Materiales para ingeniería.Actividad 2

Actividad 2• Resumen de la actividad anterior• Defectos en las redes cristalinas• Difusión• Propiedades mecánicas• Mecánica de la fractura• Endurecimiento por deformación y recocido

Resumen de la actividad anterior

• Introducción a los materiales• Materiales, propiedades y estructura• Diseño y selección de materiales

Defectos en las redes cristalinas

• Efecto profundo en las propiedades de los materiales• Útiles o indeseados en dependencia de la aplicación• En el acero incrementa la resistencia• En el cristal de alúmina se transforma en un bello Rubí• En la electrónica se logran semiconductores con los defectos en

cristales de Si• Aumentan la resistencia de los conductores de cobre.• Los límites de grano aumentan la resistencia eléctrica

Defectos Puntuales

• Vacancias, inserciones, sustitución de átomos o iones • Se producen por el movimiento de los átomos al

aumentar su energía, por calentamiento, durante el procesamiento del material, introducción de impurezas, dopado, etc.• Impurezas, las que se adquieren por accidente, por materias

primas o proceso• Dopado, las que se añaden deliberadamente para obtener alguna

propiedad

Vacancias• Falta un átomo en su lugar en la estructura cristalina• Aumenta la entropía del material• Aumenta la estabilidad termodinámica de un material

cristalino• Ocurren durante la solidificación a temperaturas elevadas o

por radiación• Es un elemento importante en la difusión en los metales• Las cerámicas para capacitores con vacancias son

semiconductores• Las vacancias en los materiales cerámicos mejoran sus

características eléctricas.• Al aumentar la temperatura aumenta la cantidad e vacancias• Al enfriar rápidamente se “atrapan” muchas vacancias

Intersticiales o de inserción• Cuando se introduce un átomo o ion en los intersticios de los

cristales de la red cristalina• Los átomos que se introducen son pequeños pero siempre

mayores que el espacio disponible causando deformación de la red

• Pueden ser impurezas o elementos de aleación• Se oponen al movimiento de las dislocaciones• Después de introducidos no cambia su cantidad con la

temperatura

Sustitucionales• Cuando se sustituye un átomo por otro distinto en un cristal• Pueden ser impurezas o elementos de aleación• Después de introducidos no cambia su cantidad con la

temperatura• Provoca una deformación de la red cristalina

Intersticialidad (Defecto de frenkel)

• Un átomo o ion salta de su posición normal a un intersticio de la red cristalina

Defecto de Schottky• Vacancias en las redes iónicas mayores de las que debe haber

para conservar su neutralidad eléctrica.

Introducción de defectos en los materiales iónicos• Mantener la neutralidad eléctrica con equilibrio de cargas• Balance e masa• Conservar la cantidad de sitios cristalográficos

Dislocaciones• Imperfecciones lineales en una red cristalina• Se forman con la solidificación o por la deformación plástica• Pueden ser de borde, de tornillo o mixtas.• Explican los procesos de deformación plásticas en los metales

Dislocación de tornillo• Es el desplazamiento de un plano cristalino en una distancia

atómica• La línea a lo largo de la cual se hace el corte es la dislocación

de tornillo

Dislocación de borde o de arista

• Plano atómico adicional en una red cristalina• El borde del plano es la dislocación

Dislocaciones Mixtas• Es formada por la unión de una dislocación de borde y una de

tornillo

Movimiento de las dislocaciones

• Al aplicar una fuerza cortante en la dirección del vector de Burguers

• Se desplaza el plano de la dislocación al intercambiar los enlaces

• La velocidad de desplazamiento de las dislocaciones es cercana a la velocidad del sonido

Deslizamiento• Proceso por el que se mueve una dislocación y provoca una

deformación plástica

Dirección de deslizamiento• Dirección en la que se mueve la dislocación• Dirección del vector de Burgers para las dislocaciones de

borde• Durante el deslizamiento la dislocación de borde recorre el

plano formado por el vector de Burgers y ella misma

Plano de Deslizamiento• Plano formado por el vector de Burgers y la dislocación de

borde

Sistema de deslizamiento• Combinación de la dirección de deslizamiento y el plano de

deslizamiento

Observación de las dislocaciones

• Los lugares donde intersecan las dislocaciones con la superficie son de energía relativamente alta

• Reaccionan más ante los ácidos, observándose como figuras de corrosión

Líneas de deslizamiento• Miles de dislocaciones que se mueven por la superficie de un

grano

Bandas de deslizamiento• Grupos de líneas de deslizamiento

Importancia de las dislocaciones

• Mecanismo de la deformación plástica de los metales y aleaciones.

• Influyen en el comportamiento mecánico, eléctrico y óptico de los materiales.

• El esfuerzo para la deformación es mucho menor que sin dislocaciones

• Garantiza la ductilidad de los metales• Permite controlar el comportamiento de un metal

Densidad de Dislocaciones o longitud total de dislocaciones• Lo normal es 106 cm/cm3 • Con deformaciones plásticas alcanzan hasta 1012 cm/cm3

Ley de Schmid

• • Es válida en materiales monogranulares• En poligranulares los granos están orientados en direcciones

aleatorias

Defectos Superficiales

• Límite de granos (Superficie que separa granos entre si)• Las dislocaciones recorren una distancia corta hasta llegar al limite

de grano• Controlando el tamaño de grano se controlan las propiedades de

los materiales• Ecuación de Hall-Petch • El tamaño de grano según ASTM se mide a 100x• N ‘ Cantidad de granos por pulgada cuadrada • Se calcula N estadísticamente en el microscopio y se despeja o

calcula n• n es el tamaño de grano según ASTM

• Fallas de apilamiento• Límite de macla• Límites de dominio

Importancia de los defectos• Efecto sobre las propiedades mecánicas• Sirven de obstáculos al movimiento de las dislcaciones• Se puede provocar endurecimiento por deformación• Por solución solida• Por Tamaño de grano• Aumento o disminución de las propiedades eléctricas,

magnéticas y ópticas

Difusión• Flujo apreciable de átomos, electrones, iones vacancias y

otros.• Depende de gradientes de concentración y de temperatura• Depende de los defectos de la redes cristalinas• Cementación o carburación. Nitruración, Borado. Cromado

duro.• Dopantes para semiconductores• Principio de las cerámicas conductoras• Mecanismo de la oxidación, óxidos densos (aluminio, aceros

inoxidables, galvanizados)• La capacidad de un átomo de difundirse se mide con la

ecuación de Arrhenius

Mecanismos de la difusión• Por vacancias• Intersticial, más rápida pues hay más intersticios que vacancias

Primera Ley de Fick (Velocidad de difusión)• Ecuación que relaciona la velocidad o flujo de difusión con el

gradiente de difusión y un coeficiente de difusión del material.• El gradiente de concentración es la variación de la

composición con la distancia• El coeficiente de difusión depende del material y de la

temperatura• Depende del tiempo• Puede ser volumétrica o superficial• Influye el enlace y el tipo de estructura cristalina• Depende de la concentración del elemento que se difunde

Segunda Ley de Fick• Define la difusión dinámica o no estacionaria• Depende de condiciones de frontera

Difusión y procesos de fabricación

• Fusión y colado• Sinterizado• Recristalización, crecimiento de grano y tratamientos térmicos• Soldadura eléctrica y por difusión

Ensayo de tensión, uso del diagrama esfuerzo-deformación unitaria• Esquema del ensayo• Tipos de curva de tracción• Curva de tracción dúctil

Propiedades obtenidas del ensayo de tracción• Límite de proporcionalidad• Límite elástico• Límite elástico convencional o resistencia a la cedencia• Resistencia a la tracción o esfuerzo máximo• Estricción o formación del cuello• Módulo de poisson • Módulo de resiliencia (energía absorbida en la deformación

elástica, área bajo la recta)• Tenacidad a la tensión (energía absorbida hasta fracturarse,

trabajo de fractura, área bajo la curva)• Alargamiento relativo• Reducción de área porcentual

Efecto de la temperatura en el ensayo de tracción• Menor esfuerzo necesario para deformar• Aumenta la ductilidad• Disminuyen los parámetros de resistencia• Aumentan las deformaciones para la misma carga

Esfuerzo y deformación real• Si en los cálculos se considera el área inicial no es exácto• El área donde actúa la fuerza se reduce incrementando el

valor de la tensión• Gráficos diferentes a partir de la deformación plástica

Ensayo de Flexión• Se puede usar para sustituir el ensayo de tracción en metales

muy frágiles• Aplicación de carga en tres puntos • Resistencia a la flexión • F es la carga de ruptura• Se determina el módulo de elasticidad a flexión• La deflexión máxima o flecha máxima• Gráfico similar al de tracción

Ensayo de Dureza• Mide la resistencia de un material a ser penetrada su

superficie por un objeto duro• Representa resistencia al rayado o penetración• Es proporcional a la resistencia del material

Dureza Brinell• Penetración con una bola de acero de 10 mm de diámetro• Para materiales blandos relativamente• Relaciona el diámetro de la huella dejada en la superficie con

la fuerza aplicada• Unidades Kg/mm2

Dureza Rockwell• Penetración con una bola de acero de 1/16 pulgadas de

diámetro para materiales blandos• Penetración con una bola de acero de 1/8 pulgadas de

diámetro para materiales muy blandos• Penetración con un cono de acero para materiales duros• Relaciona el diámetro de la huella dejada en la superficie con

la fuerza aplicada• Unidades HR (A, B, C, D, E, F)

Otros Ensayos de Dureza• Vickers• Knoop

Tipos de medición de Dureza• Macrodureza• Microdureza• NanoDureza

Velocidad de deformación y resistencia al impacto• Ensayo al impacto• Resistencia a la propagación de la grieta• Energía de impacto• Tenacidad al impacto• Dependencia con la temperatura

Propiedades que se obtienen del ensayo a impacto• Temperatura de transición de dúctil a frágil• Sensibilidad a la muesca• Relación con el diagrama esfuerzo deformación• Resistencia al impacto como energía absorbida

Mecánica de la fractura• Comportamiento de materiales que contienen grietas e

imperfecciones ante las cargas externas.• Concentrador de esfuerzo• Factor de intensidad del esfuerzo• Kc - Capacidad del material de resistir el crecimiento de una grieta

• Kk – Tenacidad a la fractura en la deformación plana

Capacidad del material para resistir el crecimiento de una grieta• A mayor cantidad de imperfecciones en la red menor

resistencia al crecimiento de la grieta• El incremento de la ductilidad aumenta la resistencia al

crecimiento de la grieta.• El aumento de la rigidez aumenta la posibilidad de

propagación de la grieta• La rapidez de aplicación de la carga aumenta la posibilidad de

crecimiento de la grieta.• El aumento de la temperatura disminuye la posibilidad de

propagación de la grieta

Importancia de la mecánica de la fractura• Supone la existencia real de imperfecciones en los materiales

así como defectos superficiales• Se puede seleccionar materiales que eviten el crecimiento de

las imperfecciones a partir del tamaño máximo de imperfección y la magnitud del esfuerzo aplicado

• Se puede diseñar un componente teniendo en cuenta la dimensión máxima de las imperfecciones.

• Se puede actuar sobre el proceso de fabricación para evitar imperfecciones mayores que las admisibles para el desarrollo de estas ante cargas.

Endurecimiento por deformación y recocido• Se basa en la acritud y el mejoramiento de la estructura

granular por deformación plástica y recocido• Procesos como Laminado, estampado, forja, Trefilado,

doblado, etc.• Trabajo en caliente y en frio, diferencias.• Conformabilidad, formabilidad, moldeabilidad. Capacidad de

cambiar su forma bajo tensiones sin destruirse• Comportamiento anisotrópico• Esfuerzos residuales, perjudiciales o ventajosos.

Recocido

• Elimina tensiones internas, Bajas temperaturas• Elimina el endurecimiento por deformación plástica en

frio (acritud) sin recristalizar el grano.• Como intermedio entre deformaciones plásticas.• Etapas• Recuperación• Recristalización• Crecimiento del grano

• Mejora el cordón de soldadura• Mejora la granulometría en trabajos en caliente.

Formado superplástico• Aleaciones con tamaño de grano muy pequeño mayores de

0.005 mm• Altas temperaturas de deformación plástica• Velocidades de deformación lentas