Microestructuras

Propiedades Mecánicas

y

Defectos cristalinos

Estado sólido

Desorden molecular

Sin forma natural poliédrica

Amorfos Isótropos

(polímeros) Sin punto de fusión definido

Sensibles al calor

Orden molecular

Forma natural poliédrica

Cristalinos Punto de fusión definido

(metales, cerámicos) Anisótropos

Se rompen según planos de clivaje

No forman cristales

Vítreos No poseen un orden regular

A T amb. el vidrio es un liquido viscoso rígido y frágil

Fases de un material: líquidos o gases: fase única

En sólidos: 2 o mas fases

Fase: porción de un sistema limitado por una

superficie, con estructura y/ ó composición característica y

reproducible. Ej. Hielo; plásticos con fibra de vidrio

Granos:

Fases con disposición geométrica en forma de granos

conteniendo una ó mas fases amorfas ó cristalinas cuyos

límites son observables mediante técnicas especiales como el

microscópio electrónico. Se observa microestructura cuando el material no es amorfo ni cristal

único.

Ej. Diamante no posee microestructura.

Ej. El Molibdeno puro presenta microestructura

IMPERFECCIONES EN SOLIDOS

1- No existen cristales perfectos

2- Muchas de las propiedades de los materiales se deben a las

imperfecciones o defectos del cristal.

3- Ej.: Fe + C Acero

DEFECTOS CRISTALINOS

La palabra “defecto” está asociada a la carencia de una cualidad o

propiedad de algo, como la define el diccionario. Sin embargo, podemos

observar que los defectos son definitivos en el procesamiento de los

metales.

En una estructura cristalina, siempre hay defectos, es decir que faltan

átomos, están desordenados, son de diferente naturaleza o son más

grandes. Esto es importante porque si los defectos no existieran en la

estructura cristalina de los metales, estos no se dejarían deformar.

Imperfecciones cristalinas

De acuerdo a su forma y geometría:

(1) Puntuales, dimensión nula

(2) De línea o monodimensionales

(dislocaciones)

(3) Planares bidimensionales (límites

de grano)

(4) Tridimensionales (poros, fisuras e

incluusiones externas)

vacancias

Defectos Puntuales sustitucionales

intersticiales

(con otros átomos; átomos locales)

Aparecen por solidificación ó por deformación

plástica. Las vacancias ó huecos no exceden el valor

de 1/10000 átomos (metales).

Sustitucional: Técnica de dopado.

En los metales, un átomo propio que se ubica en un intersticio e introduce una distorsión relativamente grande en el entorno ya que el tamaño del átomo es mayor que el hueco intersticial.

Metales: defectos intersticiales

Vacancias

--existen en ceramicos para cationes y aniones

Intersticiales

-- existen para cationes

-- no son normalmente observados para aniones a

causa del tamaño relativo de los mismos.

Ceramicos: Defectos puntuales

Catión Intersticial

Catión vacancia

Anion Vacancia

• Defecto Frenkel Para mantener la neutralidad de carga, aparece una vacancia

catiónica y un catión intersticial, simultáneos (El catión migra

de su posición hacia el intersticio).

Defecto Schottky Para mantener la neutralidad de carga, se remueven un catión y un

anión y se crean dos vacancias.

Defectos Puntuales: Frenkel y Schottky

Schottky

Defecto

Frenkel

Defecto

Dislocaciones

Los metales son muy utilizados en la sociedad debido a

que ellos presentan estructuras cristalinas simples

Son muy utilizados porque ellos se deforman plásticamente

Pueden deformarse plásticamente porque poseen

dislocaciones que se desplazan fácilmente.

Se desplazan por que tienen planos de deslizamiento bien

definidos.

Tienen planos de deslizamiento bien definidos porque los

metales poseen estructuras cristalinas simples.

Imperfecciones cristalinas: De linea o monodimensionales,

dislocaciones Dislocación de

línea:

Semiplano extra de

átomos insertado en

la estructura

cristalina; el eje del

plano termina

dentro del cristal.

Alrededor de la

línea de dislocación

existe una distorsión

de la red localizada.

b perpendicular ()

a la línea de la

dislocación .

Dislocaciones: Defectos de línea mixtos

de tornillo de borde

Helicoidal: Esfuerzo de corte De arista :Esfuerzo de

compresión y tensión

Causas : solidificación, deformación plástica

Mecanismo de Deformación plástica causada por deslizamiento

de las dislocaciones de planos atómicos

1) Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación existente

puede romper los enlaces atómicos de los planos atómicos

contiguos (en un sentido).

2) Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y

en sentido contrario para restablecer sus enlaces atómicos

con otros planos.

3) Esta recombinación hace que la dislocación se desplace

por el material.

4) Finalmente el material queda deformado.

Estos defectos son los que me permiten deformar un

material, por ejemplo:

Cuando someto un material a una transformación de

tipo mecánico:

1. Cuando con un martillo deformo un metal.

2. Cuando lo someto a procesos de trefilación o

laminación.

3. Cuando doblo metales.

Dislocaciones.Causan: baja resistencia a

los esfuerzos , provocando regiones de

mayor energía en los ejes de las

distorsiones.

Defectos planares : Se originan por el crecimiento de

granos por aumento de la temperatura y difusión atómica,

debilitando al material. (Aumenta la superficie límite por

unidad de volumen)

Grano:

• Fase de límites irregulares conteniendo celdas

unitarias del metal en una orientación al azar y distinta

a la del grano vecino.

•Características del límite de un grano:

•Empaquetamiento de átomos menos eficiente

•Zonas de alta energía, vulnerables bajo ataques

químicos ó físicos.

Granos:

Proceso de formación policristalina de un metal

(a) Nucleación

(b) Crecimiento de los cristales

(c) Agregado de cristales

Microfotografía de un material cerámico

Defectos de volumen: De fundición

De forjado

Inclusiones, huecos De unión o soldadura

de gas, cavidades,

grietas

PROPIEDADES MECANICAS

Deformación Elástica

Resistencia a la Tracción

Resistencia a la Compresión

Resistencia a la Flexión

Fatiga

Termofluencia

Deformación Elástica

Esfuerzos de tracción y compresión

z

y

a) Esfuerzo de

Tracción

b) Sin

esfuerzo

c) Esfuerzo

de compresión

Deformación en Ingeniería: = l – l0/l0 = l/ l0

(%) adimencional

z = lz – l0z/ l0z = lz/ l0z ; y = ly – l0y/l0y = ly/ l0y

l0y

l0z

Deformación elástica: se produce por un

esfuerzo de tracción o de compresión luego

del cual el material recupera su dimensión

original.

Relación de Poisson : = - y / z

Esfuerzo ó tensión

normal = = F / A0

A0

l0

F

Unidades de :

Sistema U.S.A.: (lb/plg2, ó psi)

Sistema Internacional SI: (N/m2) ó (Pa)

Sistema local: Kg/cm2 ó /mm2

Esfuerzos de Tracción y Compresión

z= lz/l0z

l z

y Compresión

Tracción o

F

A0

F

E = Módulo de elasticidad ó cte. de

Young (psi, Pa ó Kg/cm2)

E= acero = 200 GPa E= Aluminio 70 GPa

~ Fuerza de enlace entre átomos , Anisótropo

Ley de Hooke

= E.

Esfuerzos de Corte ó Cizallamiento

Tensiones rasantes ó tangenciales a la sección

“Esfuerzo de corte”

Estado tensional simple

Fs

Fs

x

t= Fs/As

t

Deformación “” por esfuerzo cortante

en metales

= x/y = tang

Si es elástica : t =G

G = Módulo de elasticidad

transversal ó de Coulomb

Fs

Area As x

x

Fs

y

y

x

n

t

t

t

t

x

Tensión o esfuerzo de corte t max. para = 45°

t x

n

F F

Deformación y fractura

Deformación plástica ó

permanente

Materiales dúctiles

(metales y aleaciones)

¿Cómo conocer el esfuerzo crítico antes de la deformación permanente y la

cantidad de deformación plástica antes de la rotura?

Ensayo de tracción, máquina de tracción

= l/ l0

= F / A0

Deformación elástica Todos los Materiales

vel. = cte.

u

e

=l/ l0

Diagramas de Esfuerzo -Deformación

= e + p

0,2 % (desviación)

u= Esfuerzo de tensión último ó resistencia a la tracción

e= Límite elástico

Resistencia a la tracción

Límite elástico ó de fluencia

0,002

Al

Cu

latón

=E.

Materiales no ferrosos

Cu trefilado

Cu Tref. > Cu Recocido

m

Fe puro

Acero estructural

Acero

endurecido

Ductilidad

1) Alargamiento % = (lf – l0)/l0

Métodos de medición:

2) Estricción % =(A0 –Af)/A0

Resistencia a la deformación, Métodos por impacto – Carburo de

W, acero endurecido, diamante

Brinell (aislantes, esfera de acero de 5 mm diametro, 50

Kg) ,

u acero = 500 N Brinell (psi)

Vickers (diamante)

Knoop

Rockwell

Dureza = F (kg)/ ( .d.h) d = diámetro , h = altura

Dureza

Huella

VHN =1.72 (P/d2)

P

Vickers (diamante)

d

Resistencia a la Compresión

Materiales aislantes (vidrios, porcelanas,

cerámicos)

c > u

c = P/A0

Ensayo de tracción (Fuerzas convergentes

de sentido contrario)

Resistencia a la Flexión

Materiales aislantes (vidrios, porcelanas, cerámicos)

Diseño de ensayos a escala reducida

P P

Elementos flexados - plano de simetría- cargas

transversales- deformación circular

Deflexión = c + u Simétrica y elástica = c = u

(a) (b)

Cargas transversales

c

u

Eje neutro = 0= M.c = M

I We

= M.c = M

I We M= Momento flector actuante,c = distancia del material mas alejado del eje neutro

I=momento de inercia de la sección respecto al eje neutro

W e=momento resistente de la sección en régimen elástico

u Tracción

Eje neutro

Simétrica y elástica = c = u

Resistencia a la tracción por flexión

de materiales frágiles en el ámbito elástico

Resistencia a la flexión en el ámbito plástico: Wo

..................................

Esfuerzo real

c compresión

u Tracción

Eje neutro

Asimétrica y plástica = c u

We=Wo

----------------- = 0-------------------- c compresión =

P

= 0---------------

P

Ensayo de Flexión

R = P. L

b.h2

R = Módulo de rotura (Kg/cm2)

P = Carga máxima (Kg)

L = Distancia entre los puntos de apoyo

b = ancho medio de la barra (cm)

h = altura media de la barra (cm)

P

L

Enlace metálico

Nube ó gas electrónico

Modelo: Atomo de Mg : 1s2 2s2 2p6 3s2

Propiedades metálicas:

a) Alta conductividad eléctrica: movilidad de la nube e-

b) Ductilidad ó capacidad para deformarse sin fractura

Mecanismos de deformación

Metales de estructura cristalina cúbica y sus aleaciones

Metales de estructura hexagonal y cerámicos

- “Deformación por deslizamiento ó cizalla” b

tc~G/6

Resistencia al

Esfuerzo de

Corte

(Menor)

Dislocaciones

de linea ó borde

y

Importancia de las dislocaciones y su

deslizamiento

1. El deslizamiento de las dislocaciones explica por qué la

resistencia mecánica de un metal es menor de lo

esperable (enlace metálico).

2. El deslizamiento proporciona ductilidad al material

(facilidad de deformación). De no existir la posibilidad de

deslizamiento, el material sería frágil.

3. Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir

impurezas, defectos, solidificación, etc.) permite controlar

las propiedades mecánicas del material.

UNIT2 Sctio4.1

Propiedades de los cristales iónicos

Chtr4:ChmiclBodidPrortiof

Mttr

Conductividad

• Los solidos no conducen debido a que los iones no

pueden migrar

• Los compuestos conducen cuando son disueltos en

agua y los iones se pueden mover

Propiedades mecánicas

• Duros pero frágiles, pueden romperse bajo

esfuerzos

Ionic crystal will break

on smooth planes,

where like charges

become aligned.

Defectos superficiales “Influencia del límite de grano”

“ > para superficies específicas de límite de grano >

granos pequeños, mayor resistencia al esfuerzo”

Importancia de los

defectos de superficie

En todos los casos provocan irregularidades en la red

cristalina del material y, por tanto, proporcionan

puntos adicionales para fijar y detener el deslizamiento de

las dislocaciones.

Aumentan la resistencia del material (particularmente

las fronteras de grano).

“ Deformación por maclas”

Deslizamiento Maclas

Los átomos se desplazan

una distancia igual.

Superficie escalonada,

La dirección del eje

cristalográfico no cambia.

Los átomos se desplazan una

distancia proporcional al plano de

macla.

La dirección del eje cristalográfico,

cambia.

Cristales Maclados

Fatiga

Esfuerzo cíclico ó dinámico

Si un material es sometido a esfuerzos cíclicos

alternando entre un max. y min., se rompe aunque

no se supere el límite máximo de resistencia a la rotura

e incluso el límite de elasticidad.

Wöhler (1857-1869) Roturas en ejes ferroviarios

1) Si el hierro y el acero son sometidos a un n° N de

tensiones, se pueden romper a un < e (Límite de

elasticidad).

2) Si (max - min ) < d No se produce la rotura

Influencias: Imperfecciones macro y micro. Grietas,

esfuerzos espúreos.

Ensayo de Fatiga Balancín rotatorio

Ciclo alterno, simétrico o vibratorio

a = max = - min

a= amplitud de oscilación periódica

a = max = min, m=0

Probeta: (a , N)

Representación de Wöhler

d = Resistencia o límite de vida a

fatiga

a

d

N (nº ciclos para la rotura)

m d = m +/- a

Límites de fatiga : 10.107 (acero) y 100. 107 (metales livianos)

N

d

104 1010 0

80 Acero 1047, (107)

Aluminio 2014 -T6 d = 1/3 e

Ejémplos:

Ejes ferroviarios < N (número de esfuerzos cíclicos)

Rotor de generadores > N

Fuselaje de aviones >N

Factores que afectan la resistencia a la Fatiga:

1- Concentración de esfuerzos: Ranuras, cuñas, filetes de roscas, reducen

la resistencia a la fatiga.

2- Rugosidad superficial. Aumentan las tensiones. Las superficies lisas

aumentan la resistencia a la fatiga.

3- Estado de la superficie, Tratamientos, como la carburización y la

nitrurización que incrementan la vida útil del material.

4- Medio ambiente, ataques químicos que producen fatiga por corrosión.

105 106 107

d

MPa

Limite de fatiga

Deformación por Termofluencia

Efecto Creep: deformación plástica permanente por una

combinación de esfuerzos constantes y variaciones cíclicas de

Temperatura durante un largo período de tiempo que

incrementa la difusión atómica. Influyen defectos de estructura interna:

Tamaño de granos del material policristalino.

Mecanismos de deformación de los materiales: dislocaciones

producen deslizamientos de planos y maclaje.

Autodifusión atómica

Ej: Cables de alta tensión o comunicaciones

Alabes de turbinas

> T, metal de granos

finos mas fuertes que de

granos gruesos.

A < T situación es

inversa.

V Creep > T>

Efecto Creep

Deformación elástica

La termofluencia es un mecanismo lento de estiramiento

mediante la acción combinada de un esfuerzo con la

temperatura.

1- La velocidad de Creep estacionaria aumenta cuando esfuerzo

y temperatura aumentan.

2- La elongación total para la rotura también aumenta con estas

variables.

3- El tiempo para la rotura disminuye si aumentan la temperatura

y el esfuerzo.

tiempo

Ala

rga

mie

nto

(1)

(2) (estable) lento estiramiento (v de Creep)

Rotura

Alta tensión o alta T

Baja tensión o baja T

(3)