CAPITULO 4: PROPIEDADES, FORTALECIMIENTO Y …prof.usb.ve/hreveron/capitulo4a.pdf · ·...

CAPITULO 4: PROPIEDADES, FORTALECIMIENTO Y COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES

J.D.O. Barceinas-Sánchez y A.Juárez-Hernández

4.-PROPIEDADES, FORTALECIMIENTO Y COMPORTAMIENTO DE LOSMATERIALES

4.1. Imperfecciones en los Sólidos4.1.1. Vacancias4.1.2. Impurezas4.1.3. Dislocaciones4.1.4. Defectos Interfaciales4.1.5. Maclado de Cristales (geminación o “twinning”)

4.2. Propiedades mecánicas4.2.1. Estado de esfuerzo en dos dimensiones (esfuerzo plano).4.2.2. Círculo de Mohr - Dos Dimensiones4.2.3. Estado de esfuerzo en tres dimensiones4.2.4. Otros Parámetros que Influyen en la Elasticidad4.2.5. Comportamiento Plástico de los Materiales4.2.6. Características del Flujo Plástico4.2.7. Flujo de Materiales Policristalinos4.2.8. Flujo de Materiales Cristalinos (Monocristales)4.2.9. Deformación Plástica de Polímeros4.2.10. Propiedades mecánicas a altas temperaturas

4.3. Fundamentos y Métodos de Fortalecimiento de los Materiales4.3.1. Diagramas de Transformación Isotérmica4.3.2. Influencia de los elementos de aleación4.3.3. Tratamientos Térmicos4.3.4. Recocido4.3.5. Normalizado4.3.6. Temple

4.4. Fallas y Roturas de los Materiales.4.4.1. Fractura4.4.2. Fatiga4.4.3. Creep

4.5. Otras propiedades de los Materiales4.5.1. Propiedades eléctricas de los materiales4.5.2. Propiedades térmicas de los materiales4.5.3. Propiedades Magnéticas4.5.4. Propiedades Ópticas

4.6. Procesos de Deterioro Superficieal4.6.1. Tribología4.6.2. Electroquímica, corrosión y oxidación



4.1 Imperfecciones en los Sólidos

Hasta ahora hemos supuesto que existe un orden perfecto en los materiales cristalinos anivel atómico. Sin embargo, tales sólidos ideales no existen, todos contienen una grancantidad de imperfecciones. De echo muchas de las propiedades de los materiales sonprofundamente sensibles a desviaciones debidas a imperfecciones en las estructurascristalinas; las influencias no son siempre adversas. Se entiende por “defecto cristalino” auna irregularidad en la red, la clasificación de las imperfecciones cristalinas se hace deacuerdo a su geometría o las dimensiones del defecto. En esta sección veremos diferentestipos de imperfecciones, incluyendo puntuales (asociados con una o dos posicionesatómicas), defectos lineales (o de una dimensión), así como defectos intersticiales, o defrontera los cuales son en dos dimensiones.

4.1.1.VacanciasEl defecto más simple es un defecto puntual conocido como una vacancia, o un sitiovacante en la red, el cual normalmente es ocupado por un átomo Figura 4.1, pero que seencuentra ausente. Las vacancias se forman durante la solidificación del material, ytambién son el resultado de vibraciones atómicas, las cuales pueden causar eldesplazamiento de los átomos de sus posiciones normales en la red.

Figura 4.1. Representación en dos dimensiones de una vacancia y un intersticio

El número de vacancias en equilibrio Nv para un material dado depende del incrementode temperatura de acuerdo a:

−=

TkQNN V

V exp (4.1)

En esta expresión, N es el número total de sitios atómicos, Qv es la energía de activación(energía de vibración requerida par la formación de una vacancia), T es la temperaturaabsoluta (grados Kelvin) y k es la constante de los gases o de Boltzman. El valor de k es1.38 x 10-23 J/atm-K o 8.62x10-5 eV/atm-K, dependiendo de las unidades de Qv. Así el

Intersticio Vacancia



número de vacancias se ve incrementado exponencialmente con el incremento en latemperatura, cuando T se incrementa en la Ecuación 4.1, también lo hace el valor de laexpresión exp(-Q/ kT). Para la mayoría de los metales la fracción de vacancias Nv/N justoabajo del punto de fusión es del orden de 10-4; esto es un sito estará vacío en una red de10,000.Un intersticio es un átomo en un cristal que ocupa un espacio de la red que bajocircunstancias normales no se encuentra ocupado. Este tipo de defecto se encuentrarepresentado en la Figura 4.1. En los metales un átomo intersticial produce grandesdistorsiones en los alrededores de la red debido a que el átomo es más grande que elintersticio en el cual se encuentra situado. Por consiguiente, la formación de este defectono es muy común y existe en muy bajas concentraciones, las cuales sonsignificativamente más bajas que las vacancias.

4.1.2 ImpurezasUn metal puro consiste sólo de un tipo de átomos lo cual no es posible en la realidad,impurezas o átomos extraños se encuentran siempre presentes, y algunos se presentancomo defectos cristalinos. Aún con las técnicas más sofisticadas de procesamiento demetales es difícil refinar los metales, incluso en caos como 99.999% de pureza seencontrará una densidad de defectos de 1022 a 1023 impurezas de átomos por metrocuadrado. Los metales más comunes raramente son metales puros, normalmente sonaleaciones, en los cuales se ha añadido intencionalmente para impartir característicasespecificas al material. Las aleaciones más comunes se utilizan para mejorara laspropiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión del metal.La adición de impurezas de átomos al metal resulta en la formación de una soluciónsólida y/o una nueva segunda fase, dependiendo del tipo de impureza, su concentración yla temperatura del sólido. Algunos términos relacionados con las impurezas de lossólidos.

Soluciones sólidas: Una solución sólida se forma cuando se añaden átomos de soluto elmaterial, la estructura cristalina se conserva y no se forman nuevas estructuras. Tal vezsería útil pensar en una analogía con una solución líquida. Una solución sólida esquímicamente homogénea; las impurezas de los átomos se encuentran dispersados al azaro uniformemente dispersos en el sólido.

Los defectos puntuales se presentan las soluciones sólidas, dentro de las cuales se puedenobservar dos tipos: substitucionales e intersticiales. En los substitucionales, el soluto olos átomos extraños reemplazan o substituyen a los átomos de la red principal Figura 4.2.Hay varias características que determinan si los átomos del soluto y del solvente, sepueden disolver. Uno es el tamaño atómico, cantidades apreciables del soluto se puedenacomodar en el solvente cuando la diferencia del radio atómico entre los dos átomos esalrededor del ±15%. De otra manera los átomos pueden crear considerables distorsionesen la red y se puede llegar a formar una nueva fase. Otra característica es conocida comoel factor electroquímico; entre más electropositivo sea un elemento y mas electronegativoel otro, las posibilidades de formar un intermetálico son altas, en lugar de una soluciónsólida. Un requerimiento para formar una solución sólida, es que la estructura cristalinade ambos metales sea la misma.



Figura 4.2. Representación en dos dimensiones de impurezas de átomos, substitucional eintersticial

Un ejemplo de solubilidad sólida substitucional se encuentra en el cobre y níquel. Estosdos elementos son completamente solubles uno en el otro en cualquier proporción, ycumplen las reglas de solubilidad mencionadas anteriormente, los radios atómicos delcobre y del níquel son 0.128 y 0.125 nm respectivamente; sus electronegatividades son1.9 y 1.8; y las valencias más comunes son +1 para el cobre (aun algunas veces trabajacon +2) y +2 para el níquel. Finalmente, ambos tienen una estructura cristalina FCC.

4.1.3 Dislocaciones

Dislocación.- es la línea en que termina un plano extra de átomos Figura 4.3.

vector de Burgers

Figura 4.3 Posición de los átomos alrededor de una dislocación de borde

Los átomos que se hallan en la parte inferior del plano extra son atraídos a la izquierda yderecha por los átomos del plano horizontal que se halla inmediatamente abajo de ellos.Por eso, un pequeño esfuerzo puede hacer que el plano extra 1 se mueva hacia la derecha

Substitucional

Impureza deátomo intersticial



y empuje al plano 2 a la posición de intercambio. Así, la dislocación ha avanzado unespaciamiento atómico. Este reordenamiento de los enlaces repetidos varias veces, resultaen un deslizamiento en toda la sección transversal del cristal, aunque sólo una pequeñaparte del total de enlaces atómicos sea afectada en un momento dado.

Un plano dado puede deslizarse aproximadamente 103 d mediante la acción de unas 103

dislocaciones: un deslizamiento similar tiende a ocurrir en planos paralelos a distanciasde 100 átomos de un plano de deslizamiento activo, un grupo de tales planos forma unafranja o banda de deslizamiento, visible al microscopio. Dicha bandas están separadasunas de otras por espaciamientos de unas cuantas micras.Dada la importancia de las dislocaciones en la resistencia y plasticidad de los materiales,ya se han desarrollado procedimientos cuantitativos para su estudio.Supóngase que una porción superior derecha de un cristal se desliza sobre un planohorizontal por la acción de un esfuerzo cortante. Como la distancia deslizada y la derepetición en el cristal son las mismas, la red cristalina se mantiene perfecta en la regiónen que ha ocurrido el deslizamiento.La línea de dislocación tiene un trayecto curvo en el plano de deslizamiento, puesto queuna dislocación debe limitar el área en que ocurrió el deslizamiento. Dos porciones deesta dislocación se conoce como orientación marginal (dislocación de borde) yorientación helicoidal.La dislocación de borde ya se ha descrito en función de planos intercalados; ladislocación helicoidal que aparece en la superficie del lado izquierdo del bloque de lafigura crea una rampa en espiral de planos cristalinos en torno a ella: su aspecto puedeverse con más claridad en el modelo de bolas de una estructura cúbica simple. Un vectorx de longitud unitaria (tangente a la línea) especifica el sentido de la línea de dislocación.Si la dirección abarca alguna porción entre la de borde pura y la helicoidal pura, se diceque la dislocación es de orientación mixta. El desplazamiento característico relacionadocon una dislocación se define cuantitativamente por el vector de Burgers b.

Circuito de Burgers.- es un trayecto cerrado, de átomo a átomo en una región de cristalperfecto. Los siguientes pasos sirven para determinar el vector de Burgers Figura 4.4:

(a) (b)Figura 4.4: Ciclo de Burgers para: (a) dislocación de borde y (b)dislocación de tornillo



1. Se traza el circuito de Burgers alrededor de la dislocación: el circuito no cierra.2. El sentido del circuito es el de avance de un tornillo de rosca derecha, situado en ladirección x de la línea de dislocación.3. Se cierra el circuito trazando un vector desde su comienzo (S) hasta su final (F). Estevector es el vector de Burgers.Si la región envuelta o rodeada por el circuito de Burgers contiene más de unadislocación, entonces b es el vector suma de los vectores de Burgers individuales.

4.1.4 Defectos InterfacialesLos defectos interfaciales son fronteras que tienen dos dimensiones y están normalmenteseparan regiones de los materiales que tienen diferentes estructuras cristalinas y/oorientaciones cristalográficas. Estas imperfecciones incluyen superficies externas, límitede grano, límite de macla, fallas de apilamiento y límites de fase

Superficies ExternasUno de los límites más evidentes es la superficie externa del material, la cual esconsiderada como una imperfección ya que representa una frontera a lo largo de laestructura cristalina. Los átomos superficiales no se encuentran unidos a un númeromáximo de átomos, por lo que tienen una energía de estado más alta que los átomos quese encuentran en posiciones interiores. Para reducir esta energía, los materiales tienden aminimizar, la energía superficial. Por ejemplo, los líquidos toman una forma que lespermite tener un área mínima ( las gotas tiene una forma esférica ). Claro que esto nosucede en los sólidos ya que mecánicamente son rígidos.

Límites de GranoOtro defecto interfacial es el límite de grano, el cual separa dos granos o cristales quetienen diferente orientación cristalográfica en materiales policristalinos. Dentro de laregión del límite, el cual tiene un tamaño de varias distancias atómicas, hay undesplazamiento atómico dentro de la orientación cristalina de un grano con respecto algrano adyacente Figura 4.5.

Figura 4.5 Representación esquemática donde se muestran los límites de grano y las posicionesde los átomos adyacentes



Se pueden presentar varias posibilidades dentro las alineaciones cristalográficas de loslímites de grano, cuando la desalineación es pequeña se dice que es un límite de granode bajo ángulo. Estos límites se pueden describir en términos de dislocaciones que seencuentran alineados de una manera.No todos los átomos están unidos a otros átomos a lo largo de la frontera, y enconsecuencia hay una energía en el límite de grano similar a la descrita en el caso delímite superficial. La magnitud de la energía es función del ángulo de orientación,siendo más grande para ángulos más grandes. Las límites de granos son químicamentemás reactivos que los granos mismos como consecuencia de esta energía en el límite.Además, las impurezas de átomos segregan preferentemente a los límites de granodebido a su alta energía de estado. La energía total interfacial es más baja en materialesgrandes o de grano grueso, que en aquellos de grano fino, ya que hay menos límites degrano. Los granos crecen a elevadas temperaturas para reducir su energía en los límites.

Límites de maclasUn límite de macla es un tipo especial de límite de grano donde hay una red simétrica a,por lo que los átomos de un lado de la frontera se localizan en una imagen a espejo delos átomos del otro lado (Figura 4.6). La región del material entre estos límites seconoce apropiadamente como macla. Las maclas son el resultado del desplazamientoatómico que se produce cuando se aplica una fuerza mecánica (maclas mecánicas), ytambién durante algunos el recocido ( maclas de recocido). Las maclas ocurren en unplano cristalográfico definido y en una dirección especifica, ambas dependen de laestructura cristalina.

4.1.5 Maclado de Cristales (geminación o “twinning”)El segundo mecanismo más importante por el cual los materiales se deforman esconocido como maclado. El maclado resulta cuando una porción de un cristal toma unaorientación que está relacionada a la del resto de la red sin maclar de manera simétrica.La porción maclada es una imagen a espejo del cristal original. El plano de simetría entrelas dos porciones es llamado plano de macla.

Si aplicamos un esfuerzo de corte a un cristal, éste podrá sufrir maclaje sobre el plano demacla. La región a la derecha del plano de macla no está deformada, mientras que en laregión a la izquierda los planos han sufrido un cizallamiento, de tal manera que se obtieneuna imagen a espejo a través del plano de macla. En una red tan simple como ésta, cadaátomo de la región maclada se mueve por cizallamiento homogéneo una distanciaproporcional a su distancia desde el plano de macla. Los círculos huecos indican losátomos que no se han movido, los círculos punteados las posiciones originales de losátomos que se mueven y los círculos sólidos la posición final de éstos en la regiónmaclada. Una macla es visible debido a la elevación producida por la deformación y a ladiferencia en orientación cristalográfica entre ambas regiones; aún después de pulir yatacar la superficie.



Existen aspectos fundamentales que diferencían al Deslizamiento del Maclaje. En eldeslizamiento la orientación arriba y abajo del plano de deslizamiento es la misma, antesy después de la deformación, mientras que en el maclado hay un cambio de orientación através del plano de macla. El deslizamiento usualmente se considera que ocurre enmúltiplos del espaciamiento atómico, mientras que en el maclado los movimientosatómicos son menores a una distancia atómica. El deslizamiento ocurre sobre planosrelativamente anchos, mientras que en una región maclada cada plano atómico estáinvolucrado en la deformación.

macla

Plano de macla

(a) (b)

Figura 4.6 representación esquemática de una macla, (a) plano de desplazamiento de átomos, (b)formación de la macla

Las maclas pueden producirse por deformación mecánica o recocido después de unadeformación plástica. El primer tipo se conoce como maclas mecánicas, y el segundocomo maclas por recocido. Las maclas mecánicas son producidas en metales bcc o hcpbajo condiciones de rápida carga (choque) y baja temperatura. Los metales fcc no sonordinariamente considerados para deformarse por maclado mecánico, aunque lasaleaciones oro-plata se maclan relativamente fácil cuando se deforman a bajatemperatura. Las maclas se pueden formar en un tiempo tan corto como unosmicrosegundos, mientras que para el deslizamiento hay un retraso de tiempo de variosmilisegundos. Bajo ciertas condiciones, se puede oír un click o un ruido fuerte (el llantodel zinc) cuando se forman las maclas. Si se forman maclas durante una prueba detensión, ésto producirá serraciones en la curva esfuerzo-deformación.

El maclado ocurre en una dirección definida sobre un plano cristalográfico específico. Nose sabe si hay o no un esfuerzo crítico cortante resuelto (critical resolved shear stress)para el maclado. Sin embargo, el maclado no es un mecanismo de deformacióndominante en metales los cuales poseen varios sistemas de deslizamiento posibles. Elmaclado generalmente ocurre cuando los sistemas de deslizamiento están restringidos ocuando algo incrementa el esfuerzo crítico cortante resuelto, de manera que el esfuerzo



para maclado es inferior al de deslizamiento. Esto explica la formación de maclas a bajastemperaturas o a altas velocidades de deformación en metales bcc y fcc, o en metales hcpen orientaciones que no favorecen el deslizamiento sobre el plano basal. Lasdeformaciones de la red necesarias para producir una macla son pequeñas, tal que ladeformación neta que puede producirse por maclado es también pequeña.

4.2.- Propiedades mecánicasDeformación.- es el desplazamiento que da lugar a un cambio de forma y tamaño.Cuando un desplazamiento no produce un cambio de forma se dice que éste es undesplazamiento de cuerpo rígido.

Deformación elástica.- es la deformación que desaparece cuando se elimina la fuerza queprodujo dicho cambio dimensional. El comportamiento elástico de los materiales sedescribe por la ley de Hooke:

lo+δ lo

σ = E edonde: σ = esfuerzo normal

E = módulo de Younge = deformación lineal pr

En términos ingenieriles:

=oA

Fσ

Otra manera de expresar la deformación, cuaverdadera.

e = ∫ dl/l

Cuando la deformación elástica tiende a cedeformación lineal tiene asociada una deform

P

omedio

−=

o

o

llle

ndo ésta es muy pequeña, es la deformación

= ln l/lo

ro e y e adquieren el mismo valor. Cadaación cortante debido al cambio de longitud

∫ dAσ



de un elemento (supongamos cúbico) dentro del cuerpo y ángulo entre dos líneas (ocaras).γ = a/h = tan θ = θ

a

θ h

Condiciones de esfuerzo - La condición de esfuerzo en la cual los esfuerzos cero a lolargo de una de la direcciones principales es llamada esfuerzo plano.

Un aspecto importante que debe notarse es que la suma de los esfuerzos aplicados esigual a la suma de los que actúan sobre el plano inclinado (normales), por lo que a estasuma se le llama cantidad invariante, la cual es independiente de la orientación del planoinclinado.



Al gráficar el valor de los esfuerzos normales en función del ángulo de inclinación, sellega a las siguientes conclusiones:

1. Los valores máximos y mínimos de esfuerzos normales esfuerzo cortante es cero.

2. El esfuerzo cortante máximo y mínimo ocurre a la mitad entde los esfuerzos normales.

3. La variación del esfuerzo normal y del esfuerzo cortante ocusenoidal, con un período de 180 º.

Estas relaciones son válidas para cualquier estado de esfuerzo.

IDENTIDADESTRIGONOMETRICAS

ESFUERZOS QUE ACTUANSOBRE EL PLANO

ANGULOS DE ESFUERZO

se obtienen cuando el

re el máximo y mínimo

rre en la forma de onda



ESFUERZOZPRINCIPALES

ANGULO DELESFUERZOCORTANTE MAXIMO



4.2.2. Círculo de Mohr - Dos dimensiones El círculo de Mohr es un método gráfico muyútil que permite el estado de esfuerzo de un punto sobre un plano inclinado. Rearreglandolas ecuaciones para σx´ y τx´y´ se obtiene una ecuación con la forma de la ecuación de lacircunferencia, con un radio igual a tmax y el centro desplazado (σx + σy)/2 a la derechadel origen. El valor de esfuerzo normal en punto más alejado de la circunferenciacorresponde al esfuerzo principal máximo, mientras que el más cercano es el esfuerzoprincipal mínimo.

.



4.2.3. Estado de esfuerzo en tres dimensiones- En la forma general de estado deesfuerzo en tres dimensiones existen tres esfuerzo principales diferentes, llamándoseleestado triaxial de esfuerzo. En el caso en que dos de éstos sean iguales se le denominaestado cilíndrico de esfuerzo, mientras que cuando los tres esfuerzos son iguales se diceque es un estado hidrostático o esférico. Un análisis de esfuerzos sobre un cubo unitarioarroja un total de nueve componentes de esfuerzo, pero dado que dicho cubo se encuentraen equilibrio estático solo se reducen seis componentes independientes; tres esfuerzosnormales y tres cortantes. Si se analiza el caso en el que un esfuerzo s es aplicado a uncuerpo, el cual es normal al plano de un cubo dentro de dicho cuerpo, y tomando a l, m, ncomo los cosenos directores, las componentes de σ a lo largo de cada uno de los ejescartesianos son Sx, Sy y Sz. Realizando la suma de fuerzas a lo largo de cada uno de losejes cartesianos se obtiene un sistema de tres ecuaciones lineales homogéneas. Puesto quelos cosenos directores son diferentes de cero el determinante resultante debe ser igual acero.

En el análisis anterior solo no se incluyó el efecto de un esfuerzo cortante. Al introducirun esfuerzo cortante sobre el plano inclinado, el fuerzo total que se ejerce sobre éste seráS2 = σ2 + τ2 = S2

x + S2y S2

z. Realizando la suma de fuerzas a lo largo de cada uno de losejes y resolviendo para Sx, Sy, Sz se obtienen los valores del esfuerzo normal al plano yel esfuerzo cortante que actúa sobre éste mismo. En este caso es más fácil resolver para elesfuerzo cortante si se utilizan los esfuerzos principales.



De igual manera que en el caso de dos dimensiones, el esfuerzo cortante máximo oprincipal ocurre en un plano intermedio entre dos planos principales. El esfuerzo cortanteprincipal ocurre siguiendo la siguiente combinación de cosenos directores quebiseccionan el ángulo entre dos o tres planos principales.

4.2.4 Otros parámetros que influyen en la elasticidadConforme la temperatura aumenta, manteniendo la presión constante, los materialessufren una deformación, denominada dilatación térmica:εT = α ∆Tdonde α es el coeficiente de dilatación térmica longitudinal y ∆T es el incremento de latemperatura.

Otro parámetro importante es el módulo de Corte G, que es la proporcionalidad entre unadeformación por corte y el esfuerzo cortante que la causo.σC = G εC

La magnitud de G para un material isotrópico se determina por:G = E / 2 (1 + ν)El comportamiento elástico de los materiales se puede ver afectado por diferentesfactores como los son:

• Pequeñas adiciones de elementos aleantes o impureza que ejercen un efectoimportante siempre y cuando no formen soluciones sólidas.

• Trabajado en frío.• Endurecimiento por precipitación.• Endurecimiento por tratamiento térmico



Una cualidad de los metales es que muestran de manera muy clara un rango elástico yotro plástico, mientras que los cerámicos muestran prácticamente sólo uncomportamiento elástico. Los polímeros presentan muchos tipos de comportamiento“más allá de lo elástico”, los que dependen de su composición y estructura. Por ejemploel caucho con enlaces cruzados no sigue una proporcionalidad entre el esfuerzo y ladeformación por encima de un valor aproximado de deformación de 300%. A estadeformación se le denomina elastomérica. Cuando el esfuerzo es eliminado dichasdeformaciones desaparecen gracias al cruzamiento de enlaces. En ausencia de enlacescruzados las cadenas vecinas pueden deslizarse unas con respecto a otras y producir unadeformación plástica. Otro ejemplo que muestra un comportamiento diferente es elpolímero amorfo polimetilmetacrilato (Lucite), cuya curva de esfuerzo-deformaciónresultaría diferente si la carga se aplicara a diferente velocidad. A esta dependencia se leconoce como comportamiento viscoelástico, que comprende varios mecanismos, perocuya característica es una dependencia muy notable de la rapidez con que se aplique lacarga y de la temperatura.El comportamiento elástico de un material depende en gran medida del ordenamientoatómico, el cual le confiere cualidades de isotropía o anisotropía.Se dice que un material anisotrópico si el valor de una propiedad dada depende de ladirección en que se mide. Para que todas las relaciones en las que se involucre el módulode Young mantengan su validez, este valor deberá ser el apropiado según la direcciónconsiderada.La anisotropía de un monocristal proviene de la diferencia en la distribución atómica enlas diversas direcciones de prueba. Los materiales policristalinos (constituidos porgranos) muestran un comportamiento más cercano a la isotropía, siempre y cuando nohaya deformaciones plásticas previas como las de extrusión.Al someter a un material isotrópico a una condición de esfuerzos compleja, ladeformación en una dirección estará en función de los esfuerzos principales (donde n esla relación de Poisson):

4.2.5 Comportamiento Plástico de los MaterialesA diferencia del comportamiento elástico de los materiales, el estudio delcomportamiento plástico es más complejo, puesto que uno puede deformar plásticamenteun material de diversas maneras, aunque el resultado final es un cambio de formapermanente. Para algunos materiales la deformación plástica depende sólo del esfuerzoaplicado, mientras que para otros de la rapidez y duración de la aplicación del esfuerzo,así como de su intensidad.

Deformación Viscosa y Viscoelástica Deformación Viscosa.- es la deformación de uncuerpo mediante el flujo del material siguiendo un régimen viscoso. La rapidez dedeformación es proporcional al esfuerzo aplicado:



ησε =

dtd

donde dε/dt es la rapidez de deformación, σ es el esfuerzo y η es el coeficiente deviscosidad. Esta ecuación se aplica prácticamente a todos los líquidos, inclusive a metalesfundidos, vidrio líquido y polímeros típicos en estado de fusión. Aunque también seaplica a materiales sólidos bajo ciertas condiciones.

El comportamiento viscoso de un polímero amorfo es significativamente distinto alobservado en un vítreo debido a las diferencias en estructura.

Vidrio.- los enlaces individuales se rompen por efecto de la energía térmica; en presenciade un esfuerzo aplicado, los enlaces se restablecen con distintos átomos vecinos,permitiendo así, que ocurra una deformación permanente.

Polímero.- en el caso de estos materiales el proceso térmicamente activado es eldeslizamiento de una cadena con respecto a sus vecinos es el mecanismo de deformaciónplástica. En consecuencia, cuando se aplica un esfuerzo a un polímero amorfo, la rapidezde deformación resultante tiene una componente viscosa y una elástica

Aun materiales cristalinos como el acero, pueden deformarse de manera viscosa, perosólo bajo un esfuerzo reducido y a altas temperaturas. La mayoría de los metales sedeforman plásticamente mediante el proceso térmicamente activado de movimiento dedislocaciones. Un esfuerzo demasiado bajo para producir deslizamiento es capaz deinfluir en la manera en la que ocurre el movimiento y causar así la deformación lenta quese conoce como escurrimiento plástico (creep). Este fenómeno obedece la ley del flujoviscoso; la rapidez de deformación es proporcional al esfuerzo durante el escurrimientoplástico.

Deformación Viscoelástica.- si nosotros estirásemos una bolsa de polietileno ymantuviéramos la fuerza durante un período de tiempo, veríamos que la bolsa habríasufrido una deformación permanente al eliminar la fuerza. Este tipo de comportamientose encuentra en un amplio rango de transición entre el comportamiento perfectamenteelástico y el idealmente viscoso.A temperaturas superiores a la de transición a vidrio Tv, la componente viscosa llega a sermás importante, y en cierto intervalo de temperaturas, el término deformaciónviscoelástica describe correctamente el efecto combinado de los dos mecanismos en ladeterminación del comportamiento observado. El fenómeno viscoelástico es notable enpolímeros amorfos.El “recuerdo” de la historia o condiciones pasadas de un material viscoelástico puedeafectar significativamente su comportamiento. La consecuencia de la historia del materialconsiste en la recuperación que sigue a un período de deformación bajo esfuerzoconstante (escurrimiento plástico). Aunque la deformación después de una etapa dada t deesforzamiento es parcialmente viscosa y en parte elástica, puede desaparecer porcompleto con el transcurso del tiempo si las condiciones son apropiadas. Los enlacescruzados fomentan esta conducta, conocida como secuela elástica. Por lo común, la



recuperación es sólo parcial, y queda una deformación residual permanente, sin embargo,la recuperación es importante en polímeros conformados por laminado, extrusión ocompresión.

4.2.6 Características del Flujo Plástico- El comportamiento elástico y plástico de losmateriales puede ser perfectamente analizado mediante las curvas esfuerzo-deformación.La alumina experimenta una deformación plástica despreciable, mientras que los metalesy polímeros experimentan un flujo plástico considerable. En la práctica se manejan dosvalores que tienen que ver con el comportamiento plástico de los materiales, el primero esel esfuerzo de cedencia (o fluencia), que es el esfuerzo en el que comienza ladeformación plástica, el segundo es la resistencia última a la tensión, que es el esfuerzomáximo que un material puede soportar antes de la ruptura. La resistencia a la cedenciaes especialmente importante porque la mayor parte de las máquinas y estructuras debentrabajar en el rango elástico.Generalmente la definición más útil de resistencia a la cedencia es la del corrimiento de0.2 % (en una gráfica esfuerzo-deformación).El mecanismo de fluencia en polímeros es el realineamiento de cadenas poliméricas antesde que empice el deslizamiento en la dirección de deformación. En la mayoría de losmetales la fluencia comienza con movimientos atómicos que inmovilizan el movimientode las dislocaciones. Cuando el esfuerzo se intensífica estas dislocaciones se liberan ycomienzan a moverse y a generar otras dislocaciones móviles. La región resultante de ladeformación plástica, llamada banda de Lüders, se propaga a través del material.

4.2.7. Flujo de Materiales Policristalinos- Una manera aproximada de determinar ladeformación plástica de algunos metales es el utilizar la siguiente ecuación:

σ = Kεn

donde σ es el esfuerzo efectivo ε la deformación efectiva, K el coeficiente de resistenciay n el exponente de endurecimiento por deformación. La velocidad de deformación y latemperatura pueden modificar enormemente el comportamiento plástico de losmateriales.

4.2.8. Flujo de Materiales Cristalinos (Monocristales)- A diferencia del flujo viscoso,que ocurre aun por acción de pequeños esfuerzos aplicados, el deslizamiento en un planocristalino principia sólo después de que el esfuerzo aplicado ha alcanzado cierto valorrequerido, τc, que es el esfuerzo cortante crítico, y se puede respresentar fácilmente comoun esfuerzo cortante que actúa en plano y en la dirección de deslizamiento. Si unamuestra cilíndrica es sometida a un esfuerzo de tensión σ, hasta un valor σc en el que seinicia el deslizamiento, el esfuerzo τc puede calcularse de la siguiente manera:



φθσ

φ

θτ coscos

cos

coscc A

F ==

Si se gráficase el esfuerzo cortante en función de la deformación por corte para un cristalde cobre, se vería que el comportamiento elástico lineal ordinario ocurre sólo hasta unesfuerzo τc = 1 X 105 N/m2; por encima de τc las dislocaciones existentes se mueven yproducen una microdeformación adicional a la deformación elástica. A un esfuerzosuperior, τm, comienzan a crearse dislocaciones adicionales según diversos procesos, loque se describe por el término multiplicación de dislocaciones. La deformación plásticaaumenta entonces con rápidez al crecer el esfuerzo cortante, y la gráfica esfuerzo-deformación se convierte en lineal a deformaciones mayores (Etapa I). Las líneas dedeslizamiento individuales tienden a concentrarse en grupos para formar una banda dedeslizamiento; después de que cierta cantidad de deslizamiento se ha producido en elplano primario, los planos {111} restantes empiezan a participar en la deformación(Etapa II). Durante ésta última, el esfuerzo aumenta con rápidez a medida que continúa ladeformación.



FORMACIÓN DE BANDAS (ETAPA II)

Un material policristalino se deforma también por deslizamiento, pero en este caso, sobrecada grano (cristal) se ejercen dos tipos de restricciones, a) una dislocación es detenidapor una frontera de grano tan pronto atraviesa su propio cristal. Sólo después de que se haacumulado muchas dislocaciones en la frontera, el esfuerzo local se incrementa lonecesario para originar deslizamiento en el grano contiguo, b) el hecho de que no más decinco sistemas de deslizamiento independientes deben operar para permitir que un granose deforme y pase a la forma arbitraria impuesta por los granos vecinos.

Dislocación (el defecto más importante).¿Que tan fuerte tiene que ser un material en función de sus enlaces? La respuesta sebasaría en el comportamiento elástico de los materiales. Si un esfuerzo cortante τ queopera sobre un sólido, produce una deformación por corte según la ecuación

γ = τ / G

donde G es el módulo de elasticidad al corte (aprox. 1011 N/m2 para el hierro). Lasfuerzas interatómicas que enlazan los átomos con un espaciamiento d, deben mantenerlosenlazados durante el desplazamiento elástico de 0.1d (una deformación por corte de 0.1),como se aprecia en la figura. El enorme esfuerzo cortante necesario para producir estadeformación elástica en el hierro puede calcularse con la ecuación arriba presentada.La resistencia del hierro alcanza este valor teórico sólo en condiciones privativas, p.ej. enun filamento cristalino. En la práctica el hierro cede a un esfuerzo de una centésima parte.



En un desplazamiento elástico de aproximadamente 0.001d, el hierro responde a unesfuerzo cortante de sólo 108 N/m2 deslizando una o más posiciones reticulares en todoel plano del cristal (produciendo una deformación plástica). La razón de que un pequeñoesfuerzo pueda producir deformación plástica en una estructura cristalina fuertementeligada es que, si existe una dislocación, sólo unos cuantos enlaces deben ser“reajustados” en cada paso.

4.2.9. Deformación Plástica de Polímeros

A diferencia de los materiales inorgánicos los polímeros se deforman plásticamente por eldeslizamiento de una cadena sobre otra, puesto que la unidad estructural (mero) no sepuede romper o reemplazar sus enlaces. En un polímero vítreo se pueden cumplir dosrequisitos para que haya deformación: (1) debe estar disponible cierto volumen vacío enel interior del polímero a fin de acomodar la cadena en su nueva posición, y (2) algunosángulos de enlace se deben flexionar desde posiciones de baja energía hasta los de altaenergía, para permitir el desplazamiento de una porción de la cadena. La energía paraestos procesos la proporcionan los esfuerzos cortantes aplicados. En laminillas cristalinas,la deformación está restringida por el requisito de mantener la regularidad espacial.

Esfuerzos de tensión prolongados pueden provocar el deslizamiento de cadenas depolímeros y su posterior alineación. En polímeros vítreos las bandas de deslizamiento seagrupan en dirección del esfuerzo cortante máximo. En una etapa posterior, se desarrollancuarteaduras perpendiculares al esfuerzo de tensión aplicado; dichas cuarteaduras sonprecursoras de las grietas que conducen a la ruptura final. En polímeros cristalinos laslaminillas primero se deslizan una frente a otra y luego, de acuerdo a su orientación, secomprimen o separan físicamente. El siguiente paso es la disgregación de laminillas enpequeños bloques, que quedarán incorporados en microfibras (fibrillas).

4.2.10. Propiedades mecánicas a altas temperaturas

En general la resistencia de los materiales disminuye con el aumento de la temperatura.Puesto la movilidad de los átomos se incrementa con la temperatura, los procesosdeformación son controlados por la difusión de materia, lo que tiene un efectosignificativo sobre las propiedades mecánicas a temperaturas altas. Éstas tambiénfavorecen la morbilidad de las dislocaciones por el mecanismo de escalamiento o trepado.La concentración de equilibrio de vacancias se incrementa con la temperatura.Mecanismos de deformación nuevos empiezan a jugar un papel importante a altastemperaturas. En algunos materiales los sistemas de deslizamiento cambian, o se activansistemas adicionales.



Variación del esfuerzo de flujo con la temperatura para diversos materiales

Otro factor importante a considerar es el efecto de una exposición prolongada a altastemperaturas sobre la estabilidad de los metales y aleaciones. Por ejemplo, un metaltrabajado en frío recristalizará y sufrirá crecimiento de grano, mientras que las aleacionesendurecibles por envejecimiento se pueden sobre-envejecer y perder su resistencia tanpronto como las partículas de segunda fase crecen. La interacción de un material con suambiente es también otro factor importante a considerar. La oxidación catastrófica y supenetración intergranular debe evitarse al máximo.

Efecto del trabajado en frío sobre la resistencia de fluencia del hierro puro. Las micrografíasmuestran los cambios correspondientes en el número y la distribución de dislocaciones



Por mucho tiempo la principal aplicación de metales a alta temperatura estuvo dedicada aplantas generadoras de energía mediante vapor, refinerías de petróleo y plantas químicas.La temperatura de operación de equipo tal como calentadores, turbinas de vapor yunidades de fraccionamiento, raras veces excedían los 540 oC. Con la introducción deturbinas de gas se requirió del desarrollo de materiales que soportaran temperaturas dealrededor de 815 oC. El diseño de máquinas más poderosas ha llevado este límite hasta los980oC.

Una característica importante de la resistencia a alta temperatura es que siempre se debeconsiderar su evolución respecto del tiempo. Se considera que las propiedades de tensiónde la mayoría de los metales a temperatura ambiente, para propósitos prácticos, sonindependientes del tiempo. Sin embargo a altas temperaturas la resistencia se vuelve muydependiente de la velocidad de deformación y del tiempo de exposición. Algunos metalesbajo estas condiciones se comportan en buen grado como materiales viscoelásticos. Unmetal sometido a una carga constante de tensión a alta temperatura, fluirá yexperimentará un incremento de su longitud en función del tiempo.

La dependencia de la resistencia con el tiempo es diferente para cada tipo de material. Loque para un material es una temperatura elevada, para otro no lo es. La mejor manera decomparar las propiedades mecánicas de materiales diferentes, a temperaturas diferentes,se hace en términos de la relación de la temperatura de prueba y el punto de fusión,expresados en grados Kelvin. Esta relación se denominada temperatura homóloga.Generalmente, la fluencia lenta se hace de importancia ingenieril cuando la temperaturahomóloga es mayor que 0.5.

La selección de las pruebas mecánicas para medir alguna propiedad de un material atemperatura alta, debe hacerse en base al tiempo de servicio que este material tendrá. Porejemplo, la prueba de fluencia lenta (creep), mide el cambio dimensional que ocurre atemperaturas altas durante un período largo, mientras que la prueba de resistencia a latensión mide el efecto de la temperatura sobre la capacidad para soportar carga.

La curva esfuerzo-deformación y las propiedades de flujo y fractura, derivadas de unaprueba de tensión, dependen fuertemente de la temperatura a la cual ésta se realiza. Engeneral, la resistencia decrece y la ductilidad aumenta conforme la temperatura seincrementa. Sin embargo, los cambios microestructurales tal como la precipitación,envejecimiento o recristalización pueden, en ciertos rangos de temperatura, alterar estecomportamiento. Los procesos térmicamente activados asisten la deformación y reducenla resistencia a temperaturas elevadas. A temperaturas altas y/o períodos largos deexposición, pueden ocurrir cambios estructurales que resultan en una deformación-dependiente del tiempo o fluencia lenta (creep).

El incremento de la temperatura hace que la curva esfuerzo-deformación de un aceromedio carbono cambie notoriamente. También puede observarse una rápida disminucióndel esfuerzo de cedencia de metales bcc conforme la temperatura aumenta, mientras quepara el Ni (fcc) esta dependencia es más pequeña. Otro aspecto importante, es el hecho de



que algunos los metales bcc son frágiles a bajas temperaturas (W a 100 oC, Fe a -225 oC),mientras que el Ni muestra una pequeña disminución en ductilidad sobre el mismo rangode temperatura.

En metales fcc el esfuerzo de flujo depende poco de la temperatura, pero el exponente deendurecimiento por deformación decrece con el aumento de la temperatura. Esto resultaen un aplanamiento de curva esfuerzo deformación con el incremento de la temperatura,manifestándose en una mayor dependencia de la resistencia a la tensión de latemperatura. En la deformación en tensión a temperaturas elevadas puede ocurrir laformación de más de un cuello en una probeta.

La medición de la dureza a una temperatura alta puede dar una buena idea de la utilidadpotencial que puede tener un material en dicho rango de temperatura.Westbrook mostró que la dependencia de la dureza con la temperatura se puede expresarpor la ecuación:

H = A e-BT

donde: H = es la durezaT = temperatura de prueba, oKA, B = constantes

Gráficas de H en función de la temperatura para metales puros, generalmente muestrandos líneas rectas de diferente pendiente. Este cambio en pendiente ocurre a unatemperatura alrededor de un medio del punto de fusión del metal (temperatura homólogade 0.5). Un comportamiento similar se observa en gráficas del logaritmo de la resistenciaa la tensión contra la temperatura. Es probable que el cambio de pendiente se deba a uncambio en el mecanismo de deformación a temperaturas altas.

La medición de la dureza como una función de la temperatura muestra cambios abruptosen los puntos donde ocurren transformaciones alotrópicas. Pruebas de dureza en calientesobre Co, Fe, Ti, U y Zr han mostrado que la estructura cúbica centrada en el cuerpo essiempre más suave. Las estructuras cúbicas centrada en las caras y la hexagonal compactatienen aproximadamente la misma resistencia, mientras que estructuras más complejaspueden mostrar una dureza mayor. Estos argumentos están de acuerdo con el hecho deque las aleaciones austeníticas de fierro tienen una resistencia mayor que las aleacionesferríticas a temperatura alta.

Respecto al comportamiento a la fractura que muestran la mayoría de los materialespolicristalinos se observa una transición de fractura transgranular a intergranular,conforme la temperatura se incrementa. Cuando la fractura transgranular ocurre, losplanos de deslizamiento son más “débiles” que los límites de grano, mientras que parauna fractura intergranular el límite de grano es el componente más “débil”. En este casola velocidad de deformación tiene una influencia importante. Para el estudio de la fracturase ha definido el concepto de temperatura de equicohesividad (ECT), que es el punto enel que los granos y los límites de grano tienen la misma resistencia. Conforme ECTdisminuye, la tendencia a la fractura intergranular aumenta.


J.D.O. Barceinas-Sánchez y A.Juárez-

Datos d

4.3 Fundamentos y Méto

4.3.1 Diagramas de Tran

Estos diagramas, tambtransformaciones que ocucierto período de tiempo.

Los diagramas T- T -T temperatura en donde transfieren rápidamentediferentes temperaturas. segundo hasta días o sema

De esta manera el porcetiempo y temperatura ptransformación. Para estarayos "X" y metalografía.

Los diagramas obtenidoordenadas indican las temPor su forma característicla adición de elementos destos diagramas consistenfin de transformación, metaestable, el intervalo como período de incubaciparte a la derecha de la cu

ResistenciaCharpy

160 Acero de baja resistencia y alta tenacidad

Temperatura de transición de dúctil a frágil 41x107 N/m2

120 resistencia defluencia

Acero de mediana 80 resistencia 87x107 N/m2

Acero de alta resistencia y

40 baja tenacidad

150 x 107 N/m2

resistencia de fluencia 0 -160 –120 –80 -40 0 40 80 120 160 200 Temperatura de ensayo oC

Hernández

e pruebas de impacto para diversas temperaturas

dos de Fortalecimiento de los Materiales

sformación Isotérmica

ién conocidos como diagramas T -T -T, muestran lasrren cuando el material es mantenido a cierta temperatura, por

se determinan calentando muestras muy pequeñas hasta unapresenten estructura Austenítica. Después, las muestras se a baños de sales o de plomo fundido, los cuales están aLas muestras se mantienen por diferentes tiempos, desde unnas después de lo cual se enfrían rápidamente en agua.

ntaje de material transformado, en condiciones específicas deuede ser evaluado, así como la naturaleza y productos de evaluación se utilizan métodos dilatométricos, difracción de

s son de la forma que muestra la Figura 4.7. En ellos lasperaturas y las abscisas el tiempo graficado logarítmicamente.a, estos diagramas han sido llamados curvas "S", sin embargo,e aleación modifica dicha forma. Como se observa en la figura, en dos curvas fundamentalmente, las cuales denotan el inicio ya la izquierda de ellas existe exclusivamente Austenitade tiempo necesario para que la reacción se inicie, se conoceón. La sección entre las dos curvas es el tiempo de reacción y larva de fin de transformación, indica el producto formado.



En un acero eutectoide, una vez que las reacciones han terminado, los productos que seobtienen son Perlita Gruesa, alrededor de los 700°C, alrededor de 550°C, se encontraráPerlita Fina; a 450°C la estructura será de Bainita Superior mientras que, cercana a los250°C aparecerá Bainita Inferior. Por debajo de la: horizontal, marcada por latemperatura Ms, el producto de la transformación será Martensita.

4.3.2. Influencia de los elementos de aleaciónLos elementos de aleación pueden subdividirse en dos grupos, dependiendo de como seafecte la descomposición de la Austenita.a) Aquellos que tienen efectos parecidos al carbono, los cuales disminuyen la velocidaddeFormación de Perlita y Bainita y bajan la temperatura de formación de Martensita.

Estos elementos no forman carburos y en caso de hacerlo serán menos estables que lacementita. En orden decreciente de importancia, estos elementos son Níquel, Manganeso,Cobre, Silicio, Fósforo y Azufre.

b) Los elementos de este grupo Son básicamente Cromo y Mo1ibdeno, los cualesretardan considerablemente la formaci6n de Perlita y también aunque no tanmarcadamente la f formación de Bainita, y bajan la temperatura de formaci6n de Bainitay Martensita, mientras que elevan la de formaci6n de Perlita.

Figura 4.7. Diagrama T-T-T, típico de un acero Eutectoide.


J.

A las altas concentraciones estos elementos separan las reacciones, creando al centro deldiagrama una zona de Austenita metaestable, (ver la Figura 4.8). Existen otros factoresque afectan las curvas de transformación isotérmica, entre ellos se cuentan el tamaño degrano, el cual a su vez es función del tiempo y la temperatura de austenización. El granogrueso provoca en general un aumento de las temperaturas de transformación.

Los carburos no disueltos y las inclusiones no metálicas por lo general aceleran lavelocidad de transformación. Por último las condiciones de manufactura del materialpueden provocar alteraciones del diagrama.

4.3.3 Tratamientos Térmicos

La importancia de los tratamientos térmicos radica en el hecho de que por medio de elloses posible modificar la microestructura y las propiedades mecánicas de los metales, lascuales pueden ser ajustadas a necesidades específicas de trabajo. Un tratamiento térmicoconsiste fundamentalmente de tres etapas, calentamiento, permanencia y enfriamiento.

Las etapas de calentamiento y permanencia se rigen básicamente por las mismasconsideraciones para todos los tratamientos térmicos. La etapa de enfriamiento es la quedefine el tipo especifico de tratamiento.

Velocidad de calentamiento

Durante las etapas iniciales de calentamiento la superficie de la pieza alcanzatemperaturas mayores a las del centro. Este efecto se incrementa cuando las piezas tienensecciones de espesores diferentes, ya que, cada una, se calentará a diferente velocidad.Estas diferencias en temperatura se disminuyen precalentando las piezas a temperaturasinferiores a A1, o bien, aplicando velocidades de calentamiento bajas.

Figura 4.8. Diagrama T -T -T, mostrando la separación de las reacciones Perlítica y Bainítica enun acero altamente aleado.

D.O. Barceinas-Sánchez y A.Juárez-Hernández



El precalentamiento puede eliminarse y la velocidad de calentamiento ser aumentada,cuando las piezas son pequeñas y simétricas. El tiempo de calentamiento puede calcularseusando expresiones estándares o bien gráficas derivadas de estas. La Figura 4.8, muestrael diagrama del tiempo de calentamiento en función, de la secci6n para aceros carbono yde baja aleación. La velocidad de calentamiento, no depende únicamente de la forma ydimensiones de la pieza, otros factores, tales como, la capacidad del homo, y el grado deempacamiento deben tomarse en cuenta.

Temperatura y tiempo de permanencia

Para cada grado de acero existen rangos de temperatura donde el material puede sercalentado. La temperatura adecuada debe seleccionarse tomando en consideración el tipode tratamiento térmico que se dará, así como, las características físicas y mecánicas quedesean obtenerse. Una vez que el material ha alcanzado la temperatura adecuada, eltiempo que debe permanecer en ella depende de la cantidad de carburos disueltos que sedeseen. Debido a que la cantidad de carburos varía de acero a acero, el tiempo depermanencia también variará con el material.

Aceros al carbono y de baja aleación.

Estos materiales contienen carburos fáciles de disolver, por lo que requieren tiemposcortos de permanencia, por lo general tiempos de 15 minutos por pulgada de sección, sonsuficientes.

Aceros de media aleación.

En general el tiempo recomendado es de 25-30 minutos sin que en este caso lasdimensiones de la pieza tratada sean muy importantes.

Para endurecimiento a la flama o por inducción el tiempo de permanencia dependerá dela temperatura usada para el tratamiento, necesitándose tiempos más cortos paratemperaturas mayores. Por lo general, tiempos de minutos y en algunos casos desegundos, son empleados.

Para aceros de herramientas de baja aleación.

En este caso el tiempo debe ser calculado con mayor precisión para asegurar la durezadeseada, como regla general se sugiere mantener 30 segundos por milimetro de sección;sin embargo, el tiempo no deberá ser menor de cinco minutos, ni mayor de 1 hora, enningún caso.


J.D.O. B

Veloc

La vetanto cabo RecocTemp

4.3.4

El rectiempPara pa) Redel ra

b) Rela tem

Reco

ComotempeDurandadas

Figura 4.9. Tiempo de Ca!entamiento hasta 850°C para barras de diferente sección.

arceinas-Sánchez y A.Juárez-Hernández

idad de enfriamiento

locidad de enfriamiento define las características a obtener del material y por loestablece los diferentes tratamientos térmicos, cuando el enfriamiento se lleva aa velocidades bajas, (por ejemplo dentro de un horno ), el tratamiento se llamaido. Cuando la velocidad es alta (por ejemplo agua), el tratamiento se conoce comole y cuando se usan velocidades intermedia (como aire}, se denomina Normalizado.

.Recocido

ocido tiene como principal finalidad el ablandar el material, produciendo al mismoo una estructura los más homogénea posible.ropósitos generales, el Recocido puede ser subdividido en dos categorías:

cocido de Austenización completa. En el cual el material es calentado por encimango de temperatura crítica de transformación y enfriado lentamente.

cocido Subcrítico. En el cual el calentamiento es efectuado justamente por abajo deperatura critica de transformación.

cido de austenización completa

se vio al estudiar el diagrama Fe-C, cuando el acero se calienta por encima de laratura crítica de transformación, la estructura consiste totalmente de Austenita.te el enfriamiento lento dicha fase se transformará, de acuerdo a las reacciones por el diagrama, obteniéndose Ferrita + Perlita en aceros hipoeutectoides,



únicamente la Perlita en aceros eutectoides y Perlita + Cementita en el caso de aceroshipereutectoides. En general, se puede decir que con este tratamiento se obtiene Perlitamás Ferrita o Cementita según la composición del acero.

Otra característica que se logra con el recocido de austenización completa es elrefinamiento del grano o sea el tamaño de grano obtenido después del tratamiento serámenor que el original lo cual, en general, mejora la ductilidad del material y aumenta latenacidad si el material es posteriormente endurecido.

Recocido de recristalizacion

En realidad este tratamiento cae en el rango de austenización incompleta o subcritico, sinembargo, se trata por separado ya que presentan características especiales.

Cuando el material se deforma en frío, la estructura adquiere cierto grado de acritud, losgranos son deformados y la dureza aumenta provocando con esto que el material tenga unlímite más allá del cual no puede seguir deformándose. Con el recocido derecristalización se logra recuperar la estructura equiaxial original, eliminar las tensionesproducidas por la deformación y bajar la dureza, lo cual permitirá su ulteriordeformación sin riesgo de fractura.

Recocido sub-crítico

El objetivo fundamental de este tratamiento es el mismo que el recocido de austenizacióncompleta, o sea ablandar el material. Si bien en algunos casos la dureza no llega a ser tanbaja, existen razones que hacen este tratamiento más ventajoso.

Debido a la menor temperatura de tratamiento no existe gran descarburación y lavelocidad de enfriamiento una vez terminado el tratamiento no tiene tan gran influenciaen la dureza o subestructura, lo cual simplifica grandemente el tratamiento.

Recocido de esferoidización

Con este tratamiento de logran las durezas mas bajas del rango. Cuando un acero conestructura perlítica es sometido a este tratamiento, las laminas de cementita empiezan,

después de algún tiempo, a reponerse. A medida que el tiempo transcurre, la laminillasfraccionadas tienden a globilizar y al final los extremos se unen para formar esferoides.

El proceso es acelerado a medida que la temperatura aumenta, siempre y cuando no sesobrepase la temperatura critica, ya que si esto sucede, el carbono se disolverá en laaustenita y la estructura se reformara como laminillas.


J.

4.3.5 Normalizado

El tratamiento consiste en calentar el acero alrededor de 50-60°C por encima de latemperatura crítica de transformación, manteniéndose a dicha temperatura por un periodocorto de tiempo y enfriando al aire. El normalizado produce recristalización del acero,eliminando la estructura de grano grueso obtenida por laminación, fundición, forja, etc.

Debido a que en este caso la velocidad de enfriamiento es mayor que en el recocido, ladescomposición de la austenita se lleva a cabo a temperaturas más bajas, lo cual cambiala proporción de Ferrita y Perlita, aumentando la resistencia y la dureza en comparaciónal acero recocido (ver figura 4.10).

La aplicación del tratamiento de normalizado depende del acero a tratar. En los aceros demuy bajo carbono se utiliza como substituto del recocido, garantizando una mejorsuperficie de corte y disminuyendo el tiempo de tratamiento. Para los aceros alrededor de0.3 % C°, se puede usar como substituto del temple y revenido, ya que la operación esmás sencilla, produce menor deformación y las propiedades mecánicas son solamenteligeramente menores. En los aceros hipereutectoides se utiliza para destruir la red decementita, la cual aparece con enfriamientos lentos.


Figura 4.10. Dureza del acero, en función del contenido de Carbono después de: 1. Temple enagua. 2. Temple en aceite. 3. Normalización.4. Recocido total. 5. Recocido subcritico.



4.3.6 Temple

El tratamiento térmico de temple, puede describirse como calentamiento del materialhasta una temperatura superior a la crítica de transformación, (rango en el que todo elmaterial tendrá estructura Austenítica), seguido de enfriamiento rápido a una velocidadtal que la transformación de la Austenita sea suprimida hasta el rango de TransformaciónMartensítica, lo cual resultará en una estructura de Martensita.

En el tratamiento de temple, la etapa de precalentamiento es más crítica que en elrecocido y normalizado ya que los riesgos de que el material se fracture debido agradientes térmicos, es mayor, lo cual por otro lado, en general, provoca distorsionesfuertes.

Medios de enfriamiento.

El enfriamiento desde la temperatura de Austenización puede ser efectuado en diferentesmedios, dependiendo del tipo de acero, forma de la pieza y propiedades deseadas. Paraaceros al carbono el medio de enfriamiento es casi siempre agua. A medida que el acerova siendo más aleado, la velocidad de enfriamiento requerida va siendo menor y por lotanto, el medio de enfriamiento será menos severo. A medida que la severidad de templees menor la distorsión de la pieza tratada, será menor también.

A continuación se describen algunos de los medios de enfriamiento más comunes.

Agua.

Posiblemente el medio más usado, sin embargo, el agua pura no es tan adecuada, ya quesu máxima eficiencia de enfriamiento es alrededor de 300°C, temperatura en la que latransformación a Martensita se inicia en un gran número de aceros.

La adición de sal al agua provoca un aumento en la capacidad de enfriamiento y el rangoen el cual se tiene la máxima capacidad de extracción de calor, cambia aaproximadamente 500°C. Estas diferencias se muestran esquemáticamente en la Figura6.5, la que muestra también que la capacidad de enfriamiento del agua disminuye muchoarriba de 60°C.

Aceite.

El enfriamiento en aceite es bastante más lento que en agua. La velocidad mayor deenfriamiento se encuentra alrededor de 600°C y es relativamente lenta en el rango deformación de Martensita. Debido a la baja capacidad de extracción de calor, el temple enaceite de aceros de baja y media aleación se restringe a piezas de sección pequeña.

Una manera de aumentar la capacidad enfriadora del aceite (así como del agua) consisteen agitar vigorosamente el medio. La influencia de la agitación en la profundidad detemple se muestra en la Figura 4.11.


J.

(a) (b)

Figura 4.11. (a) Capacidad de enfriamiento del agua pura. b. Capacidad de enfriamientode agua con 11% de Na CI .

Figura 4.12. Influencia de la agitación en la velocidad de enfriamiento. 1) Sin agitación.2) Con agitación.




Otra manera de aumentar la severidad del aceite es calentándolo entre 50 y 80°C, lo cuallo hace más fluido y aumenta la capacidad enfriadora.

Emulsiones.

Con emulsiones agua-aceite soluble, es posible obtener una gama de velocidades deenfriamiento, sin embargo, la capacidad de extracción es, en general, inferior a la delaceite. El mismo resultado se obtiene si de una manera involuntaria algo de agua esañadida al aceite, además, el riesgo de fractura se verá aumentado ya que la Martensita seformará más rápido en la superficie, que en el centro, lo cual aumentara la concentraciónde esfuerzos superficiales. Si el agua y el aceite no están bien mezclados, ocurrirá uncalentamiento rápido del agua, seguido de una brusca generación de vapor, lo que puededar lugar a una explosión.

Agua con aditivos especiales.

El media de enfriamiento, debería enfriar el material rápidamente hasta la temperatura deinicio de formación de Martensita (Ms) y después, lentamente hasta temperaturaambiente. La adición de ciertas substancias al agua, hace posible tener medios deenfriamiento muy cercanos al ideal. Una de estas mezclas conocida comercialmentecomo aquaquench contiene 8% de hidroxil-polieter substituido y 98% de agua. La adiciónde 2% de aquaquench al agua reduce en mucho el riesgo de fractura, sin deterioro de laspropiedades mecánicas La adición de 15% da un medio de enfriamiento muy similar alaceite pero el riesgo de incendio es totalmente eliminado.

Baños de Sales.

Los baños de sales más empleados para propósitos de enfriamiento consisten en mezcla apartes iguales de nitratos de Sodio y de Potasio. Los baños de sales, son muy buenos paratemple de aceros que tengan buena templabilidad y secciones pequeñas. La capacidad deenfriamiento aumenta a medida que la temperatura del baño baja y la agitación aumenta.El tiempo adecuado de permanencia en el baño varía de 2 minutos por centímetro desección para temperaturas bajas y secciones pequeñas, a 4 minutos/cm de sección a altastemperaturas y secciones grandes. La capacidad de enfriamiento del baño de sales puedeaumentarse con adiciones de agua, sin que estas sean mayores del 0.5 -0.5% con lo cual,dicha capacidad se duplica.



La figura 4.12 ,resume las capacidades de enfriamiento de diferentes medios de enfriamiento.

4.3.6. Templabilidad

Considerando que la velocidad de enfriamiento es mayor que la crítica, o sea, que se evitala formación de productos intermedios como Perlita, Bainita, etc., la dureza que seobtiene por medio del temple, es función del contenido de carbono del material. Larelación entre dureza, contenido de carbono y cantidad de Martensita, se muestra en laFigura 4.13. Templabilidad es la habilidad que tiene el acero para endurecerse por laformación de Martensita. La templabilidad determina la profundidad de capa endurecida,o sea, que un acero con alta templabilidad presentará mayor profundidad de capaendurecida que uno de baja templabilidad. Existen varios tipos de pruebas para evaluar latemplabilidad, a continuación se describenbrevemente dos de las más importantes.

Ensayo Jominy

Esta prueba consiste en calentar una pieza como la que se ilustra en la Figura 4.14 a, encondiciones iguales a la del tratamiento térmico. La muestra una vez terminadas las 2primeras etapas del tratamiento, es transferida rápidamente al dispositivo mostrado en laFigura 4.14 b, y templada únicamente por un extremo, usando para tal fin un chorrocalibrado de agua a 25°C. De esta manera una gama de velocidades de enfriamiento esproducida a lo largo de la barra, desde temple severo en la porción en contacto con elagua, hasta enfriamiento al aire en el otro extremo. Cuando el enfriamiento termina se



maquina una superficie plana de 0.38 mm de profundidad en dos porciones paralelas de labarra y se mi de la dureza cada 2 mm a lo largo de la pieza. Graficando dureza contradistancia del extremo templado se puede obtener la profundidad de temple característicadel material como se muestra en la Figura 4.15.

Determinación del diámetro crítico

Este método fue desarrollado por Grossmann y consiste en tomar una serie de barras, dediferentes diámetros y templarlos en un medio determinado. Empleando metalografía sedetermina la cantidad de Martensita presente en cada barra. El diámetro de la barra quetenga 50% de Martensita en el centro dará el diámetro crítico. (D°).

La severidad de temple, dada por el medio de enfriamiento, permite convertir el diámetrocrítico en diámetro ideal (D), el cual se define como el diámetro de una barra, la cual esenfriada en la superficie a una velocidad infinitamente rápida y que produce unaestructura que en el centro consta de 50% Martensita.

El valor (D) es entonces una medida de la templabilidad del acero, independientementedelmedio de enfriamiento.

% c

Figura 4.13. Relación entre dureza, contenido de Carbono y % Martensita.

a) 99% Martensita.b) 95% Martensita.c) 90% Martensita.d) 80% Martensita.e) 50% Martensita.



Figura 4.14 a) Probeta Jominy; b) Vista general del dispositivo Jominy.

(a)

(b)



4.3.7 Revenido

Cuando un acero es templado, la formación de Martensita le imparte propiedades de altadureza y baja tenacidad, lo cual provoca que sea muy frágil. Por otro lado, latransformación Austenita-Martensita, introduce esfuerzos altos en el material, los cualespueden generar en fractura. Para disminuir dichos esfuerzos, el material templado debesometerse a un recalentamiento, el cual a su vez disminuirá la tenacidad del material,dicho tratamiento es conocido como Revenido y debe efectuarse inmediatamente despuésdel temple.

El Revenido se puede subdividir en tres etapas (cuatro para aceros aleados), las cualesdescriben los cambios que ocurren en el material al pasar por diferentes temperaturas, dela siguiente manera:

Primera Etapa: Descomposición de Martensita y precipitación de Carburo épsilon.

Segunda Etapa: Transformación de Austenita Retenida, básicamente a Bainita.

Tercera Etapa: Transformación del Carburo Epsilon a Cementita.

Cuarta Etapa: Precipitación de Carburos Aleados.

Las temperaturas a las que estas etapas se efectúan dependen de la velocidad decalentamiento. A 1O°C/min., se localizan a 100-200°C; 200-325°C; 325-450°C, 450-700°C, respectivamente.

La descomposición, tanto de Martensita como de Bainita, depende de tiempo ytemperatura y sigue el patrón de los diagramas temperatura-tiempo-transformación.

La interrelación entre dureza, tiempo y temperatura, se ilustra matemáticamente usando laexpresión formulada por HoIlomon y Jaffe:

P = T(k + log t)donde:

P= Parámetro de Revenido.T= Temperatura en grados Kelvin.k. y<:= Constante ( 20 para la gran mayoría deaceros).t= Tiempo en horas.

A cada valor de P corresponderá una dureza, la cual puede obtenerse a partir de una curvamaestra.


Austempering de Aceros

El austempering es una transformación isotérmica de las aleaciones ferrosas a unatemperatura por debajo de la temperatura de formación de perlita y por encima de laformación de martensita.

Para realizar un austempering se procede en la siguiente manera: Figura 6.11.

I) -Se calienta el acero a una temperatura dentro del rango de austenitización,habitualmente entre 790 y 870°C

2) -Se templa en un baño que se mantiene a una temperatura constante entre 270 y400°C

3) -Se deja permanecer en este baño el tiempo necesario para que se complete transformación abainita.

4) -Se enfría hasta la temperatura ambiente en aire quieto.

Las diferencias fundamentales entre un austempering, un martempering y un templeconvencional están mostrados en la Tab 1 a~.I. El principal objetivo del austempering estener un aumento de la ductilidad y la resistencia al impacto a valores de dureza altos.

Tabla de Aplicaciones típicas de Martenperingin (las partes listadas están en orden creciente deespesor.


CAPITULO 4: PROPIEDADES, FORTALECIMIENTO Y …prof.usb.ve/hreveron/capitulo4a.pdf · ·...

Documents

Transcript of CAPITULO 4: PROPIEDADES, FORTALECIMIENTO Y …prof.usb.ve/hreveron/capitulo4a.pdf · ·...