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• Diana Vizuet

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Defectos superficiales Se definen como defectos superficiales a aquellos planos que separan un material en diferentes regiones, por lo que una misma región puede presentar diferentes orientaciones con la misma estructura cristalina. Superficie del material: La superficie exterior del material da a lugar el acabado en el que el cristal termina de manera irregular (fracturas, muescas, asperidad etc.). Por lo que los átomos ubicados en la superficie ya no están coordinados y se interrumpe el enlazamiento atómico. La razón del número de átomos de superficie en materiales nanoestructurados en cuestión de volumen es muy alta y su área de superficie por unidad de masa también. En muchas áreas de la industria se usan catalizadores de área de superficie alta para mejorar la cinética de las reacciones químicas. Límites de grano: Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es regular; aunque la orientación de dichos arreglos, se presenta de formas distintas para cada grano. Las microestructuras de los cerámicos y materiales metálicos dependen mucho de los granos. Un límite de grano es la superficie que separa los granos individuales, es una frontera delgada en la que los átomos no están organizados de forma correcta. Debido a esta frontera, los átomos se encuentran tan cerca entre ellos que provocan regiones de compresión y otros provocan tensión debido al alejamiento. El método que se utiliza para controlar las propiedades de un material es por medio del control del tamaño del grano. Un ejemplo es que cuando se reduce el tamaño de un grano, incrementa el número de éstos, provocando el aumento del área de los límites de grano. Cualquier dislocación solo se mueve una distancia corta antes de que se encuentre con un límite de grano y se incremente la resistencia del material metálico.

Ecuación de Hall-Petch σ y =σ 0 + Kd −12 La ecuación de Hall-Petch relaciona el tamaño del grano con el límite elástico, Dónde: σ y Es el límite elástico

d el diámetro promedio de los granos σ 0 y K son constantes del metal

a)

Límite de grano

b)

Figura 4-15 a) Los átomos cercanos a los límites de los tres granos no tienen un espaciado o arreglo de equilibrio como muestra este esquema. b) Granos y límites de grano de una muestra de acero inoxidable (Micrografía cortesía del Dr. A. J. Deardo.)

10μm

Limite elastico (MPa)

Figura 4-16 Efecto del tamaño del grano sobre el límite elástico del acero a 413.7 temperatura ambiente.

Ejemplo 4-12 Diseño de un acero dulce El límite elástico del acero dulce con un tamaño de grano promedio de 0.05 mm es de 20 000 psi. El límite elástico del mismo acero con un tamaño de grano de 0.007 mm es de 40 000 psi. ¿Cuál será el tamaño de grano promedio del mismo acero con una fluencia de 30 000 psi? Suponga que la ecuación de Hall-Petch es válida y que los cambios en el esfuerzo de cedencia observado se deben a los cambios en el tamaño del grano.

Solución σ y =σ 0 + Kd −12

Por tanto, para un tamaño del grano de 0.05 mm el esfuerzo de cadencia es 20 000 psi (6.895 MPa)/(f000 psi) = 137.9 MPa (Nota: 1000 psi = 6.895 MPa.) Utilizando la ecuación de Hall-Petch 137.9 =σ 0+

K √ 0.05

Para el tamaño de grano de 0.007 mm, el esfuerzo de cadencia es de 40 000 psi (6.895 MPa) (1000 psi) = 275.8 MPa. Por tanto, utilizando de nuevo la ecuación de Hall-Petch: 275.8=σ 0+

K √ 0.007

La solución de estas dos ecuaciones es K = 18.44 MPa • mm1/2 y ctq = 55.5 MPa. Ahora se tiene la ecuación de Hall-Petch como σ 0=¿55.5 + 18.44 d −1 /2

Si se desea un esfuerzo de cadencia de 30 000 psi o 206.9 MPa, el tamaño de grano debe ser de 0.0148 mm. Microscopía óptica: Es una técnica que se utiliza para revelar características microestructurales como los límites de los granos que requieren menos de alrededor de 2000 magnificaciones. Metalografía: proceso de la preparación de una muestra metálica para la observación de su microestructura. El material se lija tipo espejo, y se lleva a cabo un ataque químico para atacar los límites de grano. La luz de un microscopio óptico se dispersa de la superficie de la muestra. Cuando se dispersa más luz de las características grabadas de manera profunda como los límites de los granos, estas características aparecen oscuras. El número de tamaño de grano ASTM es una forma de especificar el tamaño de grano. El número de tamaño de grano “ASTM n” se calcula como: N = 2n−1 Donde N es el número de granos por pulgada cuadrada. Un número ASTM grande indica muchos granos e influye en las resistencias altas de los metales. Para describir una microscopia es preferible utilizar un marcador micrométrico o alguna otra escala en el micrógrafo, de esta manera de evitan los cambios en la magnificación de la micrografía original. Existen programas de análisis de imagen que además pueden identificar el tamaño de grano promedio, la distribución del tamaño de los granos, la porosidad, las segundas fases. El siguiente ejemplo ilustra el cálculo del número ASTM de tamaño de grano.

Fig ura 4 - 1 7 M ic r o e s t r u c t u r a d e l p a la d io ( l O O x ) . (De A S M H a n d b o o k , V o l. 9 , M e t a ll o g r a p h y a n d M ic r o s t r u c t u r e (1985), ASM International, Materials Park, OH 44073.)

Ejemplo 4-13 Cálculo del número ASTM de tamaño del grano Suponga que se cuentan 16 granos por pulgada cuadrada (pulg2) en una fotomicrografía tomada a una magnificación de 250. ¿Cuál es el número ASTM de tamaño del grano? SOLUCIÓN Considere una pulgada cuadrada de la fotomicrografía tomada a una magnificación de 250. A una magnificación de 100, la región de una pulgada cuadrada de la magnificación de la imagen de 250 aparecería como: 100 2 1pulg2( 25 ¿ ¿ = 0.16 pulg2

y se observarían 16 granos = 100 granos/pulg2 16 pulg 2

Al sustituir en la ecuación 4-6 N = 100 granos/pulg2= 2n−1 log 100 = (n — 1) log 2 2 = (n — 1)(0.301) n = 7.64

LÍMITES DE GRANO DE ÁNGULO PEQUEÑO Hay límites de grano con un ángulo muy pequeño, estos producen dislocaciones en los que desorientan una pequeña parte de los cristales adyacentes. (Figura 4-18), no tienen gran energía en la superficie. A los límites de ángulo pequeño formados por dislocaciones de arista se les llama límites inclinados y a los ocasionados por dislocaciones se les llama límites de giro.

Figura 4 - 1 8 El límite de grano de ángulo pequeño se produce por medio de un arreglo de las dislocaciones, lo que provoca un desajuste angular θ entre las redes en cualquier lado del límite.

FALLAS DE APILAMIENTO Representan un error en la secuencia de apilamiento de los planos compactos y se presentan en metales CCCa, Por lo general, se produce una secuencia de apilamiento A B C A B C A B C en un cristal CCCa perfecto. Ejemplo: ABCABABCABC LÍMITES DE MACLA: Se define como un plano que tiene una desorientación especial en estructura cristalina (figura 4-19), Se producen cuando hay fuera de corte, a lo largo del límite de

macla cuando los átomos se desplazan de su posición, ocurren durante la deformación o el tratamiento térmico de ciertos metales e incrementan la resistencia del metal.