Es habitual para endurecer y genera menor fragilidad. Si los átomos de soluto sustitucionales se asocian, pueden aparecer alrededor también tensiones de cizalladura, y en este caso ya sí podrían interaccionar con las dislocaciones helicoidales, produciendo un mayor aumento de la dureza. El endurecimiento que se obtiene por este mecanismo en soluciones solidad sustitucionales, es mayor cuanto mayor sea la diferencia de tamaño entre el átomo de soluto y el de disolvente. Si el átomo de soluto sustitucional tiene menor tamaño que el disolvente crea alrededor tensiones de tracción. Si el átomo de soluto sustitucional tiene mayor tamaño que el disolvente crea alrededor tensiones de compresión. 1

Para pequeñas proporciones de soluto ∆𝑅𝑝 = 𝐴 ∗ 𝑐 2 Para concentraciones mayores se pierde la linealidad por lo que podría haber la concentración óptima para la cual la tensión necesaria para deformar se hace máximo. ENDURECIMIENTO POR DIFERENIAS EN EL MÓDULO ELÁSTICO, G. La energía asociada a una dislocación es proporcional a G. si en la estructura hay átomos de soluto con distinto módulo de cizalladura, se introducen variaciones en esa energía, lo que puede producir efectos atractivos o repulsivos entre las dislocaciones y el soluto. -Si la presencia del átomo de soluto disminuye G, respecto al del metal base, aparecerá una fuerza de atracción entre el soluto y la dislocación. -Si la presencia el soluto aumenta el modulo elástico a cizalladura respecto al del disolvente, habrá una fuerza de repulsión. El mayor endurecimiento, en soluciones solidas sustitucionales se obtiene con: -Una mayor diferencia entre los tamaños del soluto y disolvente. Mayor campos de tensiones. -Una mayor diferencia de modulo elástico entre soluto y disolvente. -Una mayor concentración de soluto. Hasta un máximo.

ENDURECIMIENTO POR SEGUNDAS FASES La adición de aleantes a un metal puede favorecer la aparición de diferentes fases cristalinas. Si hay 2 fases distintas, pueden darse 2 casos: las 2 fases distintas pueden estar formando granos cristalinos individuales diferentes o una de las fases puede encontrarse embebida dentro de la otra.

Cuando hay una mezcla de cristales de 2 fases, la fase más dura entorpece la deformación de la otra fase y esto produce un endurecimiento. El mejor comportamiento mecánico se obtiene cuando la fase matriz es la más deformable plásticamente y la dispersa es la más dura, pues se logra un endurecimiento de material manteniendo capacidad de deformación plástica. Existe un caso especial cuando la segunda fase, mediante algún tratamiento térmico, precipita finamente dentro de los cristales de la matriz metálica formando precipitados. En este caso se habla de endurecimiento por precipitación.

ENDURECIMIENTO POR PARTÍCULAS DISPERSAS Las partículas dispersas dentro de los granos cristalinos, generalmente de muy pequeño tamaño, frenan a las dislocaciones más que loa átomos de soluto aislados. No impiden el avance de las dislocaciones, y obligan a aumentar la tensión para producir deformación plástica, es decir, endurecen. TIPOS DE PARTÍCULAS -Partículas coherentes. Su red cristalina es la misma que la de la matriz, con un parámetro de red similar y posee su misma orientación. Existe una continuidad de los planos y direcciones cristalográficos a través de la entrecara. -Partículas incoherentes. La matriz y las partículas tienen redes muy diferentes o diferentemente orientadas. No hay conexión entre planos y direcciones. -Partículas semicoherentes. La matriz y la partícula tienen redes parcialmente semejantes con continuidad de planos y direcciones solo en algunas zonas de la entrecara. MECANISMOS PARA SUPERAR PARTÍCULAS Hay 2 mecanismos básicos: atravesar la partícula interiormente o esquivarla de alguna manera. Las partículas coherentes son cizalladas por las dislocaciones solo cuando su tamaño es pequeño puesto que hay un tamaño crítico por encima del cual la dislocación prefiere esquivar la partícula coherente que cizallarla porque necesita menor energía para hacerlo. Las partículas incoherentes no son cizallables. A dislocación queda frenada delante de la partícula, que pasa a ser un obstáculo impenetrable y podría superarla por trepado, por deslizamiento cruzado o por el mecanismo de Orowan. Las partículas semicoherentes solo podrían ser cizallables ocasionalmente, a lo largo de planos y direcciones en los que exista continuidad entre la matriz y la partícula. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO POR PARTÍCULAS MECANISMO DE ENDURECIMIENTO CON PARTÍCULAS NO CIZALLABLES A baja T, el mecanismo por el que les resulta más sencillo a las dislocaciones de todo tipo superar las partículas es el mecanismo de Orowan. La tensión necesaria para curvar la dislocación y que logre superar las partículas en su plano de deslizamiento 𝜏𝑂𝑟 =

𝐺𝑏 2𝐿

Esa tensión depende de la distancia entre partículas.

Si llegara una segunda dislocación habrá que aumentar la tensión para curvar esta nueva dislocación, se produce un endurecimiento, mayor cuanto más avance la deformación plástica del material. Llegará un momento en el que las dislocaciones no podrán pasar por el pequeño espacio que quede entre los bucles porque haría falta una tensión elevadísima. Se dice que el mecanismo se ha agotado y se pierde capacidad de deformación plástica. Las dislocaciones tendrán que buscar otras formas d esquivar las partículas Si el nº de bucles que se forma alrededor de las partículas es muy grande, se estará formando un apilamiento de dislocaciones que crea un campo de tensiones en la zona de la entrecara entre la matriz y el precipitado. Ese campo de tensiones puede llegar a generar una microgrieta, comenzando la rotura. La tensión que hace falta para deformar aumenta cuando disminuye la distancia entre partículas. MECANISMO DE ENDURECIMIENTO CON PARTÍCULAS CIZALLABLES -Endurecimiento por coherencia. Como la partícula y la matriz tienen diferente parámetro de red, hay una distorsión de la red en la entrecara. -En segundo lugar, la partícula es cizallada por la dislocación aumenta la superficie de entrecara entre la partícula y la matriz. -En tercer lugar, las partículas suelen tener mayor modulo elástico a cizalladura que la matriz, así que cuando la dislocación entra en la partícula su energía aumentara. Ante una partícula coherente, la dislocación puede elegir entre atravesarla o esquivarla por el mecanismo de Orowan, y elegirá siempre lo que le suponga una menor energía y por tanto una menor tensión. En el caso de partículas cizallables existe un radio crítico u óptimo de partícula, al que corresponde la máxima tensión necesaria para deformar, el máximo endurecimiento. Por debajo de este tamaño, las partículas son cizalladas puesto que es la opción que requiere una menor tensión, para mayor tamaño, son superadas por el mecanismo de Orowan, a pesar de ser cizallables....