TEMA 5 DEFORMACIÓN PLÁSTICA CIENCIA DE MATERIALES Curso 2020‐21 1 INDICE Mecanismo de endurecimiento Acritud o deformación plástica en frío Deformación plástica de materiales policristalinos Sistemas de deslizamiento Dislocaciones y deformación plástica Deformación por maclado Reducción de tamaño de grano Recocido contra acritud Recuperación Recristalización Crecimiento de grano CIENCIA DE MATERIALES 2 Mecanismos de endurecimiento En ingeniería se necesita de materiales con alta resistencia y cierta ductilidad y tenacidad pero... ....con el endurecimiento se sacrifica ductilidad/plasticidad... por lo tanto habrá que buscar una solución de compromiso. Los procedimientos para incrementar la resistencia de los materiales se basan en este principio: DIFICULTAR EL MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES Mecanismos de endurecimiento importantes serán: • Deformación plástica en frío o “acritud” • Reducción del tamaño de grano • Aleación (lo veremos en el siguiente tema) CIENCIA DE MATERIALES 3 Introducción Ciencia de los Materiales 4 Acritud o deformación plástica en frío Cada cristal desliza sus átomos en la dirección mas favorable, dependiendo de la orientación individual de cada grano o monocristal. En cada grano se observan los sistemas de deslizamiento Antes Después La microestructura de un material policristalino se altera con la deformación plástica: los granos se “estiran” en la dirección de la deformación Consecuencias de la deformación plástica a baja temperatura: Cambio en la forma de grano Endurecimiento por deformación: indicadores resistentes Aumento de la densidad de dislocaciones Almacenamiento de energía de deformación Modificación de la conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión. Ciencia de los Materiales 5 Acritud o deformación plástica en frío Sistemas de deslizamiento Durante el proceso de acritud, provocamos un movimiento de los sistemas de deslizamiento S.D. S.D. S.D. S.D. S.D. S.D. Plano y Dirección= Sistema de deslizamiento Depende de la estructura cristalina: son sistemas que producen distorsión mínima. Coincide con planos de máxima densidad y direcciones densas. CIENCIA DE MATERIALES 6 Acritud o deformación plástica en frío Sistemas de deslizamiento máx Las líneas de deslizamiento se orientan preferentemente en las direcciones situadas a 45° del eje de tracción o aplicación del esfuerzo. No todos los monocristales muestran líneas de deslizamiento (no todos están favorablemente orientados), creciendo el número de monocristales rayados con la deformación‐tensión aplicada. El flujo plástico sucede en el interior de los monocristales, como consecuencia de las tensiones aplicadas, y se manifiesta externamente por la aparición de escalones orientados preferentemente a 45° (tensiones tangenciales máximas: tensiones de cizalladura) Plano y Dirección= Sistema de deslizamiento Los planos que presentan menor energía para mover las dislocaciones son aquellos de máxima densidad y al igual que ocurre con las direcciones. Ciencia de los Materiales 7 Acritud o deformación plástica en frío Sistemas de deslizamiento Ciencia de los Materiales 8 Acritud o deformación plástica en frío Deslizamiento teórico y real m = G 2 b a El esfuerzo necesario para producir la deformación plástica es MENOR que el calculado teóricamente. CCC / FCC CC / BCC METAL G (MPa x103) m (MPa) e (MPa) Al 24.41 3834 0.786 Ag 25.03 3978 0.372 Cu 40.75 6481 0.490 Fe 68.95 10963 27.580 CIENCIA DE MATERIALES ¿POR QUÉ? !!! 9 Acritud o deformación plástica en frío Dislocaciones y deformación plástica Dislocación: Defecto lineal en un material cristalino ( Adaptado de J. D. Verhoeven , Fundamentos de Metalurgia Física , Wiley , 1975) Dado un cristal perfecto, insertamos un plano extra de átomos, este provoca que su lado inferior se convierta en una dislocación de cuña . 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Dado un cristal perfecto, eliminamos un plano extra de átomos, este provoca que su lado se convierta en una dislocación helicoidal. Ciencia de los Materiales 1 0 Acritud o deformación plástica en frío Dislocaciones y deformación plástica “La deformación plástica es debida al movimiento de un gran número de dislocaciones”. El movimiento de las dislocaciones por deslizamiento produce deformación plástica. Corresponde a nivel macroscópico con una deformación permanente dislocación de cuña CIENCIA DE MATERIALES dislocación helicoidal 11 Acritud o deformación plástica en frío Movimiento de dislocaciones La dislocación de cuña se mueve gracias a esfuerzos cortantes aplicados perpendiculares a la línea de dislocación. Tensión de cizalladura Tensión de cizalladura Tensión de cizalladura Plano de deslizamiento Escalón unidad Producido por deslizamiento Línea de Dislocación de cuña Plano de deslizamiento CIENCIA DE MATERIALES 12 Acritud o deformación plástica en frío Movimiento de dislocaciones El movimiento de las dislocaciones es similar al movimiento de una oruga. Solución 2 ¿cómo pasar de A a B? A B Solución 1 CIENCIA DE MATERIALES 13 Acritud o deformación plástica en frío Movimiento de dislocaciones Siempre existen dislocaciones Límites de grano, defectos internos e irregularidades superficiales, facilitan la formación de dislocaciones durante el conformado Durante el proceso de acritud, generamos dislocaciones CIENCIA DE MATERIALES 14 Acritud o deformación plástica en frío Deformación por maclado MACLADO Ocurre en ciertos sistemas cristalográficos, temperaturas bajas y altas velocidades de aplicación de carga, donde el proceso de deslizamiento esta restringido. El maclado puede favorecer el deslizamiento. Poca deformación, deformación. pero favorece la CIENCIA DE MATERIALES 15 Acritud o deformación plástica en frío Como consecuencia de la deformación plástica aplicada a una aleación, los indicadores de resistencia, resistencia a tracción, límite elástico y dureza aumentan. Los indicadores de plasticidad, alargamiento y estricción disminuyen El % de deformación en frío (Cold Work, %CW) se calcula: A0 Ad %CW A0 CIENCIA DE MATERIALES x100 16 ASM Handbook Vol 9 , Metalografía y la microestructura , (1985 ) ASM International , Materials Park, OH 44073. ) Endurecimiento por deformación plástica en frío 10%CW 30%CW 60%cw90%cw 30%cw 0%cw ᵋ 60%CW 90%CW Ciencia de los Materiales 17 Endurecimiento por reducción del tamaño de grano Las dislocaciones no avanzan en el borde de grano. Cuanto mas pequeño sea el tamaño de grano de un material, más bordes de grano tendrá y por lo tanto mayor será su resistencia mecánica. Relación de Hall‐Petch: y= 0+ ky d‐1/2 Donde: y= límite elástico d= diámetro medio de grano 0 y ky= constantes de material Ciencia de los Materiales 18 RECOCIDO CONTRA ACRITUD PROCESO TERMICO QUE PERMITE: • RECUPERAR LAS CARACTERISTICAS DEL MATERIAL SIN ACRITUD. • INCREMENTAR EL NIVEL DE DEFORMACIONES FACTIBLES EN UNA ETAPA. • ELIMINAR TENSIONES INTERNAS. • CONTROLAR EL TAMAÑO DE GRANO. ES EL PROCESO INVERSO AL ENDURECIMIENTO POR ACRITUD EN CARACTERISTICAS RESISTENTES ... PERO NO EN LA FORMA (dimensiones) ETAPAS Deformado en frio Alivio de tensiones Recristalización Engrosamiento de grano ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Ciencia de los Materiales 19 Recocido contra acritud: etapas 1: Recuperación 2: Recristalización 3: Engrosamiento de grano Identificación de cada etapa: endurecimiento remanente flujo térmico forma y dimensión del grano. CIENCIA DE MATERIALES 20 Recocido contra acritud 1. Recuperación o alivio de tensiones •No hay cambio estructural No se modifican las propiedades resistentes •Reorganización de las dislocaciones Elimina tensiones internas • Recuperación de propiedades físicas: Conductividad eléctrica y térmica. CIENCIA DE MATERIALES 21 2. Recristalización •Formación de granos equiaxiales libres de deformación, gracias a la diferencia de energía interna. •Restauración de las propiedades mecánicas: Resistencia ↓ Ductilidad CIENCIA DE MATERIALES 22 2. Recristalización Cálculo del tiempo de recristalización PROCESO DE RECRISTALIZACION: ETAPAS A‐ NUCLEACION EMBRIONES B‐ CRECIMIENTO EMBRIONES C‐ CULMINACION DEL CRECIMIENTO TIEMPO DE RECRISTALIZACIÓN (MODELO DE AVRAMI): t recristalización 1 Ct n e Ac Qr RT Donde Ct es una constante independiente de la temperatura y el grado de acritud, Ac es la acritud (en tanto por 1), Qr es la energía de activación del proceso y T es la temperatura (en K). CIENCIA DE MATERIALES 23 2. Recristalización Temperatura de recristalización Temperatura a la cual la recristalización ocurre en 1 hora. Parámetro Industrial de Trabajo en frío y en caliente ¿De que depende el proceso de recristalización? Tiempo Porcentaje de trabajo en frío: disminuye la temperatura de recrist. aumenta la velocidad de recristaliz a T constante. hay un valor mínimo, por debajo del cual no hay recristalización (*) Pureza de la aleación: alear aumenta la temperatura de recristalización. Ciencia de los Materiales 24 3. Crecimiento de grano Proceso de reducción de energía total por reducción de la energía de límite de grano. CIENCIA DE MATERIALES 25 3. Crecimiento de grano: control del tamaño Es posible controlar el tamaño de grano mediante sucesivos procesos de deformación plástica y recristalización T Ciclo 1 Ciclo 2..... i El grano muy fino se consigue tras sucesivos procesos de deformación con acritud máxima y recristalización, sin etapa de engrosamiento de grano. El grano muy grueso se consigue después de sucesivos procesos con acritud mínima, recristalización y etapa larga de engrosamiento de grano a alta temperatura. CIENCIA DE MATERIALES 26
