Tensión de Von MisesLa tensión de Von Mises es una magnitud física proporcional a la energía de distorsión. En ingeniería estructural se usa en el contexto de las teorías de fallo como indicador de un buen diseño para materiales dúctiles. La tensión de Von Mises puede calcularse fácilmente a partir de las tensiones principales del tensor tensión en un punto de un sólido deformable, mediante la expresión: Siendo σ1,σ2,σ3, la tensiones principales, y habiéndose obtenido la expresión a partir de la energía de distorsión en función de las tensiones principales: La tensión de Von Mises y el criterio de fallo elástico asociado debe su nombre a Richard Edler von Mises (1913) propuso que un material dúctil sufría fallo elástico cuando la energía de distorsión elástica rebasaba cierto valor. Sin embargo, el criterio fue claramente formulado con anterioridad por Maxwell en 18651 más tarde también Huber (1904), en un artículo en polaco anticipó hasta cierto punto la teoría de fallo de Von Mises.2 Por todo esto a veces se llama a la teoría de fallo elástico basada en la tensión de Von Mises como teoría de Maxwell-Huber-Hencky-von Mises y también teoría de fallo J2. Contenido [ocultar] 1 Formulación matemática 1.1 Energía de deformación o 1.2 Invariante cuadrático J2 2 Tensión de Von Mises y tensiones principales 3 Tensión de Von Mises en una viga 4 Tensión de Von Mises en una placa 5 Referencias 6 Véase también o [editar]Formulación matemática La tensión de Von Mises es un escalar proporcional a la energía de deformación elástica de distorsión que puede expresarse en función de las componentes del tensor tensión, en particular admite una expresión particularmente simple en función de las tensiones principales, por lo que la tensión de Von Mises puede calcularse a partir de la expresión de la energía de deformación distorsiva. Igualmente la superficie de fluencia de un material que falla de acuerdo con la teoría de fallo elástico de Von Mises puede escribirse como el lugar geométrico de los puntos donde la tensión de Von Mises como función de las tensiones principales supera cierto valor. Matemáticamente esta ecuación puede expresarse aún como el conjunto de puntos donde el invariante cuadrático de la parte desviadora del tensor tensión supera cierto valor. [editar]Energía de deformación La energía de deformación de un sólido deformable, iguala al trabajo exterior de las fuerzas que provocan dicha deformación dicha trabajo puede descomponerse, entre el trabajo invertido en cambiar la forma del cuerpo o energía de distorsión y el trabajo invertido en comprimir o dilatar el cuerpo manteniendo constantes las relaciones geométricas o energía elástica volumétrica: (1) Los dos términos vienen dados por: (2a) (2b) Frecuentemente, la energía de distorsión dada por la última expresión, se expresa en términos de una combinación especial de las otras componentes de tensión llamada tensión de Von Mises: (3) Igualando los integrandos de (2) y (3) se obtiene que la tensión de Von Mises viene dada precisamente por: (4) [editar]Invariante cuadrático J2 La energía de distorsión considera en la sección anterior puede ser calculada a partir de la parte desviadora del tensor tensión: El segundo invariante cuadrático de este tensor denominado J2, es proporcional a la tensión de Von Mises y resulta ser: en ese caso las tensiones principales resultan ser: De donde se sigue que: (6) [editar]Tensión de Von Mises en una placa . [editar]Tensión de Von Mises y tensiones principales Aunque la expresión (4) ofrece una fórmula práctica para calcular la tensión de Von Mises o equivalentemente la energía de deformación distorsiva.Por esta razón a veces la teoría de fallo de Von Mises se llama teoría de fallo J2. La expresión se simplifica mucho si usamos en cada punto las tres tensiones principales para el cálculo de la tensión de von Mises: (5a) Esta expresión se puede simplificar aún más: (5b) [editar]Tensión de Von Mises en una viga Usualmente en una viga sólo 3 de las 6 componentes del tensor tensión son diferentes de cero: la tensión normal a la sección transversal y dos componentes independientes asociadas a la tensión tangencial. Usualmente en una viga sólo 3 de las 6 componentes del tensor tensión son diferentes de cero . a partir de las cuales se pueden calcular las tensiones principales : De donde se sigue que la tensión de Von Mises es: (7) . polímeros y materiales compuestos (o composites). Ejemplos: Hormigón y Acero. Son dureza y resistencia. . Tenacidad.Clasificación de los materiales: Existen muchas formas de clasificar los materiales. Se clasifican en dos grupos: Las que tienen que ver con la resistencia miden la aptitud de los materiales para resistir cargas estáticas o cargas aplicadas a baja velocidad. Propiedades mecánicas masivas: Rigidez. PROPIEDADES MECÁNICAS: Capacidad que tienen los materiales para resistir fuerzas o cargas. Superconductividad. radiactivas y biocompatibles.INGENIERÍA DE MATERIALES (APUNTES) 1. Semiconductividad). magnéticas. oxidación. termoiónicas. La más común los divide en metales. Propiedades superficiales: Comportamiento frente a la fricción. desgaste. Elasticidad. Estos materiales se seleccionan por sus propiedades eléctricas o electrónicas (Conductividad. Otra clasificación los divide en materiales ESTRUCTURALES y en materiales FUNCIONALES. Un material estructural se va a elegir por sus propiedades mecánicas masivas y por sus propiedades superficiales. corrosión. Los materiales funcionales son aquellos cuya producción ponderal es menor que la de los estructurales y cuyo precio unitario acostumbra a ser elevado.. Resistencia mecánica. materiales cerámicos. está correlacionada directamente con el grado de endurecimiento. es decir: DEe=f(gH) Existen ensayos de dureza basados en este principio (devolución de energía). y dimensión de huella. Bajo esta definición la cuantificación de la dureza se realiza sobre la base de la medición de los parámetros de una huella. sólo en su zona elástica (ENSAYO SHORE). que opone un cuerpo a la deformación permanente en su superficie. Existe oto concepto de dureza y es el que se refiere a la capacidad de devolución de energía elástica que tienen los cuerpos. Las que tienen que ver con la deformabilidad del material miden la capacidad para resistir cargas dinámicas sin llegar a romperse ni a deformarse. es decir: H=f(1/h) ENSAYO DE DUREZA BRINELL: En función de la norma. La Ciencia de Materiales restringe algo más el concepto para definirlo como la resistencia. que recoge la información aportada por el ensayo de tracción. Es conocido que de forma relativa para un determinado material. H. de tal modo que dureza. dEe. h. gH. Son tenacidad y ductilidad. De esta definición general se derivan tres tipos de medida de durezas: Resistencia al rayado (Mineralogía): Clasifica a los minerales por la resistencia a rayarse unos a otros (Escala de Mohs). estarán correlacionadas inversamente. la capacidad de devolución de energía elástica. La dureza de un metal se mide por su resistencia a la penetración superficial por otro cuerpo más duro. cuantificada. se puede definir como la resistencia que oponen los cuerpos a la deformación. la forma de expresar la dureza va cambiando: . desde un punto de vista físico. ENSAYOS DE DUREZA La dureza. También existen condiciones imponibles a las muestras. t es el tiempo de aplicación de la carga en segundos. La constante vale 0.806 Inversa de la Aceleración de la Gravedad). La dureza no tiene dimensiones. que relaciona la profundidad de la huella con el diámetro de la misma y con la carga aplicada.X HBW d(mm)/P(kg)/t(s) X es el valor de la dureza del material (escala Brinell) HBW indica ensayo Brinell con identador de carburo de tungsteno. P es la carga aplicada en kg. es necesario multiplicar por una constante de conversión para tener el valor en kg/(mm2). . libres de cualquier resto de grasa u óxido. MEYER demostró que para tener una presión media idéntica en dos huellas hechas por esferas de diferente tamaño debemos tener el mismo ángulo en las esferas (referencia en transparencias de clase). d es el diámetro de la esfera (identador) en mm. que deben estar limpias. Ejemplo: 70 HBW 10/3000/20 Nota: Si realizamos el ensayo con la carga en Newtons. Se utiliza como dato comparativo. Otra de las exigencias es el espesor mínimo de la muestra.102 (=1/9. El área que genera la esfera no es un concepto que exprese perfectamente una presión media por unidad de superficie. que se debe consultar en una tabla normalizada. Buscamos huellas que sean geométricamente semejantes. Estamos midiendo la diagonal (diámetro) del casquete esférico (huella). y a partir de esto calculamos el valor de la dureza. y casi iguales hasta 300. Da una correlación entre los valores de dureza Vickers y Brinell que son iguales hasta 250. Estos resultados de dureza son válidos hasta un valor de 650 en la Escala de Brinell.24*D La distancia entre centros de huellas debe ser alta debido a la acritud o aumento de dureza producido por la deformación en frío del material al generar las huellas.6*D>d>0. A partir de ahí no se puede dar validez a los resultados obtenidos. se amplió el intervalo de la relación d/D a: 0. Sólo . ENSAYO DE DUREZA VICKERS: La huella que deja el identador en la muestra tiene forma de pirámide recta.24 que corresponde a: 0. Se simplifican los cálculos del área de la huella. de la forma: P/D2=k con k=cte. Como esto no es posible de obtener con semejante exactitud por procedimientos convencionales.CARGA DE ENSAYO: Se ha comprobado que la mayor precisión de los resultados se obtiene cuando el ángulo de huella es aproximadamente igual a 136º. Para que exista semejanza geométrica debe verificarse una relación carga-diámetro. y se eligió de esta forma debido a lo siguiente: Se deforma poco el material. El concepto de dureza en este ensayo es igual que en el ensayo Brinell (Relación entre carga aplicada y área de la huella).375. Se dice que “NO SON REPRODUCIBLES”.6>d/D>0. que corresponde a una relación d/D=0. Ejemplo: 100 HV 50/25 El factor de conversión para obtener las unidades deseadas si el ensayo se realiza en Newtons es C=0. para determinar el valor de la dureza hay que aplicar una serie de factores de corrección. HV indica el tipo de ensayo (ensayo de dureza Vickers) P es la carga aplicada en kg. La superficie debe estar limpia (al igual que en el ensayo Brinell) y además el acabado superficial debe ser mayor (PULIDO) debido a que la huella producida por el identador es muy pequeña. t es el tiempo de aplicación de la carga en segundos. Para ello es necesario conocer además que el ángulo entre caras opuestas es de 136º.necesitamos determinar la diagonal del cuadrado (que es la superficie de la huella) para calcular el área de la huella. Si aplicamos el método a una superficie curva. La dureza Vickers viene dada por la expresión: HV=P/A NORMATIVA: Expresión de la dureza Vickers. que será mayor cuanto más blandos sean los materiales.1891. Esto se . Debido a la geometría del identador en el ensayo Vickers. por lo que el valor de la dureza es independiente de la fuerza aplicada. También es necesario un espesor mínimo de la muestra y una cierta distancia entre los centros de las huellas. X HV P(kg)/t(s) X es el valor de la dureza en el ensayo Vickers. las huellas son siempre geométricamente semejantes. . Entre 5kg y 200g. Entre 200g y 10g (Ensayos de Microdureza). El valor de la dureza está relacionado con este parámetro. EN-> Traducción de la Norma Europea. La huella la vamos a generar aplicando dos cargas consecutivas. Ensayos derivados: Existen dos tipos de ensayo (NORMAL y SUPERFICIAL). y también hay varios tipos de escala (véanse fotocopias de transparencias). ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL: La dureza viene expresada en función de la profundidad remanente de la huella. manteniendo siempre aplicada la carga F0. Ahora aplicamos una nueva carga F1 de forma sucesiva. La razón de aplicar dos cargas es la siguiente: La primera carga es pequeña y tiene carácter preliminar.verifica para valores altos de la carga (hasta 5kg). NORMAS: UNE-> Unión de Normas Españolas. Hay dos tipos de identador (cono de diamante y esfera de carburo de tungsteno). Por debajo de este valor las huellas yano son geométricamente semejantes. Después se retira la carga F1 y se produce una cierta recuperación elástica. Sirve para determinar el fondo o inicio de escala (carga F0). La profundidad remanente la vamos a medir en condiciones en las que la primera carga todavía sigue actuando. quedando una profundidad de huella que llamamos h. ISO-> Norma Internacional. y genera una huella con una profundidad h0. Denominamos como valor de la dureza a la diferencia entre la profundidad total de la escala y el valor de la profundidad remanente h.001 dependiendo de la escala. Se elige la escala en función del material a analizar y de las cargas a aplicar. es decir. La primera carga preliminar es idéntica para todas las escalas (fondo de escala igual para todas). Varía por tanto la carga F1. Mayor precisión en la medida que en el resto de ensayos. . que es la segunda carga aplicada. Las escalas A.002 a 0. Dureza Rockwell=N-h/S La lectura que proporciona el durómetro nos da directamente el valor de la dureza. Ventajas: (Transparencia 7c) No-necesidad de medir diámetros. Por lo tanto sólo afecta la suciedad o impurezas de la superficie. N-> Valor de toda la escala. C y D tienen como identador el cono de diamante. Este ensayo nos proporciona una elevada precisión. para poder estudiar la dureza de todos los tipos de material existentes. debido a que la primera carga se aplica para evitar los problemas derivados de la rugosidad superficial. Dicho valor hay que leerlo a partir de la primera carga aplicada. Las escalas están correlacionadas. Además. S=0. no todas las escalas tienen la misma separación. Se han hecho varias escalas para poder “barrer todo el espectro de materiales existentes”. Para este método la rugosidad superficial no tiene tanta importancia como para otros ensayos. aunque el valor corresponde a dividir kg por mm2. También se utiliza para testear materiales cerámicos. llegando al PULIDO metalográfico. Las últimas normas limitan el campo de aplicación a cargas de un valor situado entre 10 y 200 gramos. Etc. El principal inconveniente es que necesitan una gran preparación superficial. Nota: La dureza no tiene unidades. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES ENSAYO DE TRACCIÓN . que son muy frágiles. Esto se hace aplicando cargas muy pequeñas. [ver transparencia 13] En ninguno de estos ensayos son comparables los valores a no ser que se haya realizado con la misma carga. Son ensayos de precisión. es decir. -MICRODUREZA- Este ensayo consiste en generar una huella muy pequeña para medir la dureza de zonas de pequeño tamaño. Se utilizan por ejemplo en metalurgia para evaluar la dureza entre fases diferentes o para analizar la dureza de un recubrimiento (como son los galvanizados). En este ensayo se calcula la superficie a partir de la diagonal principal. Utiliza como identador una pirámide de diamante con ángulos entre aristas de 172º30' y 130º (véanse transparencias de clase). El Vickers utiliza un identador piramidal de base cuadrada. Tenemos dos clases de ensayos de microdureza. ASTM-> Norma americana (entre 1 y 1000 gramos) El otro ensayo es el ensayo knoop. también denominado “acabado especular”. las huellas no son geométricamente semejantes. L0-> Distancia inicial entre los dos puntos de la probeta elegidos para medir. (Véase figura 1) La figura 1 es similar a la que aparece en la parte inferior de la página 115 del libro de Callister. L(mm) [Tensión- . Dicho esfuerzo es un esfuerzo axial de tracción. y la deformación es el alargamiento dividido entre la longitud inicial de la probeta (magnitud ADIMENSIONAL). Existe una relación entre la sección de la probeta y una serie de puntos que se van midiendo a lo largo del ensayo. Las probetas están normalizadas. y también registrar las fuerzas aplicadas (F) y los alargamientos ( L) de la probeta. (Véase la figura 1 en los anexos) El ángulo producido al estirarse la probeta debe ser suave y agudo para que no actúe como concentrador de cargas. Curvas: F(kN)(MPa)Deformación] A partir de la curva FL se dibuja la otra curva (Tensión-Deformación) que representa la carga instantánea dividida por la sección inicial de la probeta.El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta metálica de geometría definida a un esfuerzo suficiente para llevar a la probeta a “rotura”. Para ello necesitamos una máquina (prensa hidráulica) que pueda provocar la fractura en la probeta y permita controlar la velocidad de deformación. El módulo de Young vale igual para cálculos de resistencia a compresión como a tracción. ya que el valor del módulo de Young no depende de la fase. Hay materiales en los que la curva no es lineal en su zona elástica (hoja 6 fotocopias de clase). El módulo de Young es un indicador de la rigidez del material (si aumentamos aumentaremos también la rigidez). ya que una vez cesada la carga el material recupera la forma inicial. Módulo secante: Pendiente de la recta secante entre dos puntos de la curva. Ejemplo: Hormigón. La deformación producida no es permanente. . Hay que determinar el módulo secante y el módulo tangente. Mide la resistencia de los enlaces interatómicos del material. Lo que realmente afecta al módulo de Young es la temperatura (Véanse fotocopias).Esta curva ( ) se denomina “curva convencional”. etc. en el ensayo de compresión se tomarán como negativos los valores de las fuerzas y deformaciones. se mantiene ± constante cuando el material se encuentra aleado. recocido. En ella se aprecian dos zonas claramente diferenciadas: En el primer tramo existe una correlación lineal o cuasi-lineal entre la tensión y la deformación (zona elástica). Por convenio. de si el material está aleado. La constante que correlaciona estas dos variables ( ) a lo largo de la zona elástica se denomina módulo de Young ( ) y es la tg ( es el ángulo entre la curva y el eje de abcisas). desplazando una partícula situada a una altura h a una distancia a de su posición inicial. Al dejar de aplicar una carga. Anelasticidad: La deformación elástica depende del tiempo. Lo mismo ocurre al . Aparece en determinados materiales (obsérvese el caso de los polímeros). Deformación de cizalla: =a/h=tg Tensión de cizalla: =G* (Véase la figura 3) Esta figura es un diagrama de cómo la deformación producida por una tensión de cizalla afecta al material. Esto nos permite obtener una constante a partir de la otra. (Véase figura 2) Esta figura es la misma que aparece en la página 123 del libro de Callister ó en la parte inferior de la página 9 de los apuntes de esta asignatura que se encuentran en la dirección: http://pagina. el material sigue deformándose durante un periodo de tiempo.Módulo tangente: Pendiente de la recta tangente a la curva en un punto determinado. PROPIEDADES ELÁSTICAS: El coeficiente de Poisson relaciona la contracción relativa de una sección transversal y el alargamiento relativo de la sección longitudinal. Nota: En la mayoría de los materiales G"0.de/minasvigo Material isótropo: Es aquél en el cual las propiedades mecánicas son las mismas en todas las direcciones.4* (G es el módulo de cizalla). El límite elástico convencional se calcula trazando una línea inclinada paralela a la zona elástica desde el alargamiento en % que queremos calcular. luego es muy importante definir los límites entre zonas. Se producen unas rayas características en la probeta. Se definen dos límites: el límite superior de cedencia y el límite inferior de cedencia. Nos interesa que la mayor parte de las estructuras no pasen de la zona elástica. con un ángulo de 45º con respecto al eje de tracción. En la zona plástica hay rotura de enlaces y formación de otros nuevos. Estos valores varían mucho según el tipo de material (ver tablas en fotocopias . Límite elástico convencional: Es la carga unitaria definida para la cual se produce una deformación plástica (expresada en %) prefijada. Norma aplicada: EN 10002-1 (1990) La zona de cedencia aparece en los aceros al carbón endurecidos por nitrógeno. ya que tarda un tiempo en recuperar su forma inicial. ya que es este parámetro el que realmente controlamos en el ensayo. Es una medida de la resistencia a la deformación plástica.2%. El límite que separa estas zonas no está definido claramente. El ensayo de tracción fue diseñado para conseguir que la velocidad de deformación sea constante. Es un parámetro de diseño. Es común el límite del 0. En algunos materiales la variación de zonas es muy abrupta (zona de cedencia). Superada la zona elástica se producen una serie de deformaciones que permanecen una vez retirada la carga (zona plástica). Resistencia a la tracción: Es la carga nominal o unitaria máxima que soporta la probeta.eliminar la carga. Su deformación a la fractura es inferior a un 5%. si están aleados. DUCTILIDAD: Medida del grado en que un material es capaz de deformarse plásticamente. esto es: S0/( L0)2=S1/(L1)2=k en general k=5. No depende de S0 ni de L0. si han sido tratados térmicamente.. EFECTO DE RESILIENCIA: Es la capacidad que tiene un material para absorber energía elástica cuando es deformado y de ceder esta energía cuando dejamos de aplicar la carga. [Ver las fotocopias] Nota: El alargamiento depende tanto de L0 como de S0. que lo definimos como energía de deformación por unidad de volumen que se requiere para deformar el material hasta su límite elástico. etc. La propiedad asociada a este efecto es el módulo de resiliencia. ejercicios) Para que dos probetas de distintas dimensiones den lugar a un alargamiento semejante debe verificarse la ley de semejanza geométrica. .L0: Variables (Consultar anexo. que son el alargamiento porcentual de rotura (A) y el coeficiente de estricción (z).65 Entonces se podrán comparar los alargamientos.de clase).c: Parámetros que dependen del material (son constantes) S0. Estricción: Variación de la sección de la probeta por unidades de sección inicial (en %). -LEY DE BARBAa. El opuesto a un material dúctil es un material frágil. Esta propiedad se evalúa por medio del ensayo de tracción mediante dos parámetros. El tercero es altamente deformable pero posee muy poca resistencia. La tenacidad es mayor cuando se alcanza un compromiso entre una buena resistencia y una buena ductilidad. (Ver figura 4 y desarrollo de la expresión) Un material de alta resiliencia necesita un módulo de Young bajo y un límite elástico elevado. . pero poco tenaz. o también como la capacidad de absorber energía plástica antes de fracturarse. Tenacidad: Se puede definir como la resistencia del material a agrietarse rápidamente. luego es muy tenaz. En el ensayo de tracción (ensayo realizado a baja velocidad de deformación) se puede evaluar la tenacidad como el área que hay debajo de la curva . o puede ser resistente pero no ser tenaz. El segundo posee buenas cualidades de resistencia a la tracción y de deformabilidad. Se trata de una energía por unidad de volumen. es por tanto muy dúctil. es muy resistente pero poco tenaz. Un material puede ser dúctil pero no tenaz. El primero posee una elevada resistencia a la tracción (RT ordenada máxima) pero baja deformación. (Ver figura 5) Explicación de esta figura La figura 5 muestra un diagrama en el que aparecen tres tipos de materiales.Matemáticamente este módulo UR se expresa como la integral entre 0 y Y del producto *d y las unidades se expresan en Pascales. En condiciones de aplicación de cargas a velocidades altas hay que recurrir a otros ensayos: Ensayos de flexión por choque con entalla. SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO FCC-----12 BCC-----12 ó 24 según el metal HC-----3 ó 6 según el metal (Fuente: Callister página 163) Acritud: Favorece la inmovilidad de las dislocaciones. Deformación plástica-> Deslizamiento de las dislocaciones. (Ver la figura 7) . El esfuerzo real es siempre creciente. (Curva convencional y curva real en un material metálico. Enmascaración: El no utilizar una tensión real enmascara que el aumento de acritud es continuo en todo el ensayo. R). Las dislocaciones se deslizan por planos de deslizamiento. Los sistemas de deslizamiento vienen dados por un plano de deslizamiento (compacto) y por una dirección de deslizamiento (compacta). que es un estrechamiento en la parte central de la probeta. Véase la figura 6) La curva convencional no nos proporciona información acerca de cómo son las tensiones y deformaciones reales ( R=F/SI.Existen estados más complejos de tensiones. y nos oculta también que para seguir deformando el material es necesario aplicar una carga mayor. A partir del punto de carga nominal máxima se produce la estricción. lo que implica el impedimento de la deformación plástica. L0 la longitud inicial entre marcas. Lo que ocurre es que el área instantánea SI también disminuye. que sin embargo no es el alargamiento remanente entre t1 y t2. . que nos proporciona una información errónea. (LUL0)/L0= L/L0= (deformación convencional) Además. el alargamiento remanente no es aditivo. por eso: (F!/ SI!!)= R! Alargamiento remanente: Es hablar de la deformación convencional multiplicada por cien (en porcentaje). esto es que si para un tiempo t1 el alargamiento es: A1=[(L1-L0)/L0]*100=20% Y para un tiempo t1 tenemos: A2=[(L2-L0)/L0]*100=30% Si realizamos la diferencia A2-A1=10%. A=[(LU-L0)/L0]*100 Siendo: LU la longitud final entre marcas.En la curva Fuerza-Alargamiento. y en mayor medida. la fuerza disminuye después de aplicar la carga máxima (a partir del punto de estricción). Lo que tenemos es: A2-A1=[(L2-L1)/L0]*100 Este resultado es un incremento porcentual de longitud referido a la longitud inicial. Para deformaciones inferiores al 10%. Veamos la relación que tiene esta curva con los valores reales ( RR): R=F/SI=(F*LI)/(S0*L0)=(F/S0)*(L0/L0+ L/L0)= *(1+ ) LI=L0+ L . en caso de no utilizar deformación real obtendríamos 1 y -0. Desde el momento en que comienza la deformación plástica hasta el inicio de la estricción en la probeta.Lo que haremos será definir un alargamiento real. R=[(L1-L0)/L0]+[(L2-L1)/L1]+[(L3-L2)/L2]+. el alargamiento es homogéneo. obteniendo que: R=Ln(L/L0) La ventaja es que si realizamos la deformación a tracción y a compresión obtenemos valores idénticos. Este alargamiento R es igual a la integral definida entre L0 y L de dL/L.5 como resultados...69 a compresión. los valores del alargamiento y deformación real son muy parecidos. pero de distinto signo: Ejemplo: Para un material cualquiera obtenemos 0. que nos permita conocer cual es el incremento de longitud proporcional a un incremento infinitesimal de la tensión para cada longitud instantánea LI. y el volumen de la zona que estamos ensayando se conserva. S1*L1=S0*L0 A partir de la curva FL se determina la curva convencional .69 a tracción y -0. n=Índice de endurecimiento por deformación ó índice de acritud. Esta correlación anterior era teniendo en cuenta que el volumen era conservativo. etc.). CORRECCIONES POR EL CUELLO En la estricción tenemos una distribución triaxial (mayor grado de complejidad) de tensiones. tamaño de grano del material. Log( R)=Log(K)+n*Log( R) .L0]=Ln(L0/L0+ R=Ln(L/L0)=Ln[(L0+ L/L0)=Ln(1+ ) L)/ Desde que comienza la estricción hasta que se produce la rotura habrá que medir la carga aplicada y la sección y longitud instantáneas. N y K son constantes características que dependen del material y de las condiciones del ensayo (Tª. Ecuación de Ludwik (En la zona de alargamiento homogéneo) R=K*(R)N K=Coeficiente de resistencia. lo que nos permite definir la siguiente correlación que sólo se cumple cuando el material es poco sensible a la velocidad de deformación. por lo que hay que hacer una corrección a la curva (Véase fotocopia 11b). La tensión axial en el cuello es ligeramente menor que la que estamos considerando. N disminuye cuanto más resistente sea el material al desplazamiento de las dislocaciones. Es una buena aproximación . A efectos prácticos. Disminuyen el valor de n. para controlar el valor de n en el ensayo controlamos el tamaño de grano... ya que inicialmente es más rápido que al final. el ritmo de acritud no lo es. A partir de la curva real.A mayor valor de n indica un mayor endurecimiento por deformación (acritud) del material. hace que n disminuya. Presencia de fases dispersas: Mayoritariamente es una estructura cristalina con micro ó nanoestructuras de otra fase. Materiales recocidos: n!! M. Esto implica que la tensión necesaria para deformar el material aumenta también. n es igual al valor de la deformación real en el punto de inicio de la estricción.. (Véase figura 8) Aunque la acritud es siempre creciente con la deformación. pero hay otros factores que influyen en n (material con fases dispersas. trabajados en frío: n!! Para conformar los materiales en frío es importante que n sea elevado. En general. endurecimiento por precipitación. FACTORES Tipo de soluto sustitucional: En general los solutos sustitucionales disminuyen el valor de n (son aleaciones). cualquier elemento que aumente la resistencia del material.). haciendo más difícil el movimiento de las dislocaciones. Si el material es muy dúctil. . tendríamos una curva por debajo de la curva real. EFECTO DE LA Tª EN LA CURVA DE TRACCIÓN Interesa por que la curva de tracción se utiliza para el diseño de una pieza de ese material. la estricción es casi un punto. ó que rompe al pasar de la zona elástica. Por eso es interesante saber el comportamiento del material a diferentes temperaturas. mediante la disminución ó aumento de las propiedades mecánicas relacionadas con éstas. Una información similar a la que proporciona n se obtiene mediante la ecuación: n"RC/RM Si este cociente es próximo a la unidad. significa que el material adquirirá mucha acritud al deformarse. mediante el cálculo de determinadas propiedades mecánicas. Estricción: Es el cuello que se forma en el centro de la probeta a partir del punto de carga máxima. La temperatura afecta al material disminuyendo su resistencia y aumentando su ductilidad. etc. ÍNDICE DE ESTRICCIÓN Z=[(S0-SU)/S0]*100 Si tuviésemos en cuenta la carga axial que actúa en la zona de estricción. Si el cociente es menor que la unidad.tomar el valor de n como el valor de la deformación en el punto de inicio de la estricción en la curva convencional. esto quiere decir que el material adquiere muy poca acritud con la deformación.). Cuanto más dúctil sea el material menor va a ser la sección final cuando rompa la probeta. mediante una probeta envuelta en un horno (resistencia. Se pueden realizar ensayos de tracción a altas temperaturas. BCC: Para estos materiales el límite elástico varía de forma significativa. que es igual a la temperatura de ensayo dividida por la temperatura de fusión del material. Lógicamente. Para hacer una buena comparativa de materiales hay que realizarla a una temperatura homóloga. Disminuye n. Aumenta la ductilidad.Si la temperatura aumenta. que sería el límite elástico dividido por el módulo de Young. podemos diferenciar el siguiente comportamiento general (con excepciones): FCC: El límite elástico varía poco y sin embargo el índice de acritud varía considerablemente. podemos decir que: Disminuye el límite elástico. el conformado de materiales en caliente resulta mucho más fácil debido al aumento de la ductilidad. Resistencia a la tracción y dureza . HC (ó HCP): Comportamiento similar al de materiales de estructura FCC. mientras que el índice de acritud apenas varía. Para comparar límites elásticos en materiales sometidos a altas temperaturas hay que utilizar un factor homologado. Si tratamos de ver la influencia de la estructura cristalina. existiendo sin embargo una gran influencia de las impurezas en el comportamiento. Disminuye la resistencia. Propagación de dicha grieta o fisura (es la etapa que determina el modo de fallo). W= Siendo n"2 Ejemplo de curva de tracción (Véase anexo). La ductilidad depende tanto de factores internos como de factores externos. hay que dar un valor promedio con su desviación típica. sencillo y barato). para sobredimensionar el resultado obtenido. Clasificación: Fractura dúctil y fractura frágil. En la tensión de trabajo hay que utilizar un factor de seguridad.Es una correlación aproximada (ver fotocopia 19). Nos sirve para extrapolar valores del ensayo de tracción a partir del ensayo de dureza (más rápido. Para los aceros se da la siguiente correlación numérica (Callister): RM(MPa)=3. Etapas a tener en cuenta: (son 2) Y/n Iniciación de una grieta o fisura. Los materiales metálicos sufren sobre todo fractura por fatiga. Referencia: Anexo (Ejercicios) FRACTURA Por fractura se entiende la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de una tensión a temperaturas que están muy alejadas de la temperatura de fusión del material. De aquí que la clasificación de fractura atendiendo a la .45*HB Al hacer un ensayo varias veces nunca obtendremos los mismos resultados. Ni. Be. el avance de la grieta es lento y existe una deformación plástica apreciable en las superficies de fractura. Cu. W. Al hablar del tipo de material. los factores que condicionan su ductilidad son: Estructura cristalina: (FCC. Mo. Ag. ya que existe una correlación inversa entre ductilidad y tamaño de grano. BCC. Zn. Al. es decir. ya que para seguir creciendo necesita que el esfuerzo (externo) sea cada vez mayor. más fácil será de deformar plásticamente dicho material. Cada estructura cristalina tiene unos sistemas de deslizamiento distintos (Véase hoja correspondiente). y además no existe deformación plástica en el entorno de la grieta. FCC: Au. El tamaño de grano es el único mecanismo que hace aumentar a la vez la ductilidad y la tenacidad de los materiales. Características generales Fractura dúctil: Tiene asociada una gran deformación plástica en el entorno de la grieta (o zona fracturada). Zr. BCC: Fe (puro). Co. HC). la grieta se propaga rápidamente sin necesidad de aumentar el esfuerzo (grieta inestable). a menor tamaño de grano mayor será la ductilidad (y también la tenacidad) para un determinado material.ductilidad del material depende en gran medida de las condiciones de ensayo. Fractura frágil: Una vez iniciada. Bronces y aceros inoxidables austeníticos. Microestructura: Factor importante es el tamaño de grano. Mg. Se trata de una grieta estable. Además. . Cuantos más sistemas de deslizamiento haya. aceros dulces. HC: Ti. Es responsabilidad del ingeniero evitar esto. en muchos casos es una selección inadecuada para una determinada actividad o se debe a un mal diseño. Su prevención es muy difícil de garantizar. El mecanismo por el que se llega a este tipo de fractura incluye otros efectos. A esta tensión se la denomina tensión de cizalladura resuelta crítica. y en cuanto a los polímeros tendremos los dos tipos de comportamiento. CAUSAS Puede deberse a una mala utilización en servicio. La rotura de materiales es un hecho no deseado porque puede producir posibles pérdidas de vidas humanas e importantes pérdidas económicas. Este tipo de fractura es característica de la mayoría de los metales. Esto es válido para cualquier tipo de ensayo (tracción y compresión). En este tipo de fractura. (Véase fotocopia FR4 y figura 9). Existen unas marcas superficiales características. FRACTURA EN EL ENSAYO DE TRACCIÓN Podemos tener los dos tipos de fractura. Los materiales cerámicos van a ser frágiles. la tensión cortante máxima se obtiene cuando los ángulos y son iguales y con un valor de 45º. Mecanismo de la fractura de copa-cono: (Véase fotocopia FR5) . En otros materiales se da la fractura de copa-cono. Dentro de la fractura dúctil podemos tener una fractura muy dúctil (como la del Au por ejemplo). El estudio de las causas de rotura es uno de los problemas principales que tratan hoy en día los ingenieros especializados en metalurgia.La mayor parte de los materiales metálicos son muy dúctiles y tenaces. obteniendo una información en forma de “imagen topográfica”. Estas microcavidades se deben a la descohesión a lo largo de la intercara entre partículas de 2ª fase y la matriz (Ver la figura 10). Existe una comprobación de este fenómeno por medio de la fractografía. en un momento dado. En este caso tenemos la fractura de copa-cono. Se forma entonces una grieta elíptica. las microcavidades crecen. en este caso).La primera etapa es que una vez iniciada la estricción se forman una serie de microcavidades en el interior de la sección de la probeta en esa zona de estricción. que por medio de un bombardeo con haces de electrones provocan una reemisión de electrones secundarios por parte del material. Este ángulo es de 45º porque ahí es donde están situados los planos más activos. Pero la rotura final se va a producir cuando. A medida que continua la deformación. Esta ciencia se apoya en el microscopio electrónico de vacío. que es la ciencia que se dedica al estudio de las superficies de fractura para. y va a llegar un momento en el que se produce una coalescencia de microcavidades. . por rotura de los tabiques de separación de esas microcavidades. en la que una de las superficies de fractura tiene forma de copa y la otra de cono. produciendo las fisuras. cuyo eje mayor es perpendicular al esfuerzo (de tracción. Si nos fijamos en la parte central observamos que ésta tiene un aspecto fibroso muy característico que identifica claramente el modo de fallo. Si el precipitado que se forma es muy grande puede romper. la sección del material no aguante la carga (ya que está aplicada sobre los extremos). que va a seguir creciendo (por coalescencia de microcavidades). poder determinar el tipo de fallo. y rompe de manera rápida por propagación de la grieta alrededor del perímetro exterior de la estricción por tensión de cizalladura. En muchos casos las partículas de 2ª fase forman parte del material o son impurezas. formando un ángulo de 45º con el eje de aplicación de la carga. por medio de una serie de análisis. los que deslizan antes. Este tipo de fallo está asociado a la presencia de impurezas en el límite de grano. los planos de descohesión cambian de un grano a otro (por cómo están distribuidos los planos mejor orientados). Hay unas marcas radiales que nacen del centro de la superficie de fractura y que son típicos de la fractura frágil de los aceros. perpendicular a la dirección del esfuerzo (fotocopia FR4 c). la superficie es muy fibrosa y hay una gran deformación plástica en el entorno. observándose unos huecos alargados que indican los planos de fractura. Como ejemplo tenemos la rotura que se da en los aceros inoxidables austeníticos sometidos a una carga de tracción en un ambiente corrosivo. (Fotocopia FR8) Micrografía de la sección de un acero (con aspecto todavía macroscópico). y que apuntan hacia el inicio de la grieta. porque las microgrietas van atravesando los granos del material. se observa una pequeña deformación plástica. El mecanismo de fallo es el siguiente: En la mayoría de los materiales frágiles la propagación de la grieta corresponde a una sucesiva rotura de enlaces atómicos a lo largo de planos cristalográficos (lo que se denomina como descohesión o clivaje). También son importantes en . A efectos macroscópicos. Este tipo de fractura (por clivaje) es transgranular. La grieta progresa por los límites de grano. Rotura intergranular en materiales frágiles: (FR9). Esto proporciona un aspecto facetado a la superficie de fractura. Volviendo a la fotocopia FR7 podemos ver una zona como granular. En este tipo de fallo. Microscópicamente (fotocopia FR7).(2ª imagen de la fotocopia FR6) Cada hueco se denomina cúpula y corresponde a la mitad de un microvacío. tenemos a nivel macroscópico una fractura que se propaga a través de una superficie prácticamente plana. que debilitan el material. En materiales frágiles. la masa continua su camino hasta llegar a una cierta altura. Para ensayar los materiales en las peores condiciones posibles se crearon los ensayos de impacto. La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del péndulo. a partir de la cual se determina la energía absorbida (FR10). Se medirá la energía absorbida por ese golpe. Estos dos ensayos han sido normalizados y diseñados para determinar la energía de impacto o tenacidad a la entalla. Estado triaxial de tensiones (mediante entalla mecánica). que se define como la energía absorbida por la superficie entallada cuando rompe. Energía absorbida Eabs=(m*g*h)-(m*g*h')=m*g*(h-h') . En ambos casos se romperá una superficie entallada de un golpe dado con una masa-péndulo. Tras la rotura.las fracturas los factores externos además de las cargas. para poder saber en qué condiciones el material presenta fractura frágil. como se puede apreciar en el ejemplo. ENSAYOS DE IMPACTO El modo de fallo en el ensayo de tracción no nos permite extrapolar los resultados a otras situaciones diferentes. El tipo de fallo está condicionado por las condiciones de contorno del material. Velocidad de deformación elevada. Tipos: Ensayo Charpy y ensayo Izod. Estas condiciones son: Temperaturas bajas. que puede tener forma de U o de V.25 mm. A la mitad de la longitud hay una entalla. En el ensayo Izod la probeta está en posición vertical y la carga golpea perpendicularmente a la probeta por el lado de la entalla. V: profundidad=5 mm y rc=1 mm. absorbidos por el ensayo Charpy de flexión por choque con entalla en forma de U o V.5 m/s. Las unidades vienen expresadas en Julios. U: se define una profundidad de 2 mm y rc=0. -cos ) . que varía entre 5 y 5. Eabs=m*g*I*(cos Última norma aplicada: EN 10045-1 Esta norma define una probeta de 55 mm de longitud total y de base cuadrada de 10 mm de lado. En el ensayo viene también normalizada la velocidad de choque Vc.La diferencia entre alturas se correlaciona muy bien con el ángulo que forman el brazo con la vertical en las posiciones inicial ( ) y final ( ) y con la longitud del brazo (I). En esta norma la energía no se define como energía absorbida por unidad de superficie. ya que no se contempla la resiliencia. EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO KU=130 J KV=121 J Nota: Los valores dados son para un caso hipotético. Inicialmente en España a estos ensayos se les denominó “Ensayos de Resiliencia”. La temperatura de transición dúctil-frágil depende de: . Se observa que existe una dependencia de la energía absorbida con la temperatura. correspondiendo el origen de ordenadas con el 0%. pero a distintas temperaturas. A bajas temperaturas tenemos una menor absorción de energía. Hay una influencia importante de la estructura del material en el tipo de fractura. Podemos hacer la misma gráfica pero sustituyendo la energía absorbida por el % de la superficie de fractura dúctil. A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de energía. referimos la temperatura de transición dúctil-frágil a la temperatura para la cual el material absorbe 27 Julios de energía. Cuando no hay transición pronunciada. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo (La distribución de temperaturas debe ser homogénea en toda la probeta). Esto se consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas. En la mayoría de los casos habrá una transición brusca del comportamiento del material a alta temperatura y a baja temperatura. que no aparece en la nueva norma. Lo más importante de estos ensayos es que nos van a permitir determinar la temperatura de transición dúctil-frágil (Su principal ventaja sobre los otros ensayos). Existe lo que se denomina intervalo de transición dúctil-frágil (típico en materiales de estructura BCC). lo que está relacionado con la fractura dúctil. o también a la temperatura para la cual el 50% de la superficie de fractura del material es de fractura dúctil. Condiciones de uso del material: Trabajaremos con el material a una temperatura que esté por encima de la temperatura de transición dúctil-frágil.Una entalla particular es la denominada “ojo de cerradura”. Se obtienen una serie de curvas (fotocopia FR15). lo que está relacionado con la fractura frágil. como son: Composición del material (Estudiaremos los aceros. Esto se utiliza para comprobar la tenacidad de los metales. El oxígeno fragiliza también el acero. Al introducir carbono formamos una solución sólida intersticial (porque los átomos de C son muy pequeños y ocupan los intersticios) [Es un mecanismo de endurecimiento]. Cuanto más aguda sea la entalla mayor será la concentración de las tensiones. Los factores internos. Presentan una transición muy suave.Los factores externos que condicionan el ensayo. y de forma más pronunciada. Esto hace al material menos tenaz. La entalla es un concentrador de tensiones. Determinación del tamaño de grano N=2n-1 n Índice de tamaño de grano ASTM (Va de 2 a 12) N Nº de granos por pulgada cuadrada a 100 aumentos Efecto de la estructura cristalina: Los materiales con estructura FCC son muy tenaces. Fotocopia FR15). SLA-> Aceros de alta resistencia y baja aleación (son aceros ferríticos). fundamentalmente la velocidad de aplicación de la carga y el tipo de entalla. La deformación inducida es más fácil de absorber debido a la gran superficie del límite de grano (de alto desorden). Tamaño de grano: La disminución del tamaño de grano endurece al material y a la vez aumenta su tenacidad. Se . Cuanto más carbono añadimos hacemos más favorable la fractura frágil. Tienen una ITT=-80ºC (ITT=Tª de transición) Esto implica una alta resistencia a bajas temperaturas. Los materiales FCC. Ventajas y limitaciones de estos ensayos Como ventajas tenemos que el ensayo es muy simple (fácil de realizar). . Los materiales FCC serán dúctiles y tenaces para cualquier velocidad de aplicación de la carga y para cualquier temperatura. en condiciones adversas (baja temperatura y elevadas velocidades de aplicación de la carga).utilizan para trabajar a temperaturas criogénicas (como por ejemplo los aceros inoxidables austeníticos). pero en menor medida que otros. y que nos permite determinar la temperatura de transición dúctil-frágil. Los materiales HC tienen un comportamiento similar al de las aleaciones de alta resistencia (poca transición pero baja tenacidad). Materiales dúctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades de aplicación de la carga se comportan como frágiles cuando la temperatura es baja y cuando a temperatura ambiente se aplica la carga a altas velocidades. Los BCC. a pesar de tener más sistemas de deslizamiento. y que es más rápido que el deslizamiento de dislocaciones. Adquiere importancia cuando no hay tiempo efectivo para el desplazamiento de las dislocaciones. Esto significa que la fractura frágil se puede dar con uno o más requisitos. Los materiales BCC presentan sin embargo una transición muy brusca. y también presentan maclado mecánico a bajas temperaturas. a excepción del titanio (muy tenaz). Los materiales HC serán frágiles en prácticamente todas las condiciones (con excepciones). Hay otro mecanismo de deformación plástica en metales. y se denomina maclado. por eso se deforman peor. dichos sistemas son menos activos. presentan maclado activo. En estos materiales se puede dar un maclado mecánico a temperatura ambiente cuando la velocidad de aplicación de la carga es elevada (en los FCC no ocurre). pero no obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es diseñar piezas estructurales. fisuras. etc. ya que: El tamaño de la probeta es independiente del espesor real del material. Concentrador de tensiones: Cuando los teóricos de la mecánica de fractura estudiaron la resistencia cohesiva teórica en un .Como limitaciones tenemos que sólo obtendremos datos cuantitativos que únicamente serán útiles a efectos comparativos (no para el cálculo de piezas o estructuras). etc.) La energía absorbida es igual a la total más la energía de propagación de la grieta.) mediante análisis teóricos y experimentales. La raíz de la entalla puede ser menos severa que una entalla real o defecto similar (poros. con independencia de que la estructura en servicio esté sometida a cargas estáticas o dinámicas. las propiedades del material. grietas. que se llama mecánica de fractura. Las teorías de la mecánica de fractura nos permiten cuantificar las relaciones que existen entre las tensiones aplicadas. microgrietas. La mecánica de fractura es la ciencia que estudia la resistencia de un material a la fractura frágil cuando dicho material posee defectos internos (microfracturas. Para esto se ha creado toda una rama de la ciencia de los materiales. que los datos son poco representativos de las condiciones de servicio reales. Siempre se emplea un carga de ensayo por impacto. la presencia de defectos que producen grietas y los mecanismos de propagación de las grietas. El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material. que están determinados en materiales sin defectos (ya que los materiales de prueba no presentan en general discontinuidades internas). la longitud de una grieta superficial “a”. se define como la mitad de la longitud de la grieta (ver FR16a). y la tensión máxima se alcanza en ambos vértices de la grieta (FR16b). CONCENTRACIÓN DE TENSIONES: Seguiremos el dibujo y las fórmulas que aparecen en esta fotocopia. El primero en postular este fenómeno fue A. Tenemos también una fórmula para determinar el valor de la tensión máxima (ver FR17). Esta nueva distribución de tensiones hace que la tensión máxima . Este mismo efecto de concentración de tensiones se da también en cualquier aspecto de diseño que actúe como tal (presencia de ángulo vivo o rosca). y el fallo suele iniciarse en la zona del material con mayor tensión aplicada.material elástico frágil. se constató que era aproximadamente igual al módulo de Young partido por 10 (=E/10). Si el defecto es un defecto intenso. La mecánica de fractura estudia los materiales frágiles porque en los materiales dúctiles se produce una redistribución del estado tensional cuando el material empieza a deformarse plásticamente. (Fotocopia FR17). donde tenemos la mayor concentración de tensiones. En análisis experimentales se ve que este valor se reduce entre 10 y 100 veces. Griffin. El efecto concentrador de tensión es debido a la longitud de la grieta y al radio de curvatura. Esto se debe a la presencia de defectos internos que pueden inducir la aparición de microgrietas. La tensión a lo largo de la dirección x va aumentando a medida que nos acercamos al vértice de la grieta. Las microgrietas son problemáticas porque actúan como concentradores de tensión en los vértices del defecto. El factor de concentración de tensiones KT se define como la tensión máxima aplicada dividida por la tensión nominal. se comprueba que se . Condición de deformación plana (Figura 11) B"2. es una propiedad mecánica. También se define como el valor crítico del factor de intensidad de tensiones en la punta de la grieta. Geometría de la pieza sólida. definida como la resistencia de una determinado material a la fractura frágil cuando hay una grieta presente. con lo que KC es independiente de B. considerando así que no hay deformación en la dirección de la grieta. En materiales frágiles la rotura sucederá rápidamente. KC. Aparece cuando se realiza el estudio tensional en el extremos de la grieta.5*(KIC/ Y)2 Explicación a la figura 11: Nos interesan las condiciones en las que el defecto es muy pequeño en comparación con el espesor de la probeta. Para probetas gruesas tenemos la condición de deformación plana. y por tanto la propagación de la grieta sea más lenta. y disminuye a medida que B aumenta. La longitud y posición de la grieta. El valor de KC. pero que se propague en un material frágil que contiene un defecto. Su expresión general es: KC=Y* *( *a)1/2 Donde Y es un parámetro sin dimensiones que depende de la geometría de la pieza y de la geometría de la grieta. Experimentalmente. K es el factor de intensidad de tensiones. para probetas delgadas depende del espesor B.no sea tan alta. y depende de: El valor de la tensión aplicada. La tenacidad de fractura. etc. Supongamos que tenemos fijada la tensión aplicada y el material a emplear. que se corresponde con la dirección de avance de la grieta. Otros mecanismos de endurecimiento (especialmente las disoluciones sólidas o las dispersiones de una segunda fase) disminuyen la tenacidad a la fractura. En general interesa estudiar el valor de KC para materiales de ductilidad intermedia. o de desgarre (subíndice=3). (FR20 tabla 6. Los materiales frágiles tendrán valores de KC muy pequeños. El valor de KC depende de la temperatura. como son: . KC suele llevar un subíndice. de cizalladura (subíndice=2). Un material puede estar sometido a diferentes estados de deformación.dan las condiciones de deformación plana cuando se verifica la anterior relación (ver FR19). Esto viene dado por las normas. quedando sólo el tamaño de la grieta (a). velocidad de deformación.5). que puede ser de rotura (subíndice=1) por deformaciones planas. Desde el punto de vista del material. Un menor tamaño de grano aumenta la tenacidad a la fractura. mientras que los materiales dúctiles tendrán un elevado valor para KC. KC se encuentra relacionada sobre todo con el tamaño de grano. Determinación del tamaño del defecto K1C=Y* *( *a)1/2 Lo que hay que determinar en un diseño basado en la mecánica de fractura son tres parámetros (Fijamos 2 y el tercero queda entonces determinado). pero empezará a romperse cuando alcance el valor de KC. En esta tabla aparecen valores normales de tenacidad a la fractura para aleaciones seleccionadas en ingeniería. La determinación de este parámetro se puede realizar mediante ensayos no destructivos (NDE). microestructura. que definió tres condiciones fundamentales para que se produjese rotura por fatiga: Una tensión máxima de tracción de valor elevado. Partículas magnéticas. Esta clase de ensayos permiten determinar el tamaño y la posición de los defectos. Corrientes inducidas. Un ejemplo de fatiga sería un alambre que se doblase continuamente. Líquidos no penetrantes. El primero en estudiar la fatiga fue Wöhler. La fatiga se produce cuando el material está sometido a cargas cíclicas y variables (se repiten a lo largo del tiempo). ya que aproximadamente el 80% de los fallos en servicio de las piezas metálicas son causados por fatiga. . De aquí se deduce que los resultados obtenidos por los ensayos de tracción no nos sirven para poder identificar o determinar este tipo de fallo. Una variación o fluctuación lo suficientemente elevada. Su importancia es enorme. Un número suficiente de ciclos. Gammagrafías. aunque el valor del esfuerzo al que está sometido el material sea inferior a la resistencia a la tracción e incluso inferior al límite elástico. y los cerámicos la soportan muy mal (ya que en general rompen enseguida). FATIGA Es otro tipo de fractura que aparece en los materiales metálicos. También se da en los polímeros. También podemos tener distintos ciclos de carga: . como son la cinética de aplicación de la carga. Los principales son tres. existen varios parámetros a tener en cuenta. La tensión mínima es la menor tensión que se alcanza en la fibra más solicitada. Para simplificar la cinética de aplicación de cargas haremos una aproximación a la realidad aproximando los ciclos de carga a una función senoidal. donde hay que definir una serie de parámetros. La tensión máxima es la mayor tensión que se alcanza en la fibra más solicitada. La tensión media ( M) es la mitad del valor de la suma de las tensiones máxima y mínima. Los enumeramos y realizaremos un estudio básico de este fenómeno. o como el doble del valor de la amplitud de la tensión. A la hora de hablar del ensayo de fatiga.Los mecanismos que influyen en la fatiga son muy complejos. Tipos de ensayo: Simplificaremos el número de ensayos. La amplitud de la tensión ( A) es la mitad del valor de la diferencia entre la tensión máxima y la tensión mínima respectivamente. con una parte a tracción y otra a compresión. Podemos definir como ciclo de carga a la ley de variación de la tensión o esfuerzo a lo largo de un periodo. etc. Es un ciclo sencillo. el tipo de tensiones aplicadas al material. por lo que sólo necesitamos un ensayo. El rango de tensiones ( R) se puede definir como la diferencia entre tensión máxima y tensión mínima. Los resultados obtenidos son muy parecidos en los tres. Ciclo alterno asimétrico: La tensión media es menor que la amplitud de la tensión. Aplicaremos una fuerza de flexión a una probeta que gira mediante cargas aplicadas en los extremos.Ciclo alterno simétrico: En este ciclo la tensión media es igual a 0 ( M=0). puede considerarse que el esfuerzo aplicado es la suma o superposición de una componente estática (igual a la tensión media) y una componente fluctuante o alterna (igual a la amplitud de la tensión. También se puede aplicar a una probeta fijada a un eje (que provoca el giro) con un peso en el otro extremo. Curvas de fatiga de Wöhler: Normalizaremos una máquina de flexión por fatiga para determinar este tipo de curvas. En cualquier caso la distribución de las tensiones es simétrica con respecto al valor de la tensión media. Ciclo intermitente: El valor de la tensión media es igual al valor de la amplitud de la tensión ( M= A). Max= A Min= A Utilizaremos generalmente el ensayo de flexión rotativa (que es el más sencillo). Ciclo pulsatorio: El valor de la tensión media es superior al de la amplitud de la tensión. en las que representaremos la MM+ . En cualquiera de estas situaciones. donde los esfuerzos aplicados varían entre Max y Min. En este tipo de ensayo el ciclo de carga tiene una tensión media igual a 0 (ciclo alterno simétrico). Se suele empezar con valores de tensión máxima o de amplitud de tensión del orden de (2/3)*RT (dos tercios de la resistencia a la tracción del material).amplitud de la tensión frente al número de ciclos necesarios para llevar al material hasta la rotura por fatiga. condicionada por la tensión máxima (esto nos permite obtener el primer punto de la curva). Para las curvas con valor asintótico definiremos el límite de fatiga como la máxima tensión que no produce rotura cualquiera que sea el número de ciclos para el cual existe aplicación de cargas. Este límite de fatiga. Repitiendo el ensayo con probetas idénticas donde sólo variamos los valores de tensión (disminuyendo su valor). Mecanizamos un número N de probetas y sometemos una de ellas a una serie de ciclos con una determinada amplitud de tensión ( A). Esto se suele dar en algunos aceros y en aleaciones de titanio. obtenemos una curva que se denomina curva de Wöhler (se trata de una curva a escala logarítmica). En aquellos materiales que no posean límite de fatiga se define la resistencia a la fatiga como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. En algunos materiales se produce un valor asintótico a partir de un número determinado de ciclos. Cuanto mayor sea la amplitud de la tensión menor será el número de ciclos necesarios para llevar la probeta a rotura. Hay dos tipos diferenciados de curvas. En las curvas correspondientes a otros materiales existe una disminución de la tensión a medida que aumenta el número de ciclos necesarios para romper la probeta. en los aceros. suele estar comprendido entre el 35% y el 60% del valor de la resistencia a la tracción. . en la que se sustituye RM por Re (límite elástico). El fenómeno de la fatiga es un fenómeno para el cual se obtienen resultados con una gran dispersión. y para aleaciones no férreas. según sea el valor de la tensión media (que con el cambio de notación se expresa como Sav). el límite de fatiga para una tensión media igual a cero (Se) y la resistencia a la tracción (RM). El valor de la tensión media afecta a las curvas de Wöhler. la amplitud de tensión (Sa). Otra manera es utilizar aproximaciones matemáticas basadas en la curva de Wöhler determinada en un ensayo para un ciclo de carga donde la tensión media es igual a cero (véase fotocopia FAT7).Las normas definen que para las aleaciones férreas. Experimentalmente podemos hacer una curva para cada valor de la tensión media (ver figura 12). En este tipo de curvas también se define el parámetro vidafatiga. Tenemos dos aproximaciones para poder determinar el valor del nuevo límite de fatiga (Se'). este límite práctico de fatiga se establece para 3*107 ciclos. como el número de ciclos necesarios para producir la rotura a fatiga para un nivel determinado de tensiones. ese nivel de tensión es el correspondiente a 1*107 ciclos. Los resultados obtenidos en los ensayos experimentales se encuentran dispersos en el área comprendida por estas dos curvas. La aproximación de Gerber es de orden 2 (cuadrática). Las curvas dependen del tipo de ensayo. Para los tres tipos principales de ensayo las curvas son muy parecidas. por lo cuál estos resultados se representan mediante curvas de probabilidad. ya que varían el valor del límite de fatiga (las distintas curvas son paralelas entre si). mientras que la de Goodman es lineal (orden 1) y es más conservativa que la primera. ya que es la aproximación en la que suponemos el menor valor del límite de fatiga. Una aproximación todavía más conservativa que la de Goodman es la línea de Soderberg. Estas curvas . y también de la tensión media (para el mismo tipo de ensayo). Las marcas de playa .nos permiten determinar la variación del límite de fatiga dependiendo del valor de la tensión media. en su conjunto. Su análisis fractográfico permite identificar el tipo de fallo. Esta última zona es la zona de fallo final. En un material que ha sufrido un fallo por fatiga se apreciarán dos zonas. Las ecuaciones correspondientes son las siguientes: Aproximación de Gerber: Se'=Se*[1-(Sav/RM)2] Aproximación de Goodman: Se'=Se*[1-(Sav/RM)] Superficie de fractura en fallos por fatiga El aspecto macroscópico de la superficie de fractura en fallos por fatiga resulta muy característico. De todos modos. y puede ser de fractura frágil o dúctil según el tipo de material. La zona de fractura por fatiga tiene aspecto bruñido. Cuando hablamos de las marcas características nos referimos a la zona de fatiga. Además. siempre que detectemos estas marcas sabremos que nos encontramos ante un material que ha roto por fatiga. La superficie de fractura es siempre perpendicular a la carga máxima (la mayor de las tensiones aplicadas). la zona de fatiga y la zona de sobrecarga. como son las marcas de playa y las estrías. También puede darse el caso de que existan fracturas por fatiga que no presenten estas marcas características. como de pulido. Dentro de la zona interna hay dos tipos de marcas características. debido al rozamiento entre las superficies de la grieta. la zona de fatiga corresponde con la fractura frágil (no hay deformación plástica importante). que ha progresado a través del material. Las estrías son de carácter microscópico (observables mediante un microscopio electrónico de barrido) y se corresponden con el avance de la grieta por cada ciclo de carga. tenemos tres etapas. FAT9 y FAT10). que en general aparece en la superficie del material (o de la probeta en el ensayo).son macroscópicas. el número de ciclos de fallo se define como el número de ciclos que se necesitan para iniciar una grieta y propagarla hasta llevar a rotura al material: Nf=Ni+Nd+NF . La forma de detectarlas sería mediante el empleo de ensayos no destructivos (en especial ultrasonidos o partículas magnéticas). La primera etapa se denomina etapa de incubación. Para una amplitud de tensión determinada. que se corresponde con la curva de iniciación de las grietas (Véase figura 13). Cuando aparece una fisura en el material tenemos la zona de dañado. Esta acritud local es en un principio positiva para el material. Resulta importante saber cuando aparecen las fisuras. y se corresponden con el avance de la grieta provocado por el trabajo continuado de la pieza sin que cese la aplicación de la carga sobre la pieza. Estas dos marcas. provoca la fractura del mismo. y mientras no haya fisuración el material soporta mejor la sobretensión sin ningún tipo de perjuicio. y en su entorno acritud. como consecuencia de los esfuerzos que soportan. Etapas en el proceso de fatiga Para todos los materiales. si se encuentran en el material. La curva de fatiga se produce cuando la grieta. se origina deformación plástica. tanto dúctiles como frágiles. Entonces se puede determinar la curva de dañado. Son líneas concéntricas con respecto al punto de inicio de la grieta. definen claramente una rotura por fatiga (ver FAT8. En determinados puntos del material. Por tanto el número de ciclos correspondiente a esta etapa será 0. cuanto más baja sea la temperatura. y será una etapa muy rápida (se corresponde con la rotura del material). que podría tener consecuencias graves. Nd es el número de ciclos de dañado. y se corresponderá con la progresión de las grietas a través del material.Nf es el número de ciclos de fallo. siempre y cuando la probeta no tenga ningún tipo de entalla (concentrador de . Se empieza a apreciar algo de influencia de este factor a partir de unos 30000 ciclos por minuto. De aquí extraemos que la segunda etapa será la etapa de dañado. ya que si podemos registrarla entonces podremos sustituir la pieza a tiempo y evitar así un fallo en servicio. Es importante conocer la etapa de dañado. NF es el número de ciclos correspondiente a la fractura del material y se considera igual a 0. Ni es el número de ciclos para que se inicie la grieta. más alto será el límite de fatiga. La ultima etapa será por tanto la etapa de rotura. que irá desde el inicio de las grietas hasta la rotura del material. La temperatura: Para temperaturas por debajo del ambiente. Factores que afectan a la resistencia a la fatiga Frecuencia de aplicación de los ciclos de carga: Se observa que hasta 10000 o 12000 ciclos por minuto la frecuencia no tiene ningún efecto en el límite de fatiga. en donde se observa que frecuencias tan altas elevan ligeramente el valor del límite de fatiga (hacen al material más resistente). ésta presentará un aumento del límite de fatiga si la comparamos con la misma probeta (del mismo material) pero sin haber sido sometida a la acritud. La presencia de marcas de mecanizado en la superficie del material disminuye el límite de fatiga (porque dichas marcas actúan como concentradores de tensiones y las grietas se inician en donde se concentran las tensiones). ya que las altas temperaturas favorecen los mecanismos de propagación de las grietas.17% de C. Un pulido metalográfico mejorará el valor del límite de fatiga. por encima de la temperatura ambiente.tensiones). En este acero aumenta el valor del límite de fatiga (Se) asociado a un mecanismo de endurecimiento que se hace efectivo a una temperatura que oscila entre 200ºC y 400ºC. debido a que las grietas se inician en la superficie del material. Un caso particular es el acero al 0. A temperaturas altas. el valor del límite de fatiga disminuye. Cuanta mayor rugosidad superficial más bajo será el valor del límite de fatiga. Acritud previa: Si antes de someter una probeta metálica al ensayo de fatiga inducimos una acritud homogénea por algún mecanismo deformador. en cuyo caso el efectos es el contrario (Véase fotocopia FAT15). haciendo más resistente al material. Rugosidad superficial: Se ha comprobado experimentalmente que el acabado superficial de las probetas tienen una influencia considerable en el límite de fatiga. Tensiones residuales superficiales: . y después sometemos la probeta al ensayo de tracción. lo que implica una menor resistencia a la fatiga de los materiales. Esto se debe a que la parte del ciclo que favorece el avance de las grietas es la parte correspondiente a esfuerzos de tracción. Perdigonado o granallado: Consiste en bombardear la superficie del material con bolitas metálicas de pequeño tamaño (perdigones de 0. Condición superficial: Cualquier tratamiento en la superficie del material que modifique su resistencia a la fatiga. Para que se produzca fatiga tiene que haber un valor de tensión de tracción máximo. que inducen una serie de tensiones superficiales de compresión (se denomina “Shot Penning”). Hay procesos de conformado que también inducen tensiones superficiales. mejorando la resistencia a la fatiga de la chapa. Se hacen para endurecer al material (sobre todo aceros). Estado superficial: Las tensiones residuales se miden por difracción de rayos X (su valor máximo es el límite elástico). El mecanismo más efectivo para luchar contra la fatiga es inducir en la superficie del material tensiones residuales de compresión (para evitar el inicio de las grietas). elevando la resistencia a la fatiga del material . Cuanta más tensión residual más ancho será el pico que muestre el difractograma.Las tensiones residuales del material se superponen a las tensiones procedentes del ciclo de carga que actúan sobre las fibras del material (se pueden sumar o contrarrestar dependiendo de si el tipo de tensión residual es de tracción o de compresión).1 a 1 mm de diámetro). Tratamientos de cementación y nitruración: Es otro tipo de tratamiento superficial que aumenta la resistencia a la fatiga. Un tratamiento muy negativo para la resistencia a la fatiga es la decarburización. Revestimientos metálicos superficiales: Pueden ser recubrimientos por deposición (galvanizado) o recubrimientos electrolíticos (cromado. normalmente en forma de V. y se define como el cociente entre Se sin entalla y Se con entalla para un determinado material en un ensayo concreto y con el mismo ciclo de carga. Debido a todo esto podemos concluir que estos recubrimientos producen peor resistencia a fatiga. Es un valor . Tamaños de grano pequeños aumentan la resistencia a la fatiga del material (teóricamente). disminuyendo su resistencia a la fatiga. Sirve para evaluar la efectividad de la entalla en su acción de reducir la resistencia a la fatiga del material. niquelado). o también con entalla circular. Cuando el hidrógeno se recombina en hidrógeno molecular se fragiliza el material (esto se produce sobre todo en los aceros).considerablemente. Sin embargo experimentalmente se obtienen resultados contradictorios. Esto consiste en que el acero pierde átomos de carbono en su zona más externa (como consecuencia del conformado en caliente). Definiremos el factor de reducción a la resistencia (Kf). Esto ablanda la superficie. Queda hidrógeno atómico ocluido en la superficie del material como consecuencia de este recubrimiento. Efecto de los concentradores de tensiones: El efecto de los concentradores de tensiones se estudia mediante probetas entalladas. induciendo una serie de tensiones superficiales de compresión. Tamaño y orientación del grano: Resulta muy complejo de estudiar. Entallas muy agudas producen un efecto en la resistencia a la fatiga mucho menor de lo que cabría esperar. Nivel de tensiones. significa que para materiales que no presentan reducción a la fatiga por entalla tendrán q=0 porque Kf=1. Tipo de material. se observan normalmente dos tendencias: Kf es casi siempre menor que KT. y varía con: La severidad de la entalla. Tamaño de la probeta. .constante para cada material y para cada tipo de entalla. Esto se debe a la variación de KT con respecto a Kf. Esta segunda tendencia explica cómo el concentrador de tensiones reduce el límite de fatiga. en los que M=0. Se comprueba experimentalmente que hay tamaños de grieta (para grietas muy pequeñas o críticas) que no producen nunca rotura por fatiga. Kf/KT disminuye cuando aumenta KT. Cuando se realizan ensayos en condiciones de inversión completa de carga (ciclos alternativos simétricos). Factor de sensibilidad a la entalla q=(Kf-1)/(KT-1) Definido así este factor. Tipo de entalla. debido a la imposibilidad del material para dilatarse y contraerse libremente. Concentradores de tensiones en los materiales: Debidos al diseño de las piezas tenemos las roscas o los ángulos vivos. ya que Kf=KT. tendremos que q=1. Understressing y overstressing: Evalúan el fenómeno de una fatiga previa del material. es decir. Estas tensiones dependen del coeficiente de dilatación térmica ( ). Son tensiones internas de tipo residual (por debajo del límite elástico). cómo afecta la fatiga a una probeta o una pieza cuando éstas hayan sido sometidas a una fatiga previa. del módulo de Young (E) y de la variación de la temperatura ( T): = T con =k-1 *E* Un material que se ve afectado por esta clase de fatiga es el acero inoxidable austenítico. Como concentradores de tipo metalúrgico tenemos las picaduras (marcas de corrosión). debido a que tiene un coeficiente de dilatación alto y además una mala conductividad térmica. las microgrietas. No es necesaria la aplicación de esfuerzos externos. etc. .En materiales muy susceptibles al efecto de la entalla. las interfases en una inclusión dura (aleaciones de Al) y dentro de un material blando. Fatiga térmica: Se produce debido a las tensiones que se originan en el material por las dilataciones y contracciones que ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura. las sopladuras (bolsas de aire dentro del material). lo que conseguimos es que aumente el número de ciclos necesarios hasta romper a fatiga. la amplitud de la tensión que produce fatiga es más bajo. Si no se han producido grietas. Pero si el número de ciclos es lo suficientemente elevado como para producir grietas. A estos materiales. Corrosión: Para un material sometido a cargas y a corrosión tenemos lo siguiente: Si el material es sometido simultáneamente a fatiga y medio corrosivo. si el material tiene límite lo va a seguir teniendo pero más bajo. aumenta entonces su límite de fatiga. debido a que hemos endurecido al material. entonces. Si lo hacemos para una amplitud de tensión determinada.Understressing: Sometemos al material a una serie de esfuerzos alternos variables (ciclos de carga) inferiores al valor del límite de fatiga ( e). y si no lo tiene definido entonces. entonces al someter al material nuevamente a fatiga disminuirá su resistencia a la fatiga (el valor del límite de fatiga disminuirá). Si el material es sometido primero a corrosión y luego a fatiga. entonces hemos endurecido el material. para el mismo número de ciclos. por lo que al someter posteriormente al material a fatiga aumentará su resistencia a la fatiga. los materiales que presentaban un límite definido ya no lo presentan. Esto se debe a lo siguiente: . si los sometemos posteriormente al ensayo de fatiga. Overstressing: Cuando sometemos al material a un número determinado de ciclos a un valor de amplitud por encima del límite de fatiga. primero lo vamos a estudiar para un monocristal y después para un agregado cristalino. aceleran el avance de la grieta una vez formada. MECANISMOS DE REFUERZO DE LOS MATERIALES METÁLICOS Deformación plástica en los materiales metálicos: El proceso por el cuál se produce deformación plástica debido al movimiento de las dislocaciones se denomina deslizamiento. Cuando apliquemos a un material un esfuerzo de tracción o de compresión pura (o de torsión. que es la que permite el desplazamiento de las dislocaciones. La superficie de fractura correspondiente al fenómeno de fatigacorrosión es también muy característica. porque producen defectos en la superficie del material (picaduras o microgrietas de corrosión).Los fenómenos de corrosión aceleran la aparición de las grietas. porque el efecto corrosivo favorece la rotura en el fondo de la grieta. Todas ellas se mueven en respuesta a una tensión de cizalladura aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento (que conforman un sistema de deslizamiento). De la orientación del sistema de deslizamiento. que genera en unas fibras tracción y en otras compresión) tienen una componente de cizalladura. Además. helicoidales y mixtas. Esta componente de cizalladura se denomina tensión de cizalladura resuelta. Para simplificar el estudio del deslizamiento. Veamos ahora la relación existente entre la tensión uniaxial que actúa sobre un cilindro de un metal puro (monocristal) y la tensión . Las dislocaciones pueden ser de borde. como se muestra en la figura 14. que va a depender: De la tensión aplicada. En cada sistema de deslizamiento. La tensión debida al esfuerzo uniaxial y la tensión de cizalladura resuelta es igual a la fuerza en la dirección de deslizamiento partida por el área del plano que va a deslizar. el deslizamiento comenzará en aquel sistema donde R sea máxima (en el sistema . Tensión de cizalladura resuelta A1=A0/cos Entonces: R=FR/A1=(F/A0)*cos cos R= *cos *(cos ) * FR=F*cos Expresión que se conoce como “Ley de Schmid”. y al producto de los cosenos se lo conoce también como “factor de Schmid”. La tensión R será máxima para aquellos sistemas de deslizamiento donde el producto de los cosenos sea máximo: R(Máx)= *cos *(cos )Máx Al aplicar una tensión dada. =F/A0 Además: cos =FR/F R=FR/A1 Cos =F/FN=A0/A1 (esta última igualdad se debe a que el ángulo que forman las normales a dos planos es igual al ángulo que forman los dos planos).de cizalladura resuelta producida sobre un sistema de deslizamiento (véase figura 15). cada plano forma ángulos distintos con respecto a la tensión aplicada. RC= *cos = RC= Y Y=2* Y*(cos )Máx =45º cos45º=0.707 Y*(0. Cuando deslizan muchas dislocaciones a través de un sistema de deslizamiento. En aquellos planos que sean perpendiculares al eje de tracción tendremos que =0 y que =90. Este valor crítico se conoce con el nombre de tensión de cizalladura resuelta crítica ( RC). En aquellos planos de deslizamiento paralelos al eje uniaxial tenemos que =0. Es una propiedad del material (depende de éste). Un cristal se empieza a deformar plásticamente cuando en el material se supera el valor del límite elástico ( Y).707)2=0.5* RC El valor de RC mínimo para que el sistema mejor orientado empiece a deslizar es la mitad del límite elástico del material. . Por lo tanto en estos planos no existirá tensión de cizalladura ni deslizamiento.orientados de forma más favorable) y cuando el valor de la tensión de cizalladura alcance un valor crítico. formando líneas bastante gruesas que se denominan bandas de deslizamiento. y por lo tanto =90 y cos90º=0. que es la confirmación de que los sistemas de deslizamiento se hallan activos (en los planos próximos a dichos sistemas se da este mismo fenómeno). por lo que cos =cos90º=0. llega un momento en el que afloran a la superficie de la probeta. que representa el valor mínimo de cizalladura que se requiere para que empiece a deslizar el cristal. LI/L0=senx0/senxI L0 es la longitud inicial del monocristal. x0 es el ángulo entre el eje de aplicación de la carga y el plano de deslizamiento. los planos de deslizamiento tienden a alinearse perpendiculares al eje de aplicación de la carga. tenemos fijada la probeta a unas mordazas. si tenemos la probeta sometida a compresión. xI es el ángulo que forma el plano de deslizamiento con respecto al eje de aplicación de la carga una vez que acaba la deformación. Reorientación de un cristal durante la deformación plástica: Cuando estamos deformando un cristal según el eje de tracción. . LI es la longitud final del monocristal. El deslizamiento lateral está limitado por dichas mordazas. se comprueba que los planos de deslizamiento se han reorientado de manera que se sitúan paralelamente al eje de tracción. La reorientación de los planos de deslizamiento como consecuencia de ese giro varía directamente con el cambio de longitud que experimenta la probeta. según la siguiente relación. por lo que los planos se ven obligados a rotar para poder mantener centrado el eje de tracción. De igual forma. Los planos situados en el centro de la probeta sufren una rotación pura. Si tenemos un esfuerzo axial.Dependiendo de la anchura de las bandas éstas serán macroscópicas o microscópicas (Véase figura 16). y los planos situados más hacia los extremos sufren rotación y flexión (véase figura 17). el movimiento de las dislocaciones tiene lugar según un sistema de deslizamiento que sea el más favorablemente orientado. el deslizamiento comienza en los sistemas mejor orientados de cada grano. la situación se complica debido a las siguientes causas: Tenemos gran cantidad de granos orientados al azar. el grano se va alargando. Existen interacciones a través de los bordes de grano entre los granos que se deforman. por lo que la dirección de deslizamiento varía de un grano a otro. empiezan entonces a ser activos. y debido a lo anterior (mantienen integridad mecánica). Aún cuando un grano esté favorablemente orientado para el deslizamiento. y por lo tanto empiece a deslizar. que no han empezado a deslizar. Cuando aplicamos un esfuerzo de tracción dado en un material policristalino. ya que alcanzan el valor de tensión de cizalladura resuelta crítica suficiente para empezar a deslizar. La integridad mecánica del material se mantiene precisamente a través de los límites de grano (no se separan ni se deslizan). y al girar. éste fuerza a que los granos contiguos. de tal manera que debido a la cohesión entre los límites de grano. también roten. rotando hacia el eje de tracción. algún sistema que en un principio no era activo. En cada grano. cada grano individual está parcialmente constreñido a la forma que puede asumir debido a la presencia de los límites de grano. sistemas de deslizamiento que no eran activos al principio de aplicar la tensión. Para un agregado policristalino (metal) formado por gran cantidad de granos. Los límites de grano son zonas muy pequeñas. éste no puede empezar a deslizar hasta que los . se sitúa en una orientación tal que se alcance el valor de la tensión de cizalladura resuelta crítica. A medida que desliza.Como consecuencia de esto. La orientación de los granos cuando se aplica un esfuerzo implica que los granos se alarguen. ya que es más probable que se alcance la tensión de cizalladura resuelta crítica al orientarse el grano de una forma más rápida. la orientación de los granos nos permite identificar el tipo de esfuerzo al que ha sido sometido el material (véase figura 19). Debido a esto. Hay un mecanismo de deformación plástica que no vamos a tratar. Este mecanismo es mucho menos importante que el deslizamiento.granos adyacentes y menos favorablemente orientados sean también capaces de deslizar. y perpendicularmente al mismo si el esfuerzo es de compresión. por lo que se observarán bandas de deslizamiento con distintas orientaciones en ese grano. al deformarla observaremos bandas de deslizamiento en cada uno de los granos. en la dirección del eje de aplicación de la carga si el esfuerzo es de tracción. Por eso el límite elástico de un material policristalino es mucho mayor que el de un monocristal del mismo material. todos estos mecanismos conllevan las siguientes consecuencias en las propiedades mecánicas: . Todas las técnicas de refuerzo que estudiaremos se basan en el impedimento al movimiento de las dislocaciones. ya que debe conseguirse que en cada grano haya algún sistema de deslizamiento activo. En general. La deformación plástica de un material será más fácil cuando exista un mayor número de sistemas de deslizamiento. También puede darse la existencia de más de un sistema de deslizamiento activo para un mismo grano. que estarán orientadas en distintas direcciones (véase figura 18). Si tuviésemos una probeta de un material de una misma fase con la superficie pulida. Esto requiere una mayor tensión. o hace falta más tensión para deformarlo. que es el maclado. De esta forma el material no se deforma plásticamente. Fortalecimiento por precipitación. DPF2. Endurecimiento por solución sólida intersticial. Aumento de la dureza del material. La contribución al endurecimiento de cada mecanismo es muy difícil de cuantificar. Los mecanismos de refuerzo son: Endurecimiento por deformación plástica en frío. Fortalecimiento por vacantes. DPF3 y DPF4). En muchos casos los materiales se endurecen por varios de estos mecanismos que actúan simultáneamente. Disminución de la tenacidad. pero se puede dar en otros tipos de aleaciones). Lo que ocurre es que introducimos dislocaciones en el material (generamos nuevas dislocaciones). Endurecimiento por afino o reducción del tamaño de grano. Endurecimiento por solución sólida sustitucional. Endurecimiento por deformación plástica en frío: Se denomina acritud (Ver DPF1. Fortalecimiento por transformación martensítica (lo estudiaremos para los aceros. Aumento del límite elástico. Cuando generamos acritud . Fortalecimiento por dispersión de otras fases en la estructura. Aumento de la resistencia a la tracción (RM). Disminución de la ductilidad. La densidad de defectos (dislocaciones) es del orden de 106. ya que van a tener campos de tensiones enfrentados. Cuando las dislocaciones empiezan a moverse se aproximan unas a otras y llega un momento en el que se repelen. Otro efecto es que las dislocaciones se pueden quedar ancladas en obstáculos (vacantes. que bloquean el movimiento de las dislocaciones.en el material. precipitados. una dislocación puede inmovilizarse por la acción de otras dislocaciones (queda anclada. Si tenemos muchas dislocaciones del mismo signo en el mismo plano. impidiendo el deslizamiento). Por último. cuando se aproximen se van a repeler. que para seguir moviéndose demandarán esfuerzos crecientes.) impidiendo la deformación plástica del material. también se ponen en movimiento las dislocaciones existentes.. En la fotocopia DPF4 tenemos la relación: We(%)=[(A0-AU)/AU]*100 Con A0 área inicial de la sección transversal y AU área de la sección transversal tras la deformación.. Estas dislocaciones se generan a partir de las que ya existían en el material a través del mecanismo de Frank-Read. la densidad de dislocaciones se eleva a 1012. debido a que en el entorno de la dislocación existe un campo de tensiones. Otro efecto que se produce cuando hay muchas dislocaciones es que las dislocaciones de distinto signo (especialmente las de borde) se pueden llegar a anular (este fenómeno ocurre en menor proporción). . mientras que una dislocación de borde negativa genera compresión en la parte superior y tracción en la inferior. Aparte de esto. La dislocación de borde positiva genera tensiones de tracción en su parte inferior y de compresión en la parte superior. lo cuál supone un esfuerzo adicional. porque para pasar a otro grano contiguo.Factores que afectan a la acritud (Véase DPF2): Hay factores tanto internos como externos. Podemos reducir la sección del material mediante una laminación (tensión de compresión) o mediante una extrusión (compresión y cizalladura). y que lleva asociada mayor o menor energía dependiendo del tipo de material). el límite de grano). la dislocación tiene que cambiar de dirección. en primer lugar. el tamaño de grano y la energía de los defectos de apilamiento (es un defecto que proviene de que una dislocación de borde se separe en dos dislocaciones. La interfase de los granos (es decir. donde hay discontinuidad entre los planos de deslizamiento. supone una barrera para el deslizamiento de las dislocaciones. que generan nuevos focos de dislocaciones (es . Si en un límite de grano se quedan bloqueadas muchas dislocaciones. 4) Endurecimiento por reducción del tamaño de grano: Los materiales metálicos son agregados policristalinos formados por granos que tienen una orientación cristalográfica diferente (a pesar de tener la misma estructura cristalina). y lo podemos realizar a diferentes velocidades. El segundo motivo es que el límite de grano es una zona de gran desorden. Por esto a veces la dislocación no encuentra un camino para seguir deslizando y pasar a otro grano. n es un parámetro mecánico con el que cuantificamos la acritud del material (n se obtiene a partir de la ecuación de Ludwik). Con respecto a los factores internos tenemos el tipo de sistema cristalino del material. la naturaleza del esfuerzo y la velocidad de aplicación del esfuerzo son factores externos que afectan a la acritud del material. quedándose entonces bloqueada en el límite de grano. entonces se generan núcleos o campos de retrotensión. El grado de deformación en frío. el grado de pureza del metal. generan nuevas tensiones) por una serie de mecanismos. el requerimiento de radio crítico es cada vez menor. Límite de grano De ángulo grande: Son los que se ven con microscopio.decir. Si la velocidad de solidificación VS es elevada. Las nuevas dislocaciones provocan que se acumule mayor tensión. También se pueden observar al microscopio. pero resulta más difícil de observar que si fuera de ángulo grande. . N=2n-1 La influencia del tamaño de grano en la resistencia del material se puede cuantificar. Gráfica: Cuanto menor sea el grano. donde 0 y KY son constantes. Corresponden a los granos en los que la desorientación cristalográfica es importante. mayor superficie de límite de grano habrá por unidad de volumen. De ángulo pequeño: En estos granos la desorientación cristalográfica es del orden de muy pocos grados. El límite elástico del material varía con el tamaño de grano según esta relación. y d es el diámetro de grano: Y= 0+KY*d-1/2 El tamaño de grano puede disminuir con la velocidad de solidificación. ya que al aumentar la velocidad de solidificación. el tamaño de grano será más pequeño. por lo que cada vez será más difícil que las dislocaciones pasen a otro grano. y más duro será el material. Son muy poco efectivos para el endurecimiento. Otra forma de modificar el tamaño de grano es mediante deformación plástica seguida de un tratamiento térmico. Elementos de aleación: Son elementos que se añaden a propósito al material para modificar alguna de sus propiedades. entonces se genera un campo de deformaciones de tracción a su alrededor. ya que se puede producir recuperación elástica total (véase fotocopia de clases ERTG2). por lo que se suele trabajar con materiales con impurezas o con materiales que tengan elementos de aleación. los metales puros son muy blandos. entonces el campo de deformaciones que se forma alrededor es de compresión. El efecto es prácticamente el mismo si son impurezas o elementos de aleación. defecto lineal que se aprecia con el microscopio óptico. Endurecimiento por solución sólida sustitucional: En general. que son los que realmente dificultan el paso de dislocaciones de un grano al otro. Si el átomo de soluto (minoritario) es de menor tamaño que el disolvente (mayoritario). Si es una dislocación de borde positiva (se representan con . ya que requieren un esfuerzo mayor para poder cambiar de dirección (Consultar el Callister). con líneas paralelas que atraviesan un grano (véase figura 20). También intervienen en el deslizamiento de las dislocaciones. Como consecuencia del proceso de afino. Impurezas: Átomos que no son los mismos que los mayoritarios de la red (disolvente). se observa que las dislocaciones también generan campos de deformación a su alrededor. ya que un material maclado es mucho más resistente que un material no maclado de las mismas características. Estas deformaciones son de tipo elástico.Por lo tanto el endurecimiento viene dado por los límites de grano de ángulo grande. no suelen llegar al 1%. Otros límites que se aprecian en microestructura son las maclas. y si el átomo de soluto es de mayor tamaño que el del disolvente. En la misma fotocopia anterior. Entonces. los átomos de soluto mayores que los de disolvente tienden a ocupar la zona correspondiente a la parte inferior al plano de deslizamiento de una dislocación de borde positiva. y los átomos de soluto siempre van a tener un tamaño algo mayor que el del hueco que ocupan. XI. fig. entonces ocuparán la zona correspondiente a la parte superior del plano de deslizamiento de las dislocaciones. el campo de deformación que generan a su alrededor es un campo de compresión. Endurecimiento por solución sólida intersticial: Se trata de un endurecimiento producido por la formación de atmósferas de Cotrell (véase fotocopia EP6. En nuestro caso. por lo tanto. y un campo de tracción en la parte inferior a dicho plano. disminuir la energía del sistema. A pesar de esto. . y esta segregación se produce de la siguiente manera. contrarrestándose entonces los campos de deformación correspondientes.20). sino la de un intersticio o hueco. Si los átomos de soluto son más pequeños que los del disolvente. que se debe a que la posición que están ocupando no es la de un átomo de la red. entonces los primeros tienden a segregarse en torno a las dislocaciones para contrarrestar los campos de deformación de éstas y. Si los átomos de soluto son mayores que los del disolvente. contrarrestándose así el campo de compresión del soluto con el campo de tracción de la dislocación.el semiplano extra hacia arriba). zona donde está situado el semiplano extra. tienen entonces un campo de compresión en la parte superior del plano de deslizamiento. Los átomos de soluto en una solución sólida intersticial están en los intersticios o huecos de la red. Estos átomos siempre tienen un tamaño muy pequeño en comparación con los átomos del disolvente. mover la dislocación requerirá un mayor esfuerzo cuando hay átomos de soluto de diferente tamaño al del disolvente en su entorno. Se consigue acelerar el proceso de envejecimiento. Los átomos intersticiales característicos en los metales son: C. y dichos átomos de soluto. como muestra la fotocopia XI. pero que no tiene continuidad de un lado a otros de la dislocación. o difundir hacia zonas donde contrarresten otros campos de deformación. Los átomos intersticiales se encuentran en estas zonas en mayor medida que lo hacían los átomos sustitucionales. N. O. Si este envejecimiento se ha producido a temperatura ambiente. Destacan los átomos de N en los aceros. Esta densidad de átomos intersticiales ancla la dislocación . Entonces. disminuyendo el tiempo necesario para que éste se produzca. Para que dos campos de deformación se contrarresten. Si se envejece a altas temperaturas se denomina envejecimiento artificial. El material endurecido de esta manera se dice que “ha envejecido”. y al conjunto de esta dislocación anclada debido a la concentración de átomos de soluto. Nota: Al semiplano extra se le denomina así porque es un plano de átomos extra en el material. para poder disminuir la energía del sistema. H. debido a que difunden mucho más fácilmente. deformar este material en el que se han formado atmósferas de Cotrell será mucho más difícil y requerirá un mayor esfuerzo (es decir. 5) Endurecimiento por precipitación: . Los átomos intersticiales también dificultan el desplazamiento de las dislocaciones. estos tienen que ser de signos opuestos. se le denomina atmósfera de Cotrell. el material se ha endurecido).20. migrar. lo denominaremos envejecimiento natural (ya que hay que dejar tiempo suficiente para que los átomos intersticiales difundan).Estos átomos de soluto intersticiales tienden a segregarse. Hay un campo de deformación. cuando una dislocación se encuentra con el precipitado. Esto último significa que para que una dislocación pueda romper el precipitado y pasar a través de él se necesita mayor energía que la necesaria para atravesar la matriz (las dislocaciones se mueven por tensiones de cizalladura). Este fenómeno se ha confirmado mediante un estudio por microscopía electrónica. que es la suma de dislocaciones. dando lugar a: · Un anillo de dislocaciones alrededor del precipitado. y con módulo de cizalladura G superior al de la matriz. con la salvedad de que cada anillo que se forma en torno al precipitado dificulta cada vez más el paso de las dislocaciones (cada anillo. mayor será su resistencia al paso de las dislocaciones a través del material. Estas partículas duras son de un tamaño nanométrico (no visibles al microscopio óptico). genera un campo de tensiones y bloquea aún más el paso de las dislocaciones). separados una distancia d. no es capaz de pasar a través de él. Cuanto mayor sea el módulo de cizalladura de un material. dificulta el avance de las dislocaciones. hasta llegar un momento en el que se rompe la dislocación. y por lo tanto trata de rodearlo. . · Otra nueva dislocación que sigue su camino por donde venía. Supongamos dos precipitados M y N distribuidos a lo largo de la matriz. En nuestro caso. duras y homogéneamente distribuidas.Este endurecimiento es debido a la formación de una dispersión fina de partículas duras precipitadas. Esto mismo sucede con las siguientes dislocaciones. Esta fina dispersión de partículas pequeñas. para igual fracción en volumen de precipitación. El precipitado puede ser coherente. Esto se debe a que cuando el precipitado es coherente. La energía total que incrementa el precipitado en el sistema es igual a: G=E E = Energía interna. +EMisflit EMisflit = Energía de desajuste (!! si el precipitado es incoherente y !! si el precipitado es coherente).Este mecanismo se autorregula formando un campo de deformaciones cada vez mayor. genera a su alrededor un campo de deformación elástica mucho más severo que si el precipitado es incoherente. La EMisflit nos interesa porque es la que dificulta el movimiento de las dislocaciones. El precipitado incoherente también endurece. A las aleaciones que se endurecen de esta manera las llamamos aleaciones de endurecimiento estructural. o incoherente con la matriz. el número de precipitados es mayor. Este endurecimiento por precipitación se da para precipitados coherentes. . Esta es la causa fundamental de que el precipitado deba ser coherente. Un precipitado es totalmente coherente con la matriz cuando tiene por igual estructura cristalina que la matriz. porque en este caso. semicoherente. pero en menor medida que el precipitado coherente. y se debe a la diferencia de parámetro de red. Entonces la red es continua a través de la intercara entre el precipitado y la matriz. similar parámetro de red e igual relación de orientación cristalográfica. esta solubilidad tiene que disminuir apreciablemente para que se produzca este endurecimiento. ese Cu va a formar una nueva fase ( ). Si cada vez hay menos Cu en . para endurecerse de esta forma. y no puede ser muy alta. sino que se elegirá un punto con solubilidad menor.Las aleaciones. se medirá en la correspondiente “línea de solvus”. con un pequeño porcentaje de Cu. La solubilidad. El tratamiento térmico que permite obtener este tipo de precipitados se denomina bonificado. L+ y + nos da la máxima solubilidad del cobre en la fase para la correspondiente temperatura de 600ºC. Esa solubilidad nunca es a temperatura ambiente. o de los. Nunca se elige una composición en estos materiales que corresponda a la máxima solubilidad. que disminuye apreciablemente al descender la temperatura. donde la solubilidad disminuirá con la temperatura. 2ª Condición: El proceso de precipitación a partir de la solución sólida presenta una secuencia de etapas con formación de fases de transición metaestables (que son las que producen mayor dureza) antes de formarse los precipitados correspondientes a las fases del diagrama de equilibrio. al ir disminuyendo la temperatura. El punto triple entre . necesitan cumplir una serie de requisitos (véase fotocopia EP1). Al disminuir la temperatura. elemento(s) soluto(s) de aleación. PRINCIPIOS GENERALES 1ª Condición: Necesitan una solubilidad moderada y limitada del. (Véase figura 21 Sistema Al-Cu): La fase es mayoritariamente de Al. y es un tratamiento en dos etapas (véase fotocopia EP2): . Una vez que se ha formado este precipitado enfriamos hasta la temperatura ambiente. que no son exactamente la fase . La solubilidad de en es mayor. pero tardaríamos mucho tiempo. Tratamiento de disolución. hay que calentarlo hasta una temperatura tal que sólo quede una fase ( ). Si dejamos la disolución mucho tiempo a temperatura ambiente. Después realizamos un hipertemple (enfriamiento muy brusco). la disolución trataría de ir hacia el equilibrio. sino que es un precipitado anterior a dicha fase. debido a que ya se ha formado el precipitado que queríamos. (Véase fotocopia EP3. Lo que se hace es llevar la temperatura hasta un valor T2 dentro del campo bifásico + (aproximadamente se elevan unos 150ºC) y se mantiene un tiempo suficiente para que se formen precipitados metaestables. Este sistema está fuera del equilibrio. A esta fase que contiene mayor % de átomos de soluto de los que corresponden al equilibrio a esa temperatura se le llama solución sólida sobresaturada. Si se hace todo este tratamiento se puede hablar de maduración artificial. Tratamiento de maduración. de manera que la fase no tiene tiempo para desarrollarse. figura 11.11): Para destruir la estructura bifásica ( + ) con que nos venden el material (a temperatura ambiente). Ahora se hace un segundo tratamiento térmico que se denomina maduración o precipitación. Si se deja la solución sólida sobresaturada a temperatura ambiente hasta que se forme la fase se hablará de maduración natural. sin importarnos la velocidad de enfriamiento. y se acabaría por formar la fase . . descubridor de estas estructuras). Aclaración: En líneas anteriores a la fase se la denotó como fase (a partir de ahora utilizaremos para referirnos a dicha fase). La siguiente evolución es hacia una fase '. Esto ocurrió en 1906 en la localidad alemana de Düren (de donde viene el nombre). Regla de la palanca) es el precipitado de equilibrio de la aleación Al-Cu.Las primeras aleaciones que se endurecieron de esta manera fueron los duraluminios. Primero elevamos la muestra hasta una temperatura en la que sólo exista la fase . A partir de esta solución aparece un precipitado metaestable GP-I (que procede de Guinier Preston. Para endurecerla hay que someterla a un tratamiento de bonificado. En los duraluminios la fase es CuAl2. Esta aleación es blanda. Éste evoluciona hacia otro precipitado metaestable GP-II. Se dice que la fase es igual a CuAl2 porque a temperatura ambiente tiene esta composición estequiométrica. y finalmente el sistema evoluciona hacia la fase estable . de modo que no haya tiempo para . pero no es la que produce el endurecimiento. Antes de llegar a esta fase aparecen precipitados metaestables en la siguiente secuencia: SSSGP-IGP-II ' ( CuAl2) SSS: Solución sólida sobresaturada. La fase minoritaria aparece como fase dispersa en los granos de o en los límites de grano (véase figura 22). que son aleaciones de Al con un 4% Cu y 1% Mg. (Véase ejercicio del duraluminio. Entonces hacemos descender bruscamente la temperatura. La fase mayoritaria (matriz) forma los granos del agregado policristalino. Esta zona de precipitación es totalmente coherente con la matriz. Lo que tendremos entonces será una solución sólida sobresaturada (SSS). que está compuesto por átomos de Cu que se agrupan formando un disco que tiene aproximadamente 2 o 3 nm de espesor y entre 8 y 10 nm de diámetro (véase figura 23). pero a lo largo de las otras caras del disco es coherente. para que esta posición la ocupen átomos de Cu. lo que genera en el entorno un campo de deformaciones elásticas de tracción (como muestra la figura 24). Después de esto elevamos la temperatura dentro del campo bifásico sin llegar a la línea de solvus. En este disco. Esta estructura GP-II es la que produce una mayor dureza en el material. lo que hacemos es desplazar átomos de Al. Esta estructura se . a lo largo de todo el espesor. y esta fase quede disuelta en . Si en el tratamiento de maduración. aparece entonces un nuevo precipitado GP-2 (también denotado por ''). Supongamos que nos quedamos a 180ºC: Partimos de la SSS. Estas zonas se forman sobre los planos (1 0 0) del aluminio. distinta a la de la matriz. el tiempo al que se tiene el precipitado a esa temperatura es lo suficientemente grande. y en realidad se detectan por los campos de deformación que generan a su alrededor. Estos átomos de Cu tienen un radio atómico aproximadamente un 11% menor que el aluminio. pero que tiene estructura tetragonal FCC.que se formen granos de la fase . Estos precipitados se detectan en el microscopio electrónico de transmisión. la intercara es incoherente. en esta estructura tetragonal. hay mezclados átomos de Cu y de Al. En realidad. que también tiene forma de disco. distinta a la de la matriz. de 150 nm de diámetro y 15 nm de espesor aproximadamente. Además. El primer precipitado que va a aparecer es el GP-I (debido al tratamiento de maduración). porque tendremos una composición de elementos de soluto disueltos en el disolvente superior a la solubilidad que indique el diagrama de equilibrio para la temperatura correspondiente. entonces la dureza es máxima. esa temperatura se mantiene tras precipitar GP-II ( ''). Si en lugar de enfriar la aleación. y cuyos parámetros de red son: a=b=4.87 Amstrongs Esta fase tiene un tamaño mayor que la fase previa.04 Amstrongs c=5. Se aprecia que a 190ºC no aparece la fase GP-I. aparecerá la fase de equilibrio (CuAl2). CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PROCESO DE ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN Las primeras fases que aparecen son coherentes. tetragonal y totalmente incoherente con la matriz.06 Amstrongs c=4. En la figura 26 se observa la formación de las diferentes fases según temperatura y tiempo. también tetragonal y totalmente incoherente con la matriz. pero de parámetros de red distintos: a=b=6.08 Amstrongs Si todavía mantenemos el duraluminio más tiempo a esa temperatura. Cuando aparece la fase metaestable GP-II. Esto se debe a que cada precipitado tiene su línea de solvus. mediante un proceso denucleación y crecimiento. se forma otro precipitado '. (Figura 25 o fotocopia EP8): representa la dureza Vickers en función del tiempo de maduración. Las partículas precipitadas que nuclean más tempranamente durante el tratamiento térmico de envejecimiento soncoherentes con la matriz y son fases . pero se van a formar posteriormente fases incoherentes.puede mantener provocando un enfriamiento más o menos brusco para mantener la estructura a temperatura ambiente (para una determinada composición deseada de este precipitado). Cuanto mayor sea la temperatura antes se alcanzará el sobreenvejecimiento. y el pico de dureza será más pequeño. Al-Zn-Mg A todas estas familias de aleaciones se las denomina “Aleaciones de aluminio de alta resistencia”. Esto es atribuido a la pérdida de coherencia de las partículas precipitadas. Si se sobrepasa el tiempo para el cual se alcanza el pico máximo. la dureza empieza a disminuir. Se dice entonces que la aleación se ha sobremadurado o sobreenvejecido (overaging). para poder así reducir la relación S/V (Superficie/Volumen). es decir. Al-Zn. o si se sobrepasa la temperatura. Al-Mg-Si. La dureza y resistencia aumentan hasta alcanzar un valor máximo (denominado pico de dureza) en la gráfica durezatiempo para una temperatura de maduración determinada. Este proceso suele ir acompañado de una aparente coalescencia de los precipitados. Aleaciones de base aluminio que sufren este tipo de envejecimiento por precipitación: Al-Cu. Dentro de las aleaciones de aluminio podemos distinguir dos grupos: . la redisolución de los precipitados de pequeño tamaño y el crecimiento de los granos grandes de precipitado a expensas de los átomos redisueltos (Ostwald Ripening). Altas temperaturas de maduración o prolongadas permanencias a temperaturas inferiores producen esferoidización de los precipitados si estos presentan formas poliédricas.metaestables que pueden formarse más rápidamente que la fase de equilibrio. Este pico ocurre para una distribución y tamaño óptimos y para un grado de coherencia. Cu-Cr. Fe-Ti . Ni-Mo. Estas aleaciones de alta resistencia se usan para fabricar aviones. Otras aleaciones que pueden sufrir este tipo de endurecimiento mediante bonificación son las siguientes (primero se escribirá la base mayoritaria): Cu-Be. Valores fotocopia EP7: R (kg/mm2)= Límite elástico. RY= Resistencia a la tracción. Serie 7000: Aleaciones Al-Zn. Serie 6000: Aleaciones Al-Mg-Si. De moldeo: No tratables térmicamente. cohetes. (O): Recocido de recristalización. (T4): Tratamiento de maduración natural. (T6): Tratamiento de maduración artificial. Cada familia se designa por 4 números: El primer número indica el tipo de elemento aleante: Serie 1000: 99% Al con impurezas de otros elementos. De forja: Tratables térmicamente (por tratamiento de endurecimiento estructural). Serie 2000: Aleaciones Al-Cu... Pb-Sb-Sn Aceros MARAGING: Se descubrieron en 1960. 7) Endurecimiento por vacantes: . Esta adición suele ser de carácter mecánico. ya que por encima de esta temperatura perderían las propiedades de endurecimiento que les confería el tratamiento térmico. Se utilizan en álabes de turbina. para evitar así la pérdida de dureza. unas de las más conocidas son las INCONEL MA 754 (endurecidas con óxido de Ytrio Y2O3). pero deberán ser sometidas a un tratamiento post-soldadura. etc. A las aleaciones endurecidas de esta manera se las denomina ODS (OxydeDisperssion-Strenghed). Sin embargo. 6) Endurecimiento por dispersión de partículas de óxido (Y2O3): Consiste en adicionar a la aleación partículas de óxido de pequeño tamaño. intercambiadores de calor.Son los mas duros. Las aleaciones de aluminio no deben ser soldadas. Por ser un precipitado incoherente con la matriz. el endurecimiento es pequeño. La ventaja es que esta partículas resisten mejor las altas temperaturas. Dentro de las aleaciones de base Niquel. Este endurecimiento se realiza en las aleaciones resistentes a las altas temperaturas. que son fundamentalmente dos: las de base Niquel y las de base Cobalto. Hay algunas que se pueden soldar. con RM"2000 Mpa Tienen estructura martensítica sumada a un endurecimiento por precipitación. por debajo de la temperatura de maduración no se pierden estas propiedades (por lo cual ese es el rango de temperaturas de trabajo de las aleaciones). Se añade en muy pequeña proporción. El límite de utilización de estas aleaciones es la temperatura de maduración. Si tenemos un metal puro y elevamos la temperatura (sin llegar a la línea de líquidus), se generan gran cantidad de vacantes. La formación de vacantes sigue la ecuación de Arrhenius: V=K*e-Q/(R*T) Q= Energía de activación. T= Temperatura de formación de vacantes (K). R= Constante de los gases ideales. Para retener las vacantes se hace un descenso brusco de la temperatura (hipertemple). Así podremos mantener estas vacantes a temperatura ambiente. Las vacantes actúan de forma análoga a los precipitados, pero con mucha menor eficacia que éstos; es decir, son un obstáculo físico para el avance de las dislocaciones, pero en menor medida que los precipitados. Las vacantes también se desplazan, e interactúan con las dislocaciones por un fenómeno de ascenso. En este fenómeno las dislocaciones no se mueven por planos de deslizamiento. Cuando se produce el ascenso de las dislocaciones, disminuye la movilidad de éstas (su posibilidad de deslizamiento es menor). Esto provoca un endurecimiento del material (es más difícil deformar plásticamente el material). Mecanismo de ascenso (positivo): Las vacantes cambian sus posiciones con los átomos del semiplano extra (se produce átomo por átomo). Esto puede concluir con la desaparición de los átomos del semiplano extra (cuando interactúa con muchas vacantes). Este fenómeno se representa gráficamente en la figura 27. El efecto contrario al ascenso positivo de dislocaciones se denomina ascenso negativo. En este fenómeno, lo que ocurre es un alargamiento del tamaño de las dislocaciones al formarse las vacantes, pasando átomos de la estructura del material al semiplano extra (y así se consigue alargar el semiplano, como se muestra en la figura 28). Para que se produzca este fenómeno de ascenso (tanto positivo como negativo) se requiere una activación térmica, es decir, un aumento de la temperatura. También se pueden formar vacantes en un material irradiándolo con partículas de alta energía (neutrones). Esto se da en las vainas que contienen a las pastillas de uranio en las centrales nucleares (se endurecen, pero se reduce su tenacidad). Si tenemos una solución sólida sustitucional podemos crear vacantes haciendo un hipertemple. Si la solución es sólida intersticial, también se pueden formar vacantes pero, con el tiempo, se puede producir un efecto cooperativo entre las vacantes y los átomos intersticiales. Se forma un clúster (condensación) o asociación de vacantes, que son zonas de fácil precipitación. Las vacantes difunden ala misma velocidad que los átomos sustitucionales ("). Podemos concluir que los átomos intersticiales difunden más rápido que los átomos sustitucionales y que las vacantes. Una vez formadas las vacantes por calentamiento e hipertemple, tras un cierto tiempo, las vacantes interactúan con las dislocaciones y forman un clúster. Si el átomo de la red y el intersticial son muy afines químicamente (y sólo en esta situación), éstos tienden a precipitar en los clúster de vacantes, formando un compuesto intermetálico. Si aparecen estos precipitados el endurecimiento es mucho mayor. Esto se da en la ferrita hipertemplada si se deja envejecer a temperatura ambiente (aparecen carbonitruros): ACERO EXTRDULCE. Mecanismo de endurecimiento en el que participan dos efectos: STRAIN AGING Al ver las curvas de tracción de los aceros de muy bajo contenido en carbono se observa este fenómeno de cedencia. Esto se va a dar en aceros agrios en los cuales el contenido en C y N es bajo; en muchos casos, la suma de la cantidad de ambos elementos no supera el 0,005% en peso. La aparición de la zona de cedencia es debida a que se forman atmósferas de Cotrell, previamente a la realización del ensayo, entre estos átomos intersticiales y las zonas de deformación de las dislocaciones. Este esfuerzo (límite elástico superior) es el esfuerzo necesario para desanclar las atmósferas (eliminar o desplazar las dislocaciones de esas zonas donde están concentrados los átomos de soluto intersticial). Para desanclar las atmósferas se requiere un esfuerzo mayor que si no estuvieran actuando los átomos intersticiales. Por eso, una vez desancladas las atmósferas de Cotrell, el esfuerzo necesario para mover las dislocaciones es menor. El tramo ondulado de la zona de cedencia está asociado a la aparición de unas marcas de deformación macroscópicas que aparecen en la zona de deformación de la probeta y que se llaman bandas de Luders. Estas bandas de deformación aparecen en un punto de concentración de esfuerzos, generalmente en la zona de sujeción de las mordazas, y se van propagando a lo largo de ese tramo ondulado hasta cubrir todo el tramo de deformación plástica uniforme de la probeta (véase figura 29). Cuando las bandas han ocupado toda esta zona, entonces continúa la deformación plástica, es decir, que para seguir deformando la probeta hay que aplicar un mayor esfuerzo. Estas bandas de deformación corresponden al desanclaje de las atmósferas de Cotrell. Se van desanclando primero las zonas donde hay menor concentración de esfuerzos, y luego continúa hasta que al llegar a D la liberamos. (Figura 31): Si dejamos pasar tiempo entre estas dos etapas de tracción. Éste es el acero que se utiliza para la carrocería de los automóviles. se forman atmósferas de Cotrell. El 40% del acero que se utiliza en el mundo es ferrítico (%C=0.02%). Este estirado previo hay que hacerlo justo cuando se vaya a realizar la estampación (véase figura 30). Ese estirado previo es suficiente para que no exista deformación en la chapa. las bandas de deformación desaparecen. aparecerán las bandas de deformación. Este fenómeno es importante porque esta deformación también puede aparecer durante el conformado de piezas de acero. con lo que el límite elástico es el mismo que en el caso anterior (D). La volvemos a someter a un esfuerzo de tracción. UNIDAD TEMÁTICA 2 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LOS MATERIALES METÁLICOS . Para evitarlo se hace un estirado previo. Si entre que se hizo la laminación en frío de la chapa y el tiempo que estuvo almacenada se formaron atmósferas de Cotrell.por otras zonas. Partimos de una bobina de chapa laminada en frío (tiene dislocaciones). Concluimos que en el STRAIN AGING intervienen dos fenómenos: La acritud y la presencia de atmósferas de Cotrell. Si volvemos a dejar la chapa en el almacén durante un tiempo más o menos prolongado (pongamos por ejemplo dos meses) volverán a aparecer las bandas de deformación. y el límite elástico que obtenemos es mayor (F). Cuando continúa la deformación plástica (zona en rojo de la figura 29). Las bandas de Luders aparecen en las carrocerías porque se hace estampación. Traccionamos la probeta. El tratamiento térmico para eliminar la acritud de un material metálico o aleación. Las estructuras agrias tienden a evolucionar hacia otras con menor número de dislocaciones. TERMOFLUENCIA. el límite elástico y la resistencia a la tracción. comunicada por calentamiento externo. RECRISTALIZACIÓN DE MATERIALES. El recocido de recristalización provoca un cambio de microestructura que disminuye la dureza del material. y un proceso de difusión de átomos a la temperatura de calentamiento. Cuando un metal. Esto quiere decir que el cambio de . formada a partir de la estructura agria. suficientemente deformado en frío. es sometido a un calentamiento adecuado. El estado agrio supone un aumento de energía respecto a la del agregado policristalino no deformado en frío. es el recocido contra acritud o recocido de recristalización. La recuperación plena de las propiedades está vinculada a la aparición de una nueva estructura de granos regulares. RECRISTALIZACIÓN la deformación en frío confiere acritud a los minerales metálicos. aumenta su ductilidad. e incluso cambia su estructura. CONFORMADO DE MATERIALES EN CALIENTE. se recuperan paulatinamente las propiedades mecánicas que presentaba el metal antes de la deformación. Los cristales agrios no ceden espontáneamente su exceso de energía para pasar a cristales regulares. CONFORMADO EN FRÍO. Para ello se requiere una energía de activación. sabemos que el material ya está deformado porque en la superficie del material aparecen bandas de deslizamiento. no es una estructura agria. Ejemplo: El latón tiene granos equiaxiales. están alargados. (Véase parte de atrás de la hoja 2. continúa la recristalización hasta que todo el material está formado por núcleos de recristalización. Los granos están orientados en la dirección de máxima deformación (es decir. Antes de que se produzca la recristalización en el material. (Hoja 2. ya que son debidas a una gran cantidad de dislocaciones que afloran en la superficie del material. Entre las figuras b y c.microestructura que produce el recocido de recristalización hace que desaparezca la estructura agria y que aparezca una nueva estructura formada por cristales. como se muestra en la figura 32). que recibe el nombre de estructura recristalizada. La figura e corresponde al crecimiento del tamaño de grano de esos núcleos. El material es agrio. En la figura d.1). Si a la vez que el grano está recristalizado mantenemos el tiempo de ese recocido de recristalización. La figura b corresponde al inicio de la recristalización.1 por delante). La figura f indica la estructura final. existe un etapa previa a temperaturas que están por debajo de la temperatura de recristalización. que no es una temperatura constante en el material. se produce un aumento del tamaño de grano. el recocido ha tenido que superar una determinada temperatura. En la figura a. sino que depende del grado de acritud previo al recocido. desaparecerán las bandas de deformación. denominada temperatura de recristalización primaria estática. La figura c muestra los núcleos de los granos recristalizados. Tienen una textura: orientación preferente de los granos dentro del agregado policristalino. Para que aparezca esta estructura recristalizada. sin defectos. donde se da otro mecanismo (o fenómeno) que . y la etapa se denomina etapa de restauración. Únicamente en la recristalización hay una recuperación apreciable de las propiedades mecánicas del material. Esto se puede conseguir a temperaturas por debajo de la temperatura de recristalización. Las tres etapas también se presentan para igual temperatura de tratamiento térmico. De esta manera la temperatura de la probeta se elevará rápidamente. luego la recristalización.se denomina restauración. Las propiedades mecánicas apenas varían. Esto se hace controlando la velocidad de calentamiento del material. esta etapa no se puede eliminar totalmente. De todos modos. Esa estructura cristalina se indica con la familia de planos que se orienta en la dirección de máxima deformación del material. o bien realizando un tratamiento a temperatura de recristalización durante poco tiempo. Durante esta etapa no se modifica la estructura cristalina correspondiente al estado agrio. La etapa posterior a la recristalización corresponde a un aumento del tamaño de grano. y por último se produce un aumento del tamaño de grano. (Fotocopia 2. en esta etapa sólo se recuperan las propiedades eléctricas. Esta etapa se puede eliminar metiendo la probeta en un horno que se encuentre a temperatura de recristalización. Restauración): Es posible tener un recocido de restauración sin llegar a recristalizar el material. Nos referimos a la orientación que adquieren los planos que forman la estructura dentro de los granos. pero es factible conseguir que su duración sea de unos pocos minutos.2. pero en distinto intervalo de tiempo. Primero aparece la restauración. En la etapa de restauración tampoco varían las propiedades mecánicas. . El alargamiento de los granos si que se aprecia. existe una disminución del contenido energético. Durante el recocido de restauración se observa un desprendimiento de energía. las dislocaciones del mismo signo se repelen e impiden que se . como la conductividad eléctrica (que en un principio habría disminuido). Microtensiones: Capas de deformación que hay justo en torno a las dislocaciones. Se obtienen los mismos valores de conductividad eléctrica que había antes de la deformación en frío. Macrotensiones: Tensiones que se inducen en el material mediante esfuerzos mecánicos. Las dislocaciones de borde se colocan unas debajo de otras. Si en el material no hay aparentemente modificación de la estructura. El valor máximo de todas las tensiones internas es el límite elástico.Las texturas cristalinas se identifican con difracción de rayos X. de manera que al final de la reordenación . Se recuperan las propiedades eléctricas porque durante la deformación en frío hay ciertas propiedades que habían variado. Este mecanismo requiere una activación térmica. porque se produce la anulación parcial de campos de deformación de unas dislocaciones con otras (se contrarrestan en parte). Cuando tenemos muchas dislocaciones en el mismo plano. a través de un mecanismo que se denomina poligonización. formando una columna (como se puede apreciar en la figura 33). entonces habrá que preguntarse cómo es posible que se produzca variación de las propiedades del material. Realmente se produce una variación de la estructura. La recuperación de las propiedades mecánicas es mínima. La poligonización es una reordenación de las dislocaciones existentes. Se produce una eliminación de tensiones internas. Con la activación térmica conseguimos que la movilidad sea mayor y. lo que permite una reorientación como la vista en la figura anterior. Otro elemento importante que restaura con facilidad es la ferrita (FeBCC). Lo que realmente varía las propiedades es la aparición de estos subgranos. Depende de la separación que hay entre dos dislocaciones imperfectas. Restauran con poca facilidad aquellos materiales con baja energía de defectos de apilamiento (Ni. Estos subgranos se observan mediante microscopía de transmisión. sobre todo. como el aluminio. La nueva reordenación de las dislocaciones provoca en el material la aparición de subgranos. ABCAB_ABC (desaparición de C) Esto viene de que una dislocación perfecta de borde se separa en dos dislocaciones imperfectas. Cu y austenita [Fe]. que son la frontera (porciones dentro de un grano) entre dos zonas de un cristal que tienen una desorientación entre sí menor de 10º. El defecto de apilamiento es una defecto que se define como una falta de ordenamiento en la secuencia de planos compactos de un material. . conseguimos que se dé el mecanismo de ascenso de dislocaciones.muevan. Van a tener mayor facilidad para este mecanismo de poligonización aquellos materiales que tienen elevada energía de defectos de apilamiento. Síntesis: La poligonización activa el deslizamiento. y además consigue que se produzca el mecanismo de ascenso de las dislocaciones. ambos FCC). que se forman debido al mecanismo de poligonización. el tiempo que tiene que estar este material a esta temperatura.Hay materiales donde ese defecto lleva almacenada poca energía.3). y el grado de acritud previa del material. . Para un grado de acritud determinado en el material. se produce recristalización primaria estática. Ese grado de acritud que es necesario para la recristalización del material a esa temperatura se llama acritud crítica para la temperatura T. Para igual grado de acritud. A mayor impureza de material habrá una mayor temperatura de recristalización. Segunda etapa: Periodo de recristalización (fotocopia 2. En esta etapa. un metal puro tiene inferior temperatura de recristalización que para el mismo material con impurezas. debemos tener en cuenta la temperatura que es necesaria para recristalizar el material. La temperatura de recristalización depende también del grado de pureza. para una temperatura determinada y para un tiempo determinado. Esta temperatura depende del grado de acritud previa. porque durante la poligonización los defectos desaparecen. Al: 200 ergios/cm2 Ni: 80 ergios/cm2 Cu: 40 ergios/cm2 Au: 30 ergios/cm2 Latón: 20 ergios/cm2 Austenita: 13 ergios/cm2 Cuanto mayor energía asociada a este defecto más fácil es que el material poligonice. y otros donde tienen una alta energía almacenada. La recristalización es un proceso irreversible. ya que el estado de recristalización es un estado de equilibrio. No se vuelve al estado agrio. Lo que hay es un cambio de las propiedades y de la estructura (de granos libres de defectos). La estructura cambia a partir de la nucleación y crecimiento de los cristales (granos) del material. La correlación entre tiempos y temperaturas es la siguiente: 1/t=A*e-Q/(R*T) Afecta mucho más la temperatura que el tiempo. no hay cambio de estructura cristalina).A nivel industrial. Por eso es necesario la activación térmica para que la difusión sea importante. que se produce gracias a la difusión atómica. la temperatura de recristalización se corresponde con tratamientos de una hora de duración. Duplicar el tiempo de tratamiento equivale a elevar la temperatura sólo unos pocos grados. La temperatura de recristalización varía en la misma dirección que la temperatura de fusión. Durante la recristalización se recuperan totalmente las propiedades mecánicas y se produce un afino del tamaño de grano. . a no ser que se deforme en frío. La temperatura de recristalización tiene que ver con la temperatura de fusión. La recristalización no supone cambio de fase alotrópico (no hay fusión. Un átomo difundirá más fácilmente cuanto más fuerte sea el enlace. igual que el módulo de Young. La temperatura de fusión es una medida de la rigidez del enlace. Estas dislocaciones desaparecen porque la activación térmica las elimina. que es una porción de esa matriz que se encuentra libre de defectos (sin dislocaciones). Se van incorporando nuevos átomos a la zona libre de defectos (véase la figura 34). y se unen al germen de recristalización. también las zonas donde cambia la fase (límites de fase) son zonas de alta energía.Cuando se ha producido la recristalización total del volumen del material. el tamaño de grano promedio de esa estructura recristalizada va a ser más pequeño. mayor va a ser el número de núcleos de recristalización y. Nucleación de granos recristalizados. Cuanta mayor sea la acritud para una temperatura de recristalización dada y para un tiempo dado. De esto se deduce que la energía inductora de la . Ese tamaño de grano irá aumentando si se mantiene la temperatura de recristalización. de alto desorden (como los límites de grano). por lo tanto. y este movimiento es debido a que los átomos de la matriz agria difunden y atraviesan la frontera entre la matriz agria y la zona recristalizada. Lo mismo ocurre en las zonas de intrusión-matriz. Los núcleos de recristalización se forman en zonas de alto contenido energético. Si hay segundas fases en la matriz. En este mecanismo vamos a necesitar un tiempo de incubación para formar un núcleo recristalizado.3 por detrás). el tamaño de grano es menor que antes de la deformación en frío. (Fotocopia 2. En la mayor parte de los casos la segunda etapa es un mecanismo de nucleación y crecimiento (mecanismo que produce la recristalización). el límite de grano se desplaza. Una vez que el núcleo se ha formado. sin que se lleguen a formar núcleos de recristalización. Influencia de los precipitados De gran tamaño: Las interfases son incoherentes. no se dan zonas de nucleación preferente. Estos impiden el movimiento de las dislocaciones. mayor número de núcleos de recristalización se formarán a una temperatura y tiempo determinados. por lo que no hay una zona de alta energía preferente para la nucleación. también llamado límite de germen recristalizado. ya que al ser coherente el precipitado.recristalización es la acritud. que tienen muy pocas dislocaciones en su interior. Se dan en casos muy raros. Tienen interfases coherentes y semicoherentes. y por tanto impiden que el germen de interfase (límite de fase está formado por conjuntos de dislocaciones). el límite entre el precipitado y la matriz no es un límite de fase. ya que cuanto mayor sea el número de defectos. las zonas de los granos contiguos “que se comen” quedan libres de deformación. desplazan sus límites y se introducen en los granos contiguos más agrios. En cuanto a la nucleación. y por tanto favorece la nucleación. Se producen de . y por tanto campos de deformación elástica elevados en el entorno del precipitado. Favorecen la nucleación y no obstaculizan el crecimiento de los nuevos núcleos. De pequeño tamaño: Estos precipitados tienen un tamaño medio de nanómetros. La interfase es incoherente con la matriz. El tamaño de grano será de micras. Simplemente. y es una zona de alto desorden (elevado contenido energético). Estos precipitados se consiguen mediante un tratamiento térmico de bonificación. lo que ocurre es que algunos granos poco agrios. y en este desplazamiento. Existen otros mecanismos de nucleación: Nucleación de Beck: Empieza muy rápidamente. se desplace. . el tamaño de grano recristalizado y el nivel de acritud que presenta el material previamente a la recristalización. se convierten en núcleos de recristalización. Leyes de la recristalización: (Fotocopia 2. Si el grado de deformación previo del material antes del recocido de recristalización es moderado. y cuando la desorientación supera los 30º-40º. Por el contrario. Nota: Estos dos últimos mecanismos no entran en el examen. Poligonizan con facilidad y por lo tanto forman subgranos antes de alcanzar la temperatura de recristalización. o a temperaturas no tan elevadas pero a tiempos muy prolongados. Estos subgranos tienen un límite formado por pocas dislocaciones que sirven para separar dos zonas cristalizadas con orientación cristalográfica distinta. En aleaciones que poligonizan con facilidad se produce otro mecanismo: La recristalización no comienza de manera rápida.4). en las subjuntas de grano cada vez se separan zonas de mayor desorientación. A medida que sigue activando térmicamente el material. Vamos a analizar la correlación que existe entre la temperatura de recristalización y. para un tiempo de recristalización constante. los granos no presentan orientación preferente.manera conjunta con el fenómeno anterior si por sí sólo es capaz de recristalizar el material. pero tampoco se ajusta al modelo clásico de nucleación y crecimiento. si hay materiales que han sufrido una fuerte deformación en frío y han sido recocidos a altas temperaturas de recristalización. y por lo tanto no hay textura de recristalización. Textura de recristalización previa: Véase la definición en los apuntes. tenemos una fuerte textura de recristalización primaria. y la temperatura de recristalización no es muy alta. y al final el tamaño de grano va a ser mayor porque existirá menor grado de acritud. Para materiales que poligonizan previamente a la recristalización (restauran). es decir. con el mismo tratamiento.Es necesario una acritud mínima (crítica) para poder realizar la recristalización primaria isotérmica de una aleación a la temperatura T. el material va a restaurar igual. y otra con un 40% CW. puede ser que hayamos perdido mucha acritud en la etapa previa a la recristalización. es decir. al aumentar el tiempo de tratamiento isotérmico. disminuye la temperatura necesaria para poder recristalizar. no siempre hay recristalización para una temperatura de recocido. Si el nivel de acritud no es suficiente para recristalizar. Es decir. tendrá menor tamaño de grano la muestra que tenga mayor acritud. Se necesita una acritud mínima. Para una temperatura dada. Lo que pasa es que el aluminio restaura con gran facilidad. y aunque la temperatura aumente muy rápido. Como ejemplo. Para un mismo grado de acritud. La fuerza inductora de la recristalización es la acritud. Supongamos dos muestras de distintos materiales (Cu y Al) con igual nivel de trabajo en frío (40% CW). la que tiene un 40% CW. a una temperatura de 600ºC durante una hora. una con un 20% CW (trabajo en frío). . en principio diríamos que van a tener un mismo tamaño de grano recristalizado. suponiendo que esta temperatura sea suficiente para recristalizar. en las mismas condiciones y para temperaturas y/o tiempos inferiores tampoco recristalizará. el tamaño de grano cristalizado va a ser menor cuanto mayor sea el grado de acritud previa. que la restauración puede llegar a inhibir el proceso de recristalización. Si los sometemos al mismo recocido de recristalización a 600ºC durante una hora. pero para temperaturas y/o tiempos superiores puede ser puede ser o no que recristalice. si tenemos dos muestras de una aleación. Esto endurece al material. Esto se debe a que la formación de los núcleos de recristalización se origina en los límites de grano. una muestra a 600ºC y otra a 400ºC. macla. Por eso la temperatura necesaria para la recristalización es mayor. Cuanto mayor es el tamaño de grano.5% Al. y sobra energía que se engloba en la etapa de aumento del tamaño de grano. Supongamos dos muestras del mismo material (Al)con 40% CW. uno con índice ASTM=2 y el otro tiene índice ASTM=12. a igual temperatura y tiempo. Tendrá mayor tamaño de grano el aluminio del primer caso porque está sometido a una temperatura mayor. Para que tengan el mismo tamaño de grano habrá que realizar una mayor deformación en frío en la muestra que tenga mayor tamaño de grano (por ejemplo 40% CW en la primera muestra y 20% CW en la segunda). y con el mismo grano recristalizado.1/t=A*e-Q/(R*T) Si la temperatura de recristalización es mayor. menor es la relación entre la superficie del tamaño de grano por unidad de volumen. el material recristaliza antes. La temperatura de recristalización disminuye con la pureza del material metálico. Ésta última se considerará como impureza porque el Al se encuentra en forma de solución sólida sustitucional. sometidas a recocido de recristalización durante una hora. porque genera en el entorno del material campos de deformación elástica. La recristalización equivalente es aquella que se hace con el mismo recocido.5% Cu y 0. Se someten ambas a un recocido de recristalización a 600ºC durante una hora. . etc. La figura 35 muestra dos probetas del mismo material con distinto tamaño de grano. Es distinto tener una muestra con 100% de contenido en Cu que tener otra con un 99. que retrasa el movimiento de los límites de grano recristalizados (retrasan la segunda etapa de la recristalización). sabemos que el mecanismo que subyace es la difusión atómica. produce un aumento del tamaño de grano. Siempre que tenemos el término correspondiente a la ecuación de Arrhenius. Características: No aparecen granos recristalizados. En la mayor parte de los materiales la velocidad de recristalización tiene que ver con la ecuación de Arrhenius. Nota: Este tema se estudiará por las fotocopias o por el libro de Pero Sanz. t es el tiempo de recocido de recristalización. XV=1-exp(-B*tK) B y K son constantes independientes del tiempo.Una vez finalizada la recristalización. el mantenimiento de la activación térmica (temperatura).5) relaciona el tiempo de recocido con la fracción volumétrica del material recristalizado (XV). Cinética de la recristalización primaria: La ecuación de Avrami (fotocopia 2. La curva tiene forma de S hasta llegar al 100% de la recristalización. Si representamos XV frente al tiempo obtenemos una curva en forma de S. La velocidad aumenta de forma exponencial a la temperatura. La nucleación es la incubación de los gérmenes de recristalización. Se define por convenio que el tiempo de recristalización va a ser el necesario para obtener el 50% de estructura recristalizada. . exp[-Q/(R*T)]. Esto se hace para minimizar la relación: Superficie del límite de grano/Unidad de volumen. el tiempo de nucleación será menor. Periodo de crecimiento de los granos recristalizados: (Fotocopia 2. Es la tercera etapa que aparece en los recocidos de recristalización.Cuanto más alta sea la temperatura de recristalización. tanto en la de incubación. Si mantenemos la temperatura un cierto tiempo después de haber terminado la recristalización.5 por detrás). Hay casos en los que la recristalización no sigue la ecuación de Avrami: En aleaciones que poligonizan de forma importante antes de recristalizar. el contenido energético total del cristal será menor. Así. .4 por detrás). La ecuación de Avrami no sólo sirve para la recristalización. por lo que se pierde acritud. El efecto de la temperatura influye en las dos etapas. Cuando se dan circunstancias que alejan el sistema del sistema ideal en el que se basa el modelo de Avrami. como por ejemplo para las transformaciones de fase. como en la de crecimiento de grano (se visualizan mejor en escala logarítmica). sino que dicha correlación entre XV y el tiempo valen también para cualquier otra transformación en estado sólido. y también será menor el tiempo necesario para completar la recristalización (fotocopia 2. consiguiéndose una situación de mayor equilibrio. La cinética de recristalización no sigue la ecuación de Avrami. Este modelo ideal supone que el crecimiento de núcleos es continuo y que se produce a igual velocidad en todas las direcciones. Esto produce un aumento del tamaño de grano recristalizado. que es un tamaño de grano estable. los granos grandes van a crecer a expensas de los granos pequeños. Entonces al sistema le resulta más fácil formar maclas de recocido que reducir la superficie del límite de grano. y por tanto dificultan el aumento del . En aquellas aleaciones que no poligonizan con facilidad. En las aleaciones que tienen elevada energía de defectos de apilamiento. éstos contribuyen a fijar el límite. el límite de macla tiene una energía del 20% del límite de grano. En esa etapa de crecimiento del tamaño de grano. y ya no es tan favorable formar maclas desde el punto de vista energético. que desaparecerán. en esta etapa de crecimiento de tamaño de grano se van a formar maclas de recocido. En condiciones en las cuáles los puntos triples (correspondientes a la unión de tres granos) tienen una separación de 120º. Estos límites de macla van a tener un contenido energético muy bajo. del orden de un 5% del límite de grano normal de la estructura. Factores que impiden esta etapa de crecimiento del tamaño de grano: Segregaciones en el límite de grano: Si en el límite de grano hay granos segregados. si aumentamos la temperatura. el sistema vuelve a evolucionar hacia un tamaño de grano mayor. Una vez alcanzado ese tamaño de grano de equilibrio. el contenido energético de los límites es menor (véase figura 37). Esto se debe a que los límites de grano tienden a desplazarse hacia sus centros de curvatura. impidiendo que se mueva.Se observa que para una temperatura dada se alcanza un tamaño de grano de equilibrio (el aumento de tamaño de grano se detiene). Este nuevo aumento de tamaño de grano estará más favorecido a medida que los tamaños de grano son más diversos (Véase figura 36). ).tamaño de grano. Este crecimiento de grano en la tercera etapa no es indefinido. que produce un . El tratamiento que elimina la acritud de los materiales es el recocido de recristalización. el diámetro medio de grano estará limitado por el tamaño (véase figura 38). RECRISTALIZACIÓN SECUNDARIA Hay un crecimiento discontinuo del tamaño de grano.. Los átomos que se suelen segregar en los límites de grano son los de pequeño tamaño (C. Los granos secundarios no proceden de una nueva recristalización. El crecimiento de estos granos llega a producir una pronunciada textura.. Suelen tener orientaciones cristalográficas que difieren mucho de la textura media de recristalización primaria. Si tenemos texturas de recristalización primaria muy pronunciada también se impide el crecimiento continuo en esta etapa. Para que se produzca es necesario sobrepasar una cierta temperatura mínima. Presencia de fases dispersas de pequeño tamaño. pero también existe otro tratamiento.. N. que se denomina textura de recristalización secundaria (véase figura 39). debido a que existe una fuerte inhibición del crecimiento continuo de grano. Son granos recristalizados que crecen desproporcionadamente a expensas de sus vecinos (CRECIMIENTO CANIBALÍSTICO). S. que en estructuras de poco espesor de la chapa. porque para una temperatura dada hay un tiempo para el cual se alcanza un equilibrio. se produce un cierto alargamiento. Pequeño espesor de la muestra: A pesar de que la estructura inicial es equiaxial. que es el recocido de restauración. Cuando hablemos de procesos de conformado por deformación plástica.13). entonces la longitud de la preforma se alarga. Es un tratamiento viable solamente en aquellas estructuras que poligonicen con facilidad. y como el volumen tiene que mantenerse constante. así no se parecen a las placas o a las hojas. Las temperaturas de restauración son más bajas que las de recristalización. Consiste en martillear (golpear sucesivamente) una preforma metálica. se denomina lámina. la forja se realiza mediante el empleo de una matriz o dado. a través de la cuál aplicamos el esfuerzo de compresión. . También se puede variar la forma de las preformas laminadas mediante un rodillo especial. La preforma tomará entonces la forma del hueco de la matriz. y el tiempo suele ser más prolongado. consiguiendo una reducción de espesor en el material. sin que ésta llegue a recristalizar. Si el espesor es menor de 6mm se denomina hoja. Si esa sección tiene más de 6mm de espesor. Ahora. Laminación: Consiste en pasar una preforma metálica a través de dos rodillos que giran en sentidos opuestos. estaremos hablando de procesos de hechurado que cambian la forma del material metálico por deformación plástica.ablandamiento en la estructura agria. DEFORMACIÓN A ALTA TEMPERATURA (Fotocopia 2. Lo que vamos a cambiar es la forma de una preforma metálica: Forja: Es el proceso de conformado más antiguo. De esta manera se está aplicando un esfuerzo de compresión al material. La anchura prácticamente no varía. Es un recocido que se da normalmente entre etapas de deformación en frío. se llaman restauración y recristalización dinámicas. Así se consigue reducir la sección de la varilla. aplicando un esfuerzo de tracción desde el extremo de salida. y el endurecimiento es consecuencia de esto. Trefilado: Consiste en forzar una varilla o alambre a pasar a través de una matriz agujereada. Por otro lado. entonces se denomina estirado. y la reducción de sección es secundaria. Si lo que se busca es reducir la sección de la varilla. en el material se van a dar los mecanismos de restauración y recristalización (que aparecían en los recocidos de recristalización). . pero que aquí aparece en los procesos de conformado. Con este tipo de conformado obtenemos secciones huecas o sólidas que se denominan “perfiles de extrusión”. y por lo tanto la densidad de defectos es baja (materiales poco agrios). Si lo que se busca es endurecer la varilla. y aplicándole una presión por un lado. debido a que se le somete a una serie de esfuerzos de distinto tipo. CONFORMADO EN CALIENTE Consiste en someter al material a procesos de deformación drástica a elevadas temperaturas.Extrusión: Consiste en introducir una preforma en forma de barra o lingote en un contenedor. y como consecuencia de la temperatura a la que se produce el proceso. y por tanto se está induciendo acritud en el material. al proceso se le denomina trefilado. Esta operación de conformado es la única de las cuatro que se realiza en frío. Por un lado se está induciendo deformación al material. El material que va a ser conformado en caliente es un material que viene generalmente de un proceso de solidificación. obligarla a fluir a través de un conducto. y cuando estos mecanismos aparecen de forma simultánea al proceso de deformación plástica. Esto ayuda a disminuir el estado tensional interno. durante la etapa de restauración se produce una desaparición de las dislocaciones de forma importante como consecuencia de la elevada temperatura y de las fuertes tensiones que se aplican. y otro de eliminación de defectos (recristalización y restauración dinámicas). es decir. En caliente. pero además. En la deformación en frío hay que aumentar la tensión para seguir deformando el material. generando subgranos. y así se pueda producir la restauración y recristalización dinámicas.En el conformado en caliente compiten entonces dos mecanismos antagónicos. a partir de un determinado nivel de deformación. . el material es más dúctil que en frío. mientras que en la deformación en caliente se puede deformar a tensión constante. Este conformado en caliente se produce a una temperatura bastante elevada. Restauración y recristalización dinámica: Cuando hablábamos de restauración estática veíamos que el mecanismo que subyacía era la poligonización. el material se deforma plásticamente sin adquirir acritud. que se basaba en el ascenso de dislocaciones.5*TF. para que el hierro difunda de forma apreciable. y por lo tanto resulta más fácil deformar en caliente al material que deformarlo e frío (véase figura 40). Se necesitan altas temperaturas porque solamente a temperaturas superiores a la mitad de la temperatura de fusión tendremos el fenómeno de autodifusión (difusión del átomo mayoritario en caso de solución intersticial) a velocidades apreciables. al aplicar una tensión constante. Llega un momento en el cual se establece un equilibrio tal que.75*TF). En la restauración dinámica también tenemos esto. que en los aceros. Debido a este efecto cooperativo se producen conjuntamente los mecanismos de deslizamiento normal y deslizamiento cruzado que hacen disminuir el número de dislocaciones. es necesario que T"0. normalmente superior a tres cuartos de la temperatura de fusión (T"0. Uno de creación de defectos (acritud). éste tiempo es suficiente para que el material restaure dinámicamente en la zona de deformación plástica. con una menor probabilidad de que el material se agriete (y rompa). Compararemos extrusión (que implica elevadas velocidades de deformación) con laminación (que implica bajas velocidades de deformación) en materiales con elevada energía de defectos de apilamiento (como la ferrita y el aluminio). aunque la velocidad de deformación sea elevada y haya poco tiempo para que poligonice. Una vez pasada la zona de esfuerzos. y por tanto. Una curva de deformación se hace para temperatura y velocidad de deformación constantes. el material sigue caliente. los resultados van a depender sobre todo de la velocidad de deformación. es decir.Esta restauración dinámica es mucho más efectiva que la estática porque además de poligonización tenemos mecanismos de desaparición de defectos. se produce restauración dinámica. o disminuir la temperatura a nivel de tensión constante. podemos obtener iguales niveles de deformación aplicando una tensión mucho menor que en frío. Además. siguiendo los mismos mecanismos. esto significa que el material sigue teniendo acritud. ya que no la pierde totalmente durante el proceso de deformación. y por tanto. Si el material restaura o recristaliza pasada esa zona de deformación. Para obtener velocidades de deformación elevadas podemos aumentar el valor de la tensión para igual temperatura. que poligonizan con mucha facilidad. . Tenemos que independientemente de la velocidad de deformación. Cuando se producen conjuntamente estos mecanismos de acritud y de restauración y recristalización dinámica. La recristalización dinámica es exactamente igual que la recristalización estática. para esta clase de materiales puede producirse restauración dinámica. aunque la temperatura sea elevada. si no recristaliza en una etapa. sin llegar a restaurar. un material de esta clase recristalizará dinámicamente. Sin embargo en la laminación. por lo que. aquí es muy importante la velocidad del proceso. Si tenemos una etapa de alta velocidad y altas tensiones de deformación. si la velocidad del proceso es lenta. . o tras un tiempo posterior a la salida de esa etapa. Para materiales con baja energía de defectos de apilamiento (mayor dificultad para poligonizar). Nota: La situación final del material tras el conformado en caliente es de un material recristalizado.El nivel de acritud con el que sale el material de la zona de deformación no es el mismo. se eliminan más defectos durante la restauración. En los procesos de deformación o conformado en caliente tenemos tres variables implicadas: Las tensiones aplicadas. por lo que es más difícil que alcance el nivel de acritud mínimo para recristalizar. A la salida. lo normal es que recristalicen dinámicamente. en el material que menos tiempo ha tenido para poligonizar (eliminar defectos). De hecho. la velocidad de deformación y la temperatura de conformado. Sin embargo. caso de la extrusión. y por lo tanto su nivel de acritud es menor. se amplía el número de etapas para conseguir que el material recristalice. pasa directamente a recristalizar (porque son más agrios). por lo que los fenómenos extra implicados en la restauración dinámica tienen mayor relevancia. La restauración será dinámica porque el material tiene dificultades para poligonizar. Existe una relación para estas variables que se denomina “Ley general del comportamiento en caliente” (fotocopia 2. También se obtiene la energía de activación del proceso. Síntesis: Para el conformado en caliente. . un aumento elevado de la velocidad de deformación no implica un elevado aumento de la tensión de deformación.2. porque afecta a la correlación de las variables (fotocopia 2. Para deformaciones: 5>>0.15). El nivel de deformación del material tiene poca influencia.15): A*(sh * )K=*eQ/(R*T)=Z A la segunda parte de la igualdad se la denomina Z. y se llama parámetro de Zener-Hollomon. A temperaturas: T>0.75*TF. hay que tener en cuenta el diámetro de grano. es la tensión constante para la cual el material se deforma sin generar acritud (depende de la temperatura y de la velocidad de deformación). Cuando el tamaño de grano es muy pequeño. Una vez alcanzado el equilibrio. El mecanismo último que subyace en la recristalización es la difusión atómica. La ecuación que relaciona la tensión con la deformación en el conformado en frío es la ecuación de Ludwick: V=K* N Para cada tensión de fluencia aplicada (constante) se puede despejar la velocidad de deformación y ver la relación existente entre velocidad de deformación y temperatura. Si tenemos recristalización dinámica las curvas son diferentes si se da la relación: "(Ln[Z]/" )<2 La ecuación del conformado en caliente sirve también para la recristalización dinámica. y por tanto la acritud. El nivel de tensión en las dos zonas aumentará al disminuir la temperatura. donde lo que varía es la energía de activación del proceso. A velocidades de deformación: 10-2s-1<<5*10-2s-1. A mayor velocidad de deformación. para que la temperatura sea la misma. Re/5: Corresponde a los valores de la zona de tensión transitoria a bajas temperaturas y velocidades de deformación elevadas. la zona transitoria corresponderá a valores en torno a la 1/50 parte del límite elástico. será necesario aplicar menor tensión. para llegar a la misma velocidad de deformación.16). Si mantenemos constante la velocidad de deformación y variamos las temperaturas del proceso: A mayor temperatura. (Fotocopia 2. A mayor velocidad de deformación mayor tensión de fluencia estacionaria y mayor tensión en la zona transitoria habrá. Los valores de tensión en la zona transitoria se mueven en el intervalo: Re/50" TRANS" Re/5 Re/50: Para bajas velocidades de deformación y altas temperaturas. habrá que aumentar la tensión. . en las que hay que aumentar la tensión del material. Antes de alcanzar restauración y recristalización dinámicas existen unas zonas de régimen transitorio. Tenemos una zona de aumento de la tensión hasta llegar a una zona de tensión constante que es la tensión de fluencia en caliente. La formación de subgranos es el mecanismo que elimina los defectos. y la densidad de dislocaciones es constante. Cuanto menor es la velocidad de deformación hay más fluctuaciones en el material. Esto significa que a lo largo de todo el proceso se mantiene la estructura agria del material. Curva de restauración dinámica (Figura 41).Una vez que se alcanza un máximo de tensión se produce una pequeña caída de ésta (debido al ablandamiento por recristalización dinámica). Curva de recristalización dinámica (figura 42). debido a las tensiones. Los granos se alargan en la dirección de máxima deformación del material. Al mismo tiempo. La recristalización empieza . que provocan una disminución del contenido energético del material (se contrarrestan los campos de deformación). Esto se debe a la falta de homogeneidad del proceso. y después se alcanzará la tensión de fluencia. aumenta la densidad (el número) de dislocaciones. En la curva podemos delimitar dos zonas: Una zona de transición y otra que es la zona de fluencia en caliente. Tampoco hay formación de subgranos. Se produce la formación de subgranos (estructura de celdillas dentro de un grano formada por apilamientos de dislocaciones). Desde el inicio de la deformación tenemos restauración dinámica (con formación de subgranos). A partir del valor de tensión de fluencia hay un equilibrio. La microestructura del material no varía. aproximadamente para un valor de deformación en el material de un 70% del valor pico (deformación máxima). Hay una zona de caída de tensión que va desde el 70% del pico hasta la zona de tensión constante, en la que hay simultáneamente restauración y recristalización. La zona de tensión constante corresponde a un proceso de recristalización. En todas las zonas con restauración seguimos manteniendo las características microestructurales del material (estructura agria), ya que no hay equilibrio en el material. A partir de la zona de fluencia tenemos una estructura de granos recristalizados, equiáxicos, con un tamaño medio constante. Cuando lleguemos a la zona de tensión de fluencia, se alcanza el equilibrio para un determinado porcentaje del volumen del material (es decir,no implica que se produzca la recristalización del 100% de la estructura). En este estado estacionario el material no adquiere acritud. En el conformado en caliente, para llegar a una determinada reducción de la chapa de partida, si el tiempo y la temperatura que tenemos entre dos pasadas de laminación en caliente son suficientes, se sigue produciendo recristalización estática, sobre todo cuando ya teníamos recristalización dinámica. Si el tiempo o la temperatura entre dos pasadas son excesivamente elevados, vamos a tener recristalización estática, y además un aumento del tamaño de grano. Esto hay que controlarlo, ya que un excesivo tamaño de grano puede provocar una disminución de las propiedades mecánicas del material. TEMPERATURA EN LOS PROCESOS DE CONFORMACIÓN EN CALIENTE (Fotocopia 2.16 por detrás). TCC>(2/3)*TF LÍMITE SUPERIOR DEL TRABAJO EN CALIENTE. Si un material funde a 1100ºC podríamos pensar que a mayor temperatura, menor tensión habrá que aplicar, pero corremos el riesgo de acercarnos en exceso a la temperatura de fusión del material. Este riesgo consiste en la aparición de zonas segregadas de punto de fusión más bajo que el del material, que pueden fisurarse. Segregación: Heterogeneidad en la composición química (véase figura 43). En la figura 43, la fase del primer líquido que solidifica tiene la composición m. El material se sigue enfriando y cambia su composición a medida que solidifica . El líquido tiene la composición de la línea de corte entre las zonas [ +L] y [L]. En la solidificación de equilibrio, la fase tiene la composición del punto k, correspondiente al límite de las líneas de solvus, y el líquido tiene la composición del punto eutéctico. En una solidificación real hay heterogeneidad de composiciones, debido a que no hay tiempo suficiente para que se produzca una solidificación homogénea. A esta heterogeneidad se la llama microsegregación porque los metales que tienen punto de fusión más bajo tienden a desplazarse hacia la parte externa del grano (Véase fig. 44). Estas zonas que tienen menor punto de fusión pueden fundir a menor temperatura. Las zonas externas de los granos tienen entonces un punto de fusión más bajo que las zonas más centrales. Si se utiliza una temperatura próxima a la del punto de fusión se puede producir una fusión intergranular del material, y la consecuencia es que el material funde en la zona intergranular y pierde su consistencia mecánica. A este fenómeno se le denomina “quemado”. Por eso se utiliza un cierto límite de seguridad. Si un material solidificase a temperatura constante no se produciría esa microsegregación, debido a que transcurre mucho tiempo, que es suficiente para que se produzca la solidificación homogénea del material. TEMPERATURA INFERIOR DE TRABAJO EN CALIENTE: El límite de temperatura inferior es cualquier temperatura en la que se produzca restauración y recristalización suficiente como para conseguir que el material se ablande y no adquiera acritud. Depende sobre todo de la velocidad de deformación; es decir, (2) del tiempo de permanencia a dicha temperatura. También depende del nivel o magnitud de la deformación (1). Se necesita una acritud mínima para que aparezca restauración y recristalización. Cuanto menor nivel de deformación mayor temperatura necesitaremos. Cuanto mayor sea la velocidad de deformación habrá que utilizar una temperatura más elevada. DUCTILIDAD EN CALIENTE Se define como ductilidad en caliente la “deformación máxima admisible en un material sin que se produzca la rotura de éste”. El material, a pesar de estar en equilibrio, se puede llegar a romper. Los ensayos demuestran que esta ductilidad en caliente es prácticamente independiente de la velocidad de deformación, y depende de la temperatura siguiendo la siguiente expresión: T=k*e-Q/(R*T) T Ductilidad en caliente del material. Al hablar de ductilidad en caliente hay que tener en cuenta que hay determinados factores que es un principio afectan poco a la resistencia mecánica en caliente del material, pero que sin embargo influyen notablemente en la ductilidad. FACTORES Inclusiones: No afectan a los valores de tensión de fluencia, pero sí a la ductilidad. Distinguimos inclusiones dúctiles e inclusiones vamos a estudiar las mejoras que se le pueden realizar al proceso de conformado en caliente. ya que se puede producir fusión intergranular. con granos alargados y direccionados. algunos sulfuros y. Mejoras del conformado en caliente en la estructura bruta de solidificación. Como ejemplo están los aceros “duplex” austenoferríticos. Las intercaras entre las dos fases son zonas de nucleación de microgrietas. Tenemos también una estructura columnar profunda hacia el interior. En la lingotera. Segregaciones: Afectan a la ductilidad en caliente si no se controla la temperatura correctamente. la estructura es de granos equiáxicos en el borde. Las inclusiones poco deformables son los aluminatos (en general). La estructura bifásica es aquella cuyos granos están constituidos por dos fases diferenciadas (véase la figura 45). que se pueden propagar y llevar a rotura al material. . que es la que se consigue cuando se solidifica el material en una lingotera (Longitud>>Diámetro). que generan huecos en la intercara inclusión-matriz.frágiles. Tenemos ciertas heterogeneidades físicas debido a esa estructura bruta de solidificación. Heterogeneidades. Las inclusiones dúctiles no influyen en la ductilidad en caliente. Influyen las inclusiones que son poco deformables. los óxidos. En esta estructura bruta de solidificación. y finalmente nos encontraremos con granos equiaxiales en la zona central de la lingotera (véase figura 46). Estos huecos son el origen de microgrietas que afectan a la ductilidad del material. normalmente. Estructura bifásica: Una matriz con inclusiones no es una estructura bifásica. que puede ser macroscópico. Estos rechupes siempre quedan alojados en la última zona a solidificar. como consecuencia de las tensiones que se producen dentro del material durante la solidificación. CONFORMADO EN CALIENTE (Véase fotocopia 2.La primera heterogeneidad física es la estructura columnar. Segregación inversa: Es una segregación macroscópica que se suele producir en el centro de la lingotera. estudiaremos como eliminar parte de esas heterogeneidades físicas y químicas. como microscópico (centro de cada grano). Heterogeneidades de tipo químico: Microsegregaciones: Aparecen en la estructura bruta del material. mejorando así la estructura bruta de solidificación. Las sopladuras son agujeros que quedan en la estructura del material solidificado debido a los gases que han quedado retenidos durante la solidificación. . que produce mucha anisotropía en las propiedades físicas del lingote. Al producir el conformado en caliente del lingote. Otra heterogeneidad física son los micro-rechupes. A esa oquedad o agujero debida a la contracción del material al solidificar se le llama rechupe. Se deben a que los líquidos contraen al solidificar. y suelen ser esféricos.17). tanto a nivel macroscópico (centro del lingote). reduciendo su volumen (la densidad aumenta al disminuir la temperatura). o estar repartido a lo largo de toda la estructura en forma de micro-rechupes. A veces se ven de manera macroscópica y otras veces se ven de manera microscópica. que son rechupes a nivel microscópico que aparecen entre los límites de grano. También están las grietas internas en el material. La macrosegregación no se elimina durante el conformado en caliente. a una temperatura próxima a la temperatura de fusión del material. Los huecos externos tienen problemas para soldarse. Los internos sueldan bien. se rompen y no se alargan.En primer lugar vamos a homogeneizar químicamente la estructura de colada. micro-rechupes). Elimina parte de la microsegregación que aparecía cuando en la solidificación no había tiempo suficiente para homogeneizar la composición. por lo que no dan lugar a este fibrado de forja. será necesario realizar un recocido de homogeneización al lingote. porque estas oquedades impiden esa soldadura. sino una consecuencia del conformado en caliente. La tercera opción no es una mejora (orientación de los precipitados e inclusiones en la dirección del conformado). no dúctiles. Esto se produce en oquedades que quedan al aire libre. Al ser un conformado en caliente. Cuando la microsegregación es muy extensa y el conformado en caliente no es suficiente. que no se pueden eliminar mediante el conformado en frío (véase figura 47). además de aumentar el tiempo al aplastar los átomos para que difundan con más facilidad. La estructura a la que da origen la orientación de estos precipitados intermedios y a las inclusiones se denomina “FIBRADO DE FORJA”. la pegadura sirve como núcleo de recristalización donde crece un grano recristalizado que elimina las oquedades. Con esta estructura no tendremos las mismas propiedades en todas las direcciones. Esto se va a producir así siempre que las paredes no estén oxidadas. . Las inclusiones duras. Una segunda mejora sería la soldadura de cavidades (sopladuras. la deformación en la parte más externa de la estructura será mayor que en la zona interna.La cuarta mejora. al recristalizar en nuevos granos equiáxicos más pequeños. es que los granos columnares se destruyen y afinan. La distribución de tensiones no es homogénea. . Desventajas del conformado en caliente La parte externa de los materiales se suele oxidar debido a la afinidad de estos materiales por el oxígeno a altas temperaturas. que depende de la acritud. habrá en esa zona una mayor acritud. Es necesario admitir tolerancias dimensionales para dilataciones y contracciones. Cuando se produce recristalización de toda la estructura. Siempre. el tamaño de grano. que significa que el acero pierde carbono de su superficie más externa. la estructura del acero va a ser muy distinta. En los aceros es muy importante el proceso de decarburización. además de dar forma (proceso de conformado) también hay que controlar las dimensiones (tamaño) de la chapa resultante al enfriar. Una estructura columnar produce anisotropía en las propiedades. ya que el material. carbono que difunde y tiende a salir a la atmósfera. Como consecuencia de esto las propiedades mecánicas también van a cambiar. no será constante a lo largo del espesor de la pieza conformada (será más pequeño en la parte más externa. En conjunto todas estas mejoras en la estructura de solidificación conllevan que aumente la ductilidad y la tenacidad del material si lo comparamos con la estructura bruta de solidificación. En función del contenido en carbono. como se muestra en la figura 48). Al tener más deformación en la parte más externa. Además. . debido a los esfuerzos que se están aplicando. Si N fuese pequeño.18 se explican los cambios que induce el conformado en frío. Para deformar en frío un material interesa que N sea elevado. El fibrado de forja confiere una anisotropía de las propiedades en las direcciones longitudinal y transversal. CARACTERÍSTICAS DEL CONFORMADO EN FRÍO En la fotocopia 2. al endurecerse dejará de estrecharse (la estricción se detiene). el material se estrecharía cada vez más en la misma zona. sino que se traslada a zonas contiguas. Cuando una zona sufre una fuerte deformación. Esto contribuye a aumentar el tamaño de grano en la parte interna del material. de tal manera que la deformación no prosigue en esa zona. como se puede observar en la figura 50. hasta llegar a romper. experimentando una importante consolidación. el material se endurece mucho en esa zona. porque cuando n es elevado. Veremos la correlación que se puede establecer en la curva tensión-deformación para el conformado en frío. un poco después de empezar la estricción. y ese estrechamiento comenzaría a producirse en la zona contigua. y que en la superficie quede un tamaño de grano más pequeño. la parte interna permanecerá a mayor temperatura durante un tiempo superior a la parte superficial. que es la ecuación de Ludwick: V=K*(V)N Donde N es el coeficiente de endurecimiento por deformación. Para la curva de (figura 49) se establece en la zona de deformación plástica homogénea una correlación entre Vy V (valores reales o verdaderos). También ocurre en la forja. Por ejemplo. y por lo tanto dejaría de moverse y la deformación proseguiría en esa zona. Para el laminado en frío. Por una parte interesa que el material se endurezca un poco para que la deformación sea homogénea. porque poligoniza con facilidad y restaura. Si lo comparamos con el proceso de conformado en caliente. . las tolerancias dimensionales para la laminación en caliente son del orden del 2-5%. Un material que se extruye muy bien es el aluminio. el material se mueve por el giro de los rodillos. que estará pasando entre los rodillos en ese instante. La deformación pasaría entonces a la zona contigua. donde controlamos el espesor.En laminación ocurre esto (figura 51): Queremos que la deformación plástica sea homogénea. las tolerancias varían entre 0. El calor que activa la poligonización es el producido por la fricción entre al metal y la matriz por la que tiene que fluir. La deformación en frío no se produce a temperatura ambiente. pero por otra parte no es conveniente que sea muy duro porque habría que aplicar mucha tensión para conformarlo. Hay que tener cuidado con los materiales de estructura HC (Hexagonal compacta) porque admiten muy poca deformación en frío. sino que se hace muy por debajo de la temperatura de cohesión del material. En el caso del aluminio es suficiente para que se inicie la poligonización. consiguiendo eliminar defectos muy fácilmente.5-1%. VENTAJAS Y LIMITACIONES Podemos dar forma al material y endurecerlo al mismo tiempo. Para evitar esto el material se endurece cuando se está deformando. las tolerancias dimensionales son mejores. Como se puede apreciar en la figura 51. La zona que está entre los rodillos se ablanda mucho. 4) Veremos como afecta el %CW (Cold Work) a las propiedades del material. Al endurecer por solución sólida sobresaturada la conductividad eléctrica disminuye mucho. Con el CW la conductividad eléctrica se mantiene aproximadamente constante. La ductilidad disminuye con el trabajo en frío, porque todos los mecanismos que endurecen al material, a excepción de la reducción del tamaño de grano, disminuyen su ductilidad. La resistencia a la corrosión disminuye con el CW porque todos los defectos que induce el CW en la superficie del material son zona preferente para la formación de defectos del tipo de picaduras, sopladuras, etc. 5) Otra característica es que no se produce decarburización ni oxidación superficial. El óxido de una chapa de la laminación se elimina mediante una limpieza superficial con un ácido (decapado), o bien con un mecanizado. El material entre distintas etapas de deformación en frío se va endureciendo y puede llegar a un momento en que rompa (véase figura 52). Para evitar llegar a rotura se intercalan recocidos contra acritud en las distintas etapas para ablandar un poco al material. A veces el último recocido es de restauración para que el material tenga cierta dureza. Es más interesante terminar con una etapa de deformación si queremos controlar el endurecimiento, porque los recocidos son muy sensibles a los cambios de temperatura, que producen ablandamientos distintos en las diferentes zonas de la chapa. En los hornos industriales es muy difícil controlar la temperatura con precisión Por eso es más difícil controlar el recocido que controlar el endurecimiento en la etapa de deformación. Conducta anisotrópica (distinto valor de las propiedades) en la dirección de máximo esfuerzo. A veces interesa tener mejores propiedades mecánicas en una determinada dirección. Por ejemplo, tener tensiones residuales es muy interesante para la resistencia a la fatiga. En laminación, las tensiones residuales de compresión son muy buenas para evitar la fatiga. Algunos procesos de conformado pueden realizarse sólo si se realiza la deformación en frío, como el trefilado, porque necesitamos que exista ese endurecimiento que se produce durante la deformación en el material para evitar que se rompa a la salida. La tensión a la salida tiene que ser inferior al valor del límite elástico que ha adquirido el material. Esto sólo se consigue si se cambia su límite elástico (se endurece). Si eso no ocurre el material se rompería a la salida. (Fotocopia 2.19). El efecto de la textura cristalográfica es consecuencia de que los granos se alarguen. Esos cristales se orientan en la dirección de máxima deformación. En el caso de la laminación, la textura cristalográfica se define en función de los planos que son paralelos a la superficie de laminación y direcciones de máxima deformación. Textura cúbica: El plano (0 0 1) queda paralelo a la superficie de la chapa, y la dirección 1 0 0 es la dirección de máxima deformación. Textura de Goss: Plano (1 1 0) paralelo a la superficie de la chapa. Dirección 0 0 1 es dirección de máxima deformación. Textura “fibra”: Plano (1 1 1) paralelo a la superficie de la chapa. No hay ninguna dirección en concreto alineada con la dirección de máxima deformación. Esto es importante porque produce anisotropía de propiedades en el material, que en algunos casos se utiliza para determinadas aplicaciones. La textura cristalográfica se determina por difracción de rayos X. Nota: La textura cristalográfica es distinta al fibrado de forja (véase definición). Consúltese también la tercera hoja de ejercicios del anexo, con los dos ejercicios correspondientes a este tema. DEFORMACIÓN Y ROTURA POR TERMOFLUENCIA Es un mecanismo de fallo por rotura de los materiales. La mayor parte de los materiales metálicos no se pueden utilizar para aplicaciones estructurales cuando su temperatura se eleva por encima de 0,5-0,6*TF porque se deforma plástica e intergranularmente, llegando a producirse la rotura. Los materiales estructurales están sometidos generalmente a cargas por debajo del límite elástico. En este caso se produce deformación plástica permanente a cargas por debajo del límite elástico de los materiales. A esta deformación plástica e intergranular dependiente del tiempo que se da en materiales por debajo de su límite elástico se denomina termofluencia o creep (fotocopia 2.6). En la figura 53 observamos que en las curvas hay dos tramos con pendientes distintas. Un tramo asociado a rotura por deformación transgranular, con tiempos de rotura pequeños. Un segundo tramo, con distinta pendiente, que corresponde a tensiones más bajas y, por tanto, a tiempos de rotura mayores. El tipo de deformación será intergranular. La termofluencia se da para condiciones de baja tensión y largo tiempo a elevadas temperaturas. La temperatura a partir de la cual este efecto empieza a producirse depende del tipo de material. En los materiales metálicos se da a temperaturas que están por encima de la temperatura equicohesiva, que es la temperatura a del orden de 0. Para los materiales metálicos normalmente se hace a tracción. elevando la temperatura y midiendo la deformación existente para el mismo tiempo. Se suele realizar con un ensayo de tracción. a lo largo del límite de grano. . pero se producirá a temperaturas un poco más elevadas.4-0. La superficie de rotura en este tipo de fallo será de tal manera que en el interior de grano no habrá descohesión entre los planos.la cual.5-0. la temperatura.6*TF. que puede ser 0.7*TF. con el mismo tipo de probetas pero en distinto horno. La resistencia a la termofluencia es independiente de la dirección de aplicación de la carga para la mayor parte de los materiales.4*TF a 0.material) ENSAYOS DE TERMOFLUENCIA Los ensayos de termofluencia requieren un dispositivo en el cual se puede someter a un material a tensión. Termofluencia=f(T.. a temperatura constante y tensión constante. la cohesión es igual que a lo largo del grano. En los materiales cerámicos también se produce la termofluencia. y en él intervienen distintos mecanismos de deformación y depende de la tensión a la que está sometido el material. También se pueden hacer ensayos a compresión (para materiales cerámicos). Se va a dar siempre que tengamos una temperatura para la cual el límite de grano es menos resistente que el interior del grano.. Este tipo de fallo es muy complejo. midiendo la deformación con el tiempo. la velocidad de deformación y el tipo de material. En muchos de los polímeros se produce termofluencia a temperatura ambiente. dependiendo del material. La primera zona es la zona de fluencia primaria o transitoria. La segunda zona es la zona de fluencia secundaria o estacionaria en la cual la deformación es lineal con el tiempo. como separación del límite de grano. Se produce una deformación instantánea nada más aplicar la carga. En la figura 54 se observan tres zonas diferenciadas. cavidades. y a partir de los datos obtenidos. Esta deformación es fundamentalmente elástica. Esto indica que se está produciendo por una parte endurecimiento estructural y por otro hay un mecanismo que ablanda el material en caliente (restauración y recristalización). Esto nos hace suponer que en el material. es decir. La tercera zona es la zona de fluencia terciaria. Se hace para valores de tensión inferiores al límite elástico. hay una velocidad de fluencia decreciente. es decir.6): Representa la deformación ( ) frente al tiempo de rotura del material. huecos. Curva de termofluencia (Página 2. donde se observa que la pendiente de la curva disminuye con el tiempo. formación de fisuras internas. Se caracteriza porque la parte de la curva aumenta su pendiente.. Esto implica un aumento de la velocidad de deformación en esa zona hasta llevar al material a rotura. y por lo tanto se produce un equilibrio entre estos dos mecanismos antagónicos. y la pendiente es constante. se extrapola la información para tensiones más bajas (y velocidades de deformación más bajas también).Para el ensayo a tensión constante se obtiene información sobre los mecanismos de deformación. Se observa que en esta etapa aparecen en el material cambios estructurales. Normalmente se hacen ensayos acelerados. . los mecanismos de deformación que existen están generando acritud (el material se endurece por deformación). para elevadas tensiones. superiores al límite elástico.. para un determinado tiempo. En aplicaciones de vida corta nos interesa conocer el tiempo de fallo. Esta ecuación también sirve para la termofluencia cuando la deformación es pequeña.En el caso de materiales metálicos sometidos a ensayo de tracción puede aparecer estricción. para saber si la deformación que va a sufrir está por encima del nivel de deformación máximo admisible para esa aplicación. En aplicaciones de vida larga el parámetro de diseño es la velocidad de fluencia estacionaria. .8 por delante. Esto supone una disminución de la sección.8 por detrás): Si observamos la curva de fluencia en distintas condiciones de tensión y temperatura.3*TF la es independiente del tiempo. Influencia de la tensión y temperatura en la deformación por termofluencia (fotocopia 2. que son el tiempo hasta llegar a rotura y la velocidad de fluencia estacionaria (velocidad en la zona estacionaria). observamos que a medida que aumenta la temperatura o la tensión. que es la ley general del comportamiento en caliente. Ley General: Existe una ley que correlaciona con y con la temperatura. disminuyendo el tiempo de fallo. que produce un aumento de la tensión aplicada en esa zona. Podemos distinguir dos situaciones extremas: Aplicaciones de vida larga y aplicaciones de vida corta. teniendo en cuenta que en este caso la velocidad de deformación tiene que ser lenta. y esto hace que aumente la velocidad de deformación. aumenta la deformación instantánea y la velocidad de deformación estacionaria. La utilización de un parámetro u otro depende de la utilización de ese material. Hay dos parámetros que interesan desde el punto de vista del diseño. para ver si el tiempo de fallo es superior al tiempo para el cual se ha diseñado el componente. Para temperaturas por debajo de 0. Fotocopia 2. donde tenemos determinadas zonas en las cuales existe un mecanismo determinante (fotocopia 2.7 por detrás). Los resultados de termofluencia se representan normalmente de dos formas: Mediante curvas . que cada uno conduce a un valor teórico de N.(velocidad de fluencia estacionaria). fijamos la temperatura (tomando logaritmos. que va de 1 a 5. Una vez obtenida esta información se elaboran unos mapas de mecanismos. Se han propuesto distintos mecanismos de deformación. Estos mapas están hechos para un tamaño de grano constante. Estas curvas se realizan para distintas temperaturas. y mediante curvas -Tiempo de rotura. como muestra la figura 55).Si * * * =B* <0.8sh( )" K*e-Q/(R*T) Si queremos analizar más en detalle el efecto de la tensión. Estos mapas son interesantes porque: . y luego los valores experimentales de N se comparan con los teóricos y se ve si para esas condiciones de tensión y temperatura ese mecanismo es adecuado. (Tª/Tª de fusión)Tª Homóloga También se pueden determinar dentro de estos diagramas las velocidades de fluencia. y queda: =B* N De cada una de estas rectas obtenemos un valor de N. -Para cada temperatura hay un valor de N distinto. Hay una correlación entre el valor de N y el mecanismo de deformación. Parámetro de Larson-Miller de extrapolación de resultados Véase anexo (Larson-Miller) y fotocopia 2. Se comprueba experimentalmente que cuanto mayor es la velocidad de deformación estacionaria (S). Deslizamiento de dislocaciones.9. Fluencia de dislocaciones: Existe un movimiento de planos al mismo tiempo que se produce el movimiento de las dislocaciones. Por lo tanto vamos a admitir que la S es proporcional al tiempo de fallo.6 detrás): El mecanismo de deformación en frío se basa en el movimiento de dislocaciones. El conocimiento del mecanismo de deformación es muy importante en el diseño. Existe un método de extrapolación de resultados que es el denominado parámetro de Larson-Miller. Migración: El deslizamiento es perpendicular al límite de grano. Formación de pliegues. . y ). Conociendo el mecanismo de deformación para una determinada temperatura y tensión. menor es el tiempo de rotura. El límite desliza en la dirección propia (del límite de grano).Aparecen tres parámetros: Conociendo dos de los parámetros podemos calcular el tercero (Tª. C. es posible diseñar modificaciones en el material dirigidas a mejorar su resistencia a la fluencia. porque permite estudiar como mejorar las propiedades del material. Depende del tamaño de grano (bVector de Burgers. dCoeficiente de autodifusión). Mecanismos de deformación (página 2. B. A. Inicialmente se obtenía un material policristalino por fundición. de modo que la superficie del límite de grano sea menor. igual que el flujo de calor. Un ejemplo típico es cómo esta consideración se ha tenido en cuenta para el diseño de álabes de turbina (véase fotocopia 2. Véase el ejercicio de LM en el anexo de ejercicios correspondientes. MATERIALES RESISTENTES A LA TERMOFLUENCIA En un material que resista bien este tipo de mecanismo de fallo se busca sobre todo la resistencia al flujo a través del límite de grano. de modo que el crecimiento de grano es direccional.11 por detrás). entre la temperatura a la cual realizo el ensayo y el tiempo de fallo. .Suponiendo una tensión = 1 constante y tomando logaritmos decimales obtenemos los resultados que se exponen en la fotocopia 2. El molde donde se vierte el metal líquido está cubierto por un material que aguanta el calor. para cada tensión. Esto sólo es válido para materiales metálicos. Primero se buscó el crecimiento de cristales columnares. Eso se consigue teniendo un tamaño de grano muy grande. Este parámetro permite realizar el ensayo a elevadas temperaturas para acelerarlo y extrapolar los datos obtenidos para el caso real a temperaturas inferiores.9: T*[C+log(tfallo)]=(Q/R)*log(e)=LM El parámetro de Larson-Miller (LM) es la correlación. de forma que sólo se enfría la superficie inferior. formándose un álabe compuesto por un monocristal. La tercera forma de luchar contra la termofluencia es aumentar la resistencia del material. Se comprueba experimentalmente que un aumento de la resistencia del material (a baja temperatura) aumenta también la resistencia a la termofluencia. Esto sólo se produce para ciertos mecanismos: Endurecimiento por solución sólida (funciona en materiales FCC. de forma que sólo crece un cristal. en los materiales FCC es: S=A*D* A: Constante del material. Se ha comprobado experimentalmente que S. Una segunda forma de luchar contra el creep es utilizar materiales con temperatura de fusión muy elevada. aunque si bien no hay una relación clara que lo demuestre. de forma que la temperatura equicohesiva sea también muy elevada (metales refractarios). 3. Una vez que hay formados varios cristales colummnares. que son los más reistentes a la termofluencia). y además tienen que ser resistentes a la corrosión a las temperaturas a las que se va a usar ese material. Esto se debe a la existencia de los defectos de apilamiento. Los problemas que presentan es que son muy caros. en general difíciles de conformar debido a su fragilidad.5*( /E)5 . D: Coeficiente de autodifusión. E: Módulo de Young (es medida de las resistencia del enlace del material). A medida que se va levantando la campana refractaria se favorece el crecimiento de granos columnares. : Energía de defectos de apilamiento. se deja pasar a través de un cuello un único grano.Los primeros gérmenes que solidifican lo hacen en la pared inferior. 10. que es el mecanismo más eficaz. Ver tabla 4 de la hoja 2. Tratamientos termoquímicos de endurecimiento superficial. Para tener una elevada resistencia a la termofluencia (baja velocidad de deformación) interesa que D y sean pequeños. dando lugar a alargamientos del orden del 1000%. . Trabajo en frío. La aleación se hace buscando que el conjunto tenga un bajo valor de . en el que sometidos a unos esfuerzos de tracción (no muy elevados). la cementación. se deforman muchísimo.5*TF. Añadir una dispersión de óxidos a la aleación. Los duraluminios no son resistentes a la termofluencia debido a que se forman a bajas temperaturas. mientras que el valor de E debería ser elevado. SUPERPLASTICIDAD Es un comportamiento de determinados materiales a temperaturas elevadas. Materiales con granos muy pequeños y equiaxiales. Se dan para las siguientes condiciones: Temperaturas por encima de 0. como por ejemplo.: Tensión aplicada. Se ha estudiado para buscar un mecanismo de conformación especial para que se den estas condiciones de alargamiento (se obtuvo accidentalmente). debido a que esas partículas funden a temperaturas en torno a los 2000ºC. y no tan elevados como en el conformado normal ni tan pequeños como la deformación por creep. 30 .