Defectos Cristalinos y Mecanismos de Deformación Plástica: Endurecimiento, Fluencia y Fatiga en Materiales
Defectos Cristalinos: Dislocaciones
Definición de dislocaciones: Son defectos lineales de la red cristalina, de carácter inestable. Se caracterizan por su vector de Burgers.
Tipos de dislocaciones
- Dislocación de arista
- Dislocación helicoidal
- Dislocación mixta
Su relación con el vector de Burgers determina el tipo de dislocación.
Campos de tensiones
Las dislocaciones generan campos de tensiones locales y distribuidos: helicoidales, de arista y de energía asociada.
Cambio de plano de deslizamiento
- Dislocación helicoidal: deslizamiento cruzado.
- Dislocación de arista: trepado, mediante la migración de una fila de átomos.
Fuerzas entre dislocaciones
Pueden ser de atracción o repulsión. Entre dislocaciones paralelas en el mismo plano y en planos diferentes el comportamiento varía.
Mecanismos de Deformación Plástica
La deformación plástica se produce mediante el deslizamiento de los sistemas de deslizamiento, avanzando por cizalladura en la dirección de Burgers, preferentemente en los planos y direcciones compactas y bajo menor tensión.
- Tensión de cizalladura efectiva y fórmula de τ
- Ley de Schmid
- Tensión de Peierls
Multiplicación de dislocaciones
La deformación plástica aumenta la densidad de dislocaciones mediante el deslizamiento cruzado múltiple y las fuentes de Frank-Read.
Maclado
Deformación plástica en policristales
Requiere continuidad en la intercara y la participación de varios sistemas cristalográficos. Se aplica el criterio de von Mises, con especial atención a las estructuras FCC, BCC y HC.
Textura
Se desarrolla a nivel de red cristalina. En policristales con red aleatoria, la textura puede desarrollarse durante el proceso de deformación.
Endurecimiento de Metales (Acritud)
Al deformar a baja temperatura se produce un endurecimiento progresivo: aumenta la tensión necesaria para continuar la deformación. Durante la deformación plástica se produce interacción entre dislocaciones, formando una maraña de dislocaciones. Al aumentar la deformación, aumenta la densidad de celdillas de dislocaciones y disminuye su tamaño, aumentando la tendencia a su formación. El aumento de la acritud se mide por el porcentaje de reducción de sección.
A alta temperatura el metal no endurece.
Recocido contra acritud
Proceso de restauración y recristalización. Incluye el periodo de incubación, la nucleación y crecimiento (NyC), la temperatura de recristalización y los factores que influyen en ella, como la acción de las impurezas y el comportamiento durante la recristalización.
Crecimiento de grano
Tendencia del policristal a aumentar el tamaño de grano. Puede verse entorpecido por la segregación y la precipitación, y su efecto secundario deteriora las propiedades del material.
Endurecimiento de Aleaciones
Por solución sólida
Se produce por distorsión de la red debida a la diferencia de tamaños atómicos, tensiones generadas por átomos intersticiales y sustitucionales, y variaciones del módulo elástico G.
Por segunda fase
Los aleantes forman cristales u otras fases. Se obtiene una mezcla de dos cristales o de otras fases: fase matriz y fase dispersa, lo que produce endurecimiento por precipitación.
Endurecimiento por precipitación
Requiere buenas propiedades de la matriz y de la fase precipitada. Tipos: coherentes, semicoherentes e incoherentes. Las dislocaciones pueden atravesar o esquivar los precipitados según sean coherentes o incoherentes. Mecanismos de endurecimiento en partículas cizallables y mecanismo de Orowan para partículas no cizallables.
Fluencia
La fluencia es la deformación lenta y progresiva bajo tensión constante, que puede llevar a la rotura incluso bajo tensiones inferiores al límite elástico. Se representa mediante curvas de fluencia y distingue regímenes de alta y baja temperatura.
Baja T y alta T
En fallos a alta temperatura el material siempre termina por romper. Las etapas son: fluencia primaria, secundaria y terciaria. La temperatura y la tensión influyen al aumentar cualquiera de ellas.
Fluencia primaria y secundaria
Fluencia difusional, con movimiento de dislocaciones y deslizamiento en borde de grano (BDG), que puede conducir a la superplasticidad. Se describe mediante una ecuación de velocidad de deformación (ε̇) con influencia de la tensión (σ).
Fluencia difusional
Se debe a fuerzas exteriores de tracción y compresión, al flujo de vacantes, y se describe mediante los modelos de Nabarro-Herring y Coble.
Fluencia por dislocaciones
El endurecimiento y el ablandamiento actúan simultáneamente, aniquilándose ambos procesos.
Fluencia terciaria
Se acelera con la temperatura. Tiene cuatro causas principales.
Influencia del tamaño de grano
En la fluencia por dislocaciones y difusional: los tamaños de grano grandes se orientan según la carga en materiales monocristalinos.
Aleaciones para fluencia
Se buscan redes compactas, alta temperatura de fusión, buena resistencia a la corrosión y oxidación, grano basto y alargado, refuerzo por solución sólida, estructura de precipitación y refuerzo mediante límites de subgrano.