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PLASTICIDAD Introducción Javier Gil Sevillano TECNUN (Universidad de Navarra) y CEIT, San Sebastián, España Marzo 2003
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PLASTICIDADIntroducción
Javier Gil SevillanoTECNUN (Universidad de Navarra) y CEIT, San Sebastián, España
Marzo 2003
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• ¿QUÉ ES PLASTICIDAD?
• ¿POR QUÉ INTERESA? Ejemplos a todas las escalas
• UN POCO DE HISTORIA
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Plasticidad: f., cualidad de plástico.
Plástico, ca: Del latín plasticus, y éste del griego
πλαστικοζCapaz de ser modelado.
Dicho de un material: Que, mediante una compresión más o menos
prolongada, puede cambiar de forma y conservarésta de modo permanente, a diferencia de los
cuerpos elásticos.
Diccionario de la Lengua Española, 22ª edición, Real Academia de la Lengua Española,2001.
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Concepto técnico-científico:
Un sólido bajo tensión mecánica sufre siempre
• Deformaciónelástica: totalmente reversible
anelástica: recuperable pero irreversible
plástica: permanente e irreversible
en competición con fenómenos de
• Rotura (frágil, dúctil)
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¿Por qué interesa la Plasticidad?
•Ingeniería de materiales•Ingeniería mecánica•Física•Geología•Astronomía•Microtecnologías•Arte
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El ingeniero mecánico que se dedique al diseño estructural, debe conocer y entender bien la Plasticidad para evitar fallos irreversibles: Normalmente, sus estructuras deben trabajar en régimen puramente elástico.Pero...
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11 de septiembre, 2001.
La caída de la resistencia plástica de la estructura metálica, provocada por el aumento de la temperatura, da lugar al colapso plástico de las plantas de la zona de impacto, bajo el peso de las plantas superiores y desencadena el derrumbe final.
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El ingeniero de Materiales debe conocer la Plasticidad para realizar procesos industriales de conformado por deformación
(especialmente, de metales)
9Laminación en caliente de acero
10CEMEF, cálculo MEF con FORGE3
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Conformado en frío de chapas de acero para fabricación de automóviles
12GOM Internationsl
Entender la plasticidad permite dominar y optimizar el conformado de los metales
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La plasticidad cambia la estructura y la resistencia de los metales
No sólo se aprovecha el cambio de forma...
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También, la Plasticidad contribuye al Arte
E. Chillida, Helsinki
15Mill Creek landslide, CA, USGS, USA
Flujo “plástico” de tierras
LA PLASTICIDAD MODELA PAISAJES
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Flujo, a lo largo de 2 Km, de 60000 m3 de residuos de una mina de carbón British Columbia, Canadá
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Glaciar Barnard (Alaska)NSIDC, American Geographical Society Collection
El hielo fluye plásticamente en los glaciares
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La corteza, el manto y hasta el núcleo sólido de la tierra están en un continuo proceso
de deformación plástica
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Las arrugas plásticas de la corteza terrestre crean las grandes cordilleras, como elHimalaya...
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...o los Andes
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Internamente, las rocas y minerales muestran también signos microscópicos de las deformaciones plásticas
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Deformación localizada a cortadura en una roca bifásica
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¡Plasticidad hasta en el centro de la Tierra!
1999
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Ganges ChasmaFlujo “plástico” en MarteMGS, NASA, JPL, 2001
¿Plasticidad extraterrestre?
¡También!
25NASA, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California. Misión Galileo
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Europa (satélite de Júpiter)Deformaciones a cortadura en la corteza superficial de hielo
Hoppa et al., Lunar & Planetary Laboratory, Univ. Arizona, 1998
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Corteza de hielo de Europa, luna de Júpiter,15x12 KmGalileo EDRs, NASA, JPL, Pasadena, California. Imagen ref. PIA00849
Europa, 1572Km
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La plasticidad también se oculta en procesos que, a primera vista, no parecen estar muy relacionados con ella:
•Mecanizado por arranque de viruta•Mecanizado abrasivo•Fenómenos de contacto entre sólidos y desgaste por deslizamiento•Roturas macroscópicamente frágiles•Fatiga•Fluencia lenta•Anelasticidad
29Zhang y Alpas, MSE, 2002
6061 Al
El mecanizado de materiales dúctiles es básicamente deformación plástica
30Jaspers y Dautzemberg, JMPT, 2002
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Deslizamientos cristalográficos generados en la zona plástica de una grieta cargada en “modo I” en un monocristal de Cu
W. C. Crone
La plasticidad está casi siempre presente en la rotura, incluso, localmente, en las roturas frágiles.
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Natural logarithm of displacement (in m) in the sliding direction relative to the position of anundeflected grain boundary vs. distance z from the surface separating the smallest subgrains in the base material(copper) and the surface layer of nanocrystalline mixed material. The straight line is a least squares fit to thedata. The data are consistent with an exponential decay ~exp(-kz), with k=3.7×105 m-1.
OFHC Cu block on 440°C steel ring, normal load 67 N, sliding speed 10 mm s-1,Sliding distance 12 mAr atmosphere
Rigney, Wear, 2000
Estructura de la sección bajo la superficieA: capa nanocristalinaB. capa con subgranos
¡La deformación bajo superficiesSometidas a desgaste pede ser enorme!
Γ(h=0) = 12Γ(sup.) = 20
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Progreso de la deformación porDeslizamiento en un cristal de Si
La plasticidad también puede ocurrir en el silicio de los chips
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La plasticidad se puede estudiar a diferentes escalas:
Macroscópica (olvidándose de la estructura interna del material): “Plasticidad del continuo”
Microscópica (considerando esa estructura interna)
La jerarquía estructural que existe en los materiales permite hablar de enfoques de estudio
-mesoscópicos-microscópicos-nanoscópicos
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ESCALAS DE LA PLASTICIDADTamaño del objeto típico de estudio
< 100 nm< 103 bNANO
0.1 µ - 10 µ< 103 ρ-1/2MICRO
1 µ – 1 mm10-1D - 10DMESO
> 1 mm>>DMACRO
Escala absolutaEscala relativa
D: tamaño de grano ρ: densidad de dislocaciones b: distancia interatómica
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CEMEF, 2000
MACRO
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Cubo policristalino con 10000 granos
Más o menos, un paisaje mesoscópico típico podría ser así:
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M. FivelINPG, Grenoble
Paisaje meso-micro
39Simulaciones numéricas de la indentación de un cristal FCC
A escala nanométrica (DM) A escala micrométrica (dislocaciones discretas)
NANO MICRO
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Generación de dislocaciones desde el borde de una grietaen proceso de carga (modo I). ¡1000000000 átomos!
F. Abraham et al., IBM, 2002
Plasticidad a escala NANOSCÓPICASimulación numérica mediante Dinámica Molecular
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Para acabar, un poco de historia
Hitos principales del desarrollo de la Plasticidad
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MACRO 1864 Criterio de Tresca 1913 C. de von Mises .................................. 1950 Hill, “The Mathematical tehory of Plasticity ………………… ≈ 1960 Métodos computacionales (FEM, etc.) ............................
MESO 1867 Reusch: deslizamiento en sal gema y calcita 1899 Ewing y Rosenhein: deslizamiento en metales 1912 von Laue 1914 Braggs 1924 “Ley de Schmid” 1938 Modelos de Taylor 1950/51 Modelo de Bishop-Hill 1955 TEM, réplicas 1963 SEM 1969 Chin y Mammel ................................... 1993 OIM
MICRO 1934 Taylor-Polanyi-Orowan: dislocaciones ................................... 1955 TEM, dislocaciones
≈ 1960 Simulaciones por computador (dislocaciones discretas, dinámica molecular...) 1980 HRTEM 1981 STM 1990 AFM 1993 Nanoindentación
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Comentario final:
Esta pequeña introducción ha pretendido informar y motivar
La Plasticidad, a cualquiera de sus escalas, es un tema vivo, interesante y útil
