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• José Emmanuel Sánchez

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Metalurgia física del proceso de formado

Estructuras cristalinas y defectos

El arreglo atómico juega un papel muy importante en la determinación de la microestructura y en el comportamiento de un material. Estos arreglos pueden ser sencillos como en los metales, hasta arreglos muy complejos, los cuales están presentes en algunos materiales cerámicos.

Dentro de los materiales existen 3 posibilidades de ordenamiento que los átomos poseen: 1.Sin orden 2.Orden de corto alcance 3.Orden de largo alcance

G

S E S A

E AL ET M

V

O I R ID

VA AG PO UA R

S

Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material, es decir del orden espacial de átomos, iones y moléculas.

Relación propiedades-estructura

Hay un numero muy grande de estructuras cristalinas bajo las cuales los materiales de uso ingenieril se ordenan. Al describir la estructura cristalina se consideran los átomos como esferas sólidas con diámetros bien definidos. A este modelo se le conoce como modelo de esferas rígidas.

La celda unitaria es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las caracteristicas generales de toda la red. La red cristalina es un conjunto de puntos que están organizados siguiendo un patrón periodico.

La estructura cristalina de un material se refiere al tamaño, forma y organización atómica dentro de la red.

Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o de Bravais agrupadas en 7 sistemas cristalinos. Los parámetros de red, describen el tamaño y la forma de la celda unitaria. Están caracterizados por las dimensiones laterales y los ángulos.

Normalmente las unidades para caracterizar los parámetros de red son las siguientes:

Defectos puntuales

Defectos Lineales

http://www.wiley.com/college/callister/047 0125373/vmse/index.htm

Defectos de superficie

Deslizamiento

Mucho del trabajo acerca de la plasticidad se ha desarrollado en monocristales con el fin de eliminar los efectos de los limites de grano y las restricciones impuestas por fases externas.

El modo mas común bajo el cual los metales se deforman es por deslizamiento de planos atómicos a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas especificas.

Normalmente el plano de deslizamiento mas favorable es aquel que tiene la mayor densidad atómica (mayor distancia interplanar) mientras que la dirección de deslizamiento es aquella que esta mas compactada.

La ecuacion de Peierls-Nabarro dicta el esfuerzo necesario para mover una dislocacion desde una posición de equilibrio hasta otra similar.

(

t =c exp - kd

b

)

a0=0.3615 nm

Deslizamiento en una red perfecta

El modulo de corte G para los materiales tiene un valor entre 20 y 150 GPa. Por tanto, de acuerdo a la ecuación pasada, la resistencia al corte teórica debería de estar entre 3 y 30 GPa.

Sin embargo, los valores reales de esfuerzo de corte requeridos para iniciar el proceso de deslizamiento en monocristales es de aproximadamente 0.5-10 MPa.

Por tanto, como la resistencia teórica al corte es al menos 100 veces mayor que la resistencia real exhibida por los materiales, se puede concluir que el deslizamiento es favorecido por algún mecanismo externo que facilita la realización de este evento.

Deslizamiento dislocaciones.

ayudado

por

Ley de Schmidt

Influencia de la estructura cristalina

Endurecimiento por deformación

El endurecimiento por deformación es el proceso mediante el cual un metal dúctil se vuelve mas duro y resistente cuando es deformado plásticamente.

La explicación del endurecimiento por deformación es basada en la interacción de los campos de deformación de las dislocaciones, ya que estos campos normalmente son repulsivos entre ellos.

Los efectos del endurecimiento por deformación pueden ser eliminados mediante recocido. El coeficiente n de la ecuación del esfuerzo de flujo dicta en que grado un material responde a este fenómeno, entre mayor sea el valor, mayor es el endurecimiento.

Fenómenos ocasionados por el calentamiento de los materiales

Existen 3 fenómenos importantes que pueden ocurrir cuando un metal deformado es expuesto a altas temperaturas (con referencia a su punto de fusión), estos son: la recuperación, la recristalizacion y el crecimiento de grano.

Durante la recuperación, una parte de la energía de deformacion almacenada es aliviada a través del movimiento de dislocaciones que ocurre con motivo de la difusión. Algunas propiedades como la conductividad eléctrica y térmica son restablecidas.

Durante la recristalizacion nuevos granos equiaxiales y libres de deformacion son generados. La fuerza motriz que genera esta nueva estructura es la diferencia entre la energía interna del estado deformado y no deformado.

En ocasiones la recristalizacion es usada para refinar el tamaño de grano. También durante este evento, las propiedades mecánicas previas son restituidas.

La recristalizacion ocurre mas rápido en metales comparada con las aleaciones, debido a que algunos de los elementos aleantes se mueven hacia las fronteras de grano y las “anclan”, deteniendo de esta manera su movimiento.

Para los metales puros la temperatura de recristalizacion es de 0.3 Tm mientras que para las aleaciones es de 0.7 Tm.

Después de que la recristalizacion es completa, los granos libres de deformacion continuaran creciendo si el especimen es dejado a temperaturas elevadas.

Una energía es asociada con los limites de grano, cuando estos crecen en tamaño, el area total de la frontera disminuye, lo cual reduce la energía libre disponible en el sistema.

Un punto que es importante señalar es que los granos mayores crecen a expensas de los menores, por supuesto ayudados por el fenómeno de difusión atómica. Por tanto a mayor temperatura, mas rápido es este crecimiento.