La deformación plástica en distintos tipos de materiales

Tema 2b. La deformación plástica en
distintos tipos de materiales
•Metales y métodos de obtención
•Cerámicos
•Polímeros
•Compuestos
05/10/2005
Título
1
Metales (I)
•
•
•
Caracterizados en las transparencias anteriores (tema 5a)
Presentan región elástica, región plástica y fractura
Características mecánicas generales: resistentes, dúctiles
(maleables) y con fractura en la región plástica
05/10/2005
Metales
2
Metales (II)
El tipo de enlace en un material
determina críticamente el grado
de deformación elástica o
plástica del mismo, p. ej. la
posibilidad de que los átomos
abandonen sus posiciones de
equilibrio bajo la aplicación de
tensiones externas
•
•
El enlace metálico (no direccional)
permite un desplazamiento sencillo
de las dislocaciones bajo pequeñas
tensiones aplicadas y en cualquier
dirección
La carga eléctrica en un metal está
deslocalizada y compartida por todo
el material, luego no supone un
impedimento para el
desplazamiento de los átomos
05/10/2005
Metales
3
Metales (III)
•
Particularidades (oscilaciones en la transición régimen elásticoplástico, superplasticidad)
05/10/2005
Metales
4
Métodos de obtención/procesado
a) Laminado
b) Forja
c) Trefilado
d) Extrusión
e) Embutido
f) Estirado
g) Doblado
05/10/2005
Metales
5
Cerámicos y vidrios (I)
Deformación
– No presentan una región plástica apreciable
– La ruptura de este tipo de materiales ocurre en
la región elástica. Se trata, por tanto, de una
fractura frágil
– Diferencia muy notable entre deformación por
tensión o por compresión. Modelo de Griffith.
05/10/2005
Cerámicos y vidrios
6
Cerámicos y vidrios (II)
Razones de la fractura frágil en cerámicos y vidrios
a)
b)
c)
Pocos sistemas de deslizamiento: pocas posibilidades para el
deslizamiento de las dislocaciones (fractura antes que deformación
plástica
Enlace covalente fuerte y direccional: sólo bajo fuertes tensiones se
puede romper un enlace de pares de electrones compartidos (no
reversible). Fractura frágil
Enlace iónico: dependiente de la
dirección cristalográfica en la que se
aplica la tensión:
Iones idénticos: alta repulsión
electrostática (difícil deslizamiento,
fractura frágil)
Iones alternos: atracción electrostática
(posibilidad de deslizamiento,
deformación y fractura dúctil)
05/10/2005
Cerámicos y vidrios
7
Cerámicos y vidrios (III)
Endurecimiento/aumento de la tenacidad
en cerámicos
1.
Transformación de fase: (a) en el
borde de la grieta existe una región
localizada de sobretensión (b)
inducción de una transformación de
fase estructural en los granos
adyacentes (c) bloqueo de la grieta
2.
Inclusión de microgrietas adicionales:
durante la propagación del borde de
la grieta, éste puede conectarse con
otra grieta y suavizarse (disminución
de la tensión local y frenado de la
ruptura)
05/10/2005
Cerámicos y vidrios
8
Cerámicos y vidrios (IV)
Fatiga
• Se observa en cerámicos pero sin necesidad
de aplicar cíclicamente una carga
• La razón es un mecanismo químico (no
mecánico como en los metales)
• Condiciones
– Existencia de agua: el agua descompone la red
de silicatos formando uniones Si-OH. Estos
grupos no están unidos entre sí. Ruptura de la
red cerámica y propagación de la grieta
– Temperaturas cercanas a la ambiente: a
temperaturas mayores aparecen otros
fenómenos como la deformación viscosa, a
temperaturas bajas el proceso de
descomposición es muy lento
05/10/2005
Cerámicos y vidrios
9
Cerámicos y vidrios (V)
Fluencia (deformación con el tiempo a distintas temperaturas)
• Fenómeno fundamental en los materiales cerámicos dadas sus
aplicaciones frecuentes a alta temperatura
• El mecanismo responsable de la difusión a alta temperatura es más
complicado que en los metales (enlaces atómicos complicados,
equilibrio local de carga eléctrica, …)
• Los bordes de grano proporcionan un medio con el que los granos
adyacentes se resbalan entre sí y se recolocan
• En algunos cerámicos impuros los granos pueden estar rodeados
de una fina capa de fase vítrea: al elevarse la temperatura, la fase
vítrea se deforma viscosamente y los granos se deslizan entre sí
(flotan o se resbalan)
05/10/2005
Cerámicos y vidrios
10
Polímeros (I)
Tipos de polímeros
a)
Termoplásticos: cadenas largas unidas por enlaces secundarios
(van der Waals, puentes de hdrógeno, …). Alta deformación y
plasticidad. Al elevar la temperatura se deforman plásticamente
pero recuperan su forma al enfriarse
b)
Elastómeros: cadenas largas unidas por enlaces secundarios y
algún enlace primario (covalente). Son deformables
plásticamente pero no recuperan su forma inicial tras un
calentamiento
c)
Termoestables: red tridimensional formada por cadenas unidas
entre sí por fuertes enlaces primarios. Rígidos y no deformables.
El calentamiento produce deformaciones irreversibles
05/10/2005
Polímeros
11
Polímeros (II)
Deformación
• Gran variedad de comportamientos
mecánicos dependiendo del valor de
la temperatura T>Tg ó T<Tg
- T<Tg la deformación es elástica
(polímeros termoestables o
termoplásticos rígidos) hasta un 5%.
Fractura frágil
- T>Tg, la deformación es plástica
(dúctil) y de hasta un 100%.
Termoplásticos maleables
•
Distintos mecanismos microscópicos
de la deformación en polímeros
05/10/2005
Polímeros
12
Polímeros (III)
•
•
(izda.) Poliéster (Tg=70ºC)
(dcha.) Polimetacrilato de metilo (Tg= 86-104ºC)
05/10/2005
Polímeros
13
Polímeros (IV)
Fluencia
La deformación del polímero va aumentando progresiva y rápidamente
si la tensión se aplica durante cierto tiempo prolongado
Efecto muy importante en los polímeros
a)
Termoplásticos amorfos: las cadenas se deslizan unas sobre
otras fácilmente. Grandes cambios y deformaciones. Fluencia
enorme a T>Tg (no utilizable)
b)
Termoplásticos cristalinos: las cadenas están más unidas y
ancladas (polietileno). Poca fluencia (utilizables en todo T).
c)
Termoestables: fluencia muy pequeña (<10%) debido al fuerte
anclaje de las cadenas por los enlaces primarios
d)
Elastómeros: gran capacidad de deformación elástica (500%).
Esta alta fluencia reversible se debe a la existencia de un gran
número de cambios conformacionales
05/10/2005
Polímeros
14
Polímeros (V)
Fractura frágil (Termoestables y
termoplásticos a T<Tg)
1.
2.
3.
4.
05/10/2005
La energía necesaria para la
ruptura es 1000 mayor que la
necesaria para romper los
enlaces covalentes C-C (??)
Existencia de una fisura
(aplicación de tensión)
Disposición progresiva y
ordenada de las cadenas a lo
largo de la grieta (aplicación de
una tensión mayor)
Ruptura en el borde de la fisura
Polímeros
15
Polímeros (VI)
Fractura dúctil (termoplásticos a T>Tg)
1. Las cadenas se desenrollan,
se deslizan entre sí y alinean
paralelamente a la dirección
de la tensión aplicada
2. Al aumentar la tensión, los
enlaces covalentes de dichas
cadenas ceden y material
polimérico se rompe
05/10/2005
Polímeros
16
Polímeros (VI)
•
•
(Izda.) nylon a 60ºC
(Dcha) cambio del módulo elástico con la temperatura en polímeros
termoestables, termoplásticos amorfos (PMMA) y termoplásticos cristalinos
(nylon)
05/10/2005
17