deformación y mecanismos de endurecimiento
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1.- INTRODUCCIÓN.
En el presente escrito se explican algunos mecanismos de deformación que han sido
propuestos para explicar el comportamiento de las deformaciones en materiales cerámicos,
metálicos y poliméricos. También se presenta una explicación acerca de algunas técnicas de
endurecimiento de diferentes materiales en términos de los mecanismos de deformación.
2.- MECANISMOS DE DEFORMACIÓN DE METALES.
2.1 Historia: Estudios e investigaciones acerca de los materiales han llevado al
cálculo la resistencia mecánica teórica de cristales perfectos. Estas resistencias mecánicas
teóricas resultan ser mucho mayores que aquellas medidas experimentalmente. En 1930 se
explicó que esta discrepancia se debe a la presencia de dislocaciones. Sin embargo fue
hasta 1950 que se observó la existencia de dichas dislocaciones con la ayuda de un
microscopio electrónico.
2.2 Conceptos básicos de dislocaciones: Existen dos tipos principales de
dislocaciones:
Dislocaciones de borde: Existe una deformación de la red cristalina causada por la
existencia de un medio plano extra de átomos. (Fig. 1)
Fig. 1 Dislocación de Borde.
Dislocaciones de tornillo: Se puede observar como el producto de un esfuerzo de
corte. La línea de la dislocación pasa a través del centro de un espiral, asemeja a una rampa
de átomos. (Fig. 2)
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Fig. 2 Dislocación de tornillo.
Dislocaciones Mixtas: Tiene componentes tanto de una dislocación de borde como
de una de tornillo. (Fig. 3)
Fig. 3 Dislocación mixta.
La deformación plástica se debe al movimiento de un gran número de dislocaciones.
Una dislocación de borde se mueve en respuesta a un esfuerzo de corte aplicado en
dirección perpendicular a su línea de dislocación. A este movimiento de dislocaciones se le
llama deslizamiento. El movimiento de una dislocación de borde se asemeja al mecanismo
que utilizan algunas orugas para avanzar. (Fig. 4)
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Fig. 4 Deslizamiento de una dislocación de borde.
El deslizamiento de una dislocación de borde es paralelo a la dirección en la que se
aplica el esfuerzo de corte. El movimiento de una dislocación de tornillo es perpendicular a
la dirección del esfuerzo aplicado. (Fig. 5)
Fig. 5 Movimiento de una dislocación de tornillo.
Todos los metales y aleaciones poseen dislocaciones formadas durante la
solidificación, durante deformaciones plásticas y como consecuencia de esfuerzos térmicos
derivados de un enfriamiento rápido.
Densidad de dislocaciones: Se le llama así a la distancia total de las dislocaciones en
una unidad de volumen o equivalentemente al número de dislocaciones que intersectan una
unidad de área de cualquier sección. Se puede expresar en milímetro de dislocación por
milímetro cúbico, o solamente como uno sobre milímetro cuadrado.
Los valores de densidad de dislocaciones típicos de un metal cuidadosamente
solidificado son de aproximadamente 103 mm-2. Para materiales fuertemente deformados
los valores de densidad de dislocaciones son de 109-1010 mm-2 y se pueden reducir con un
tratamiento térmico a 105-106 mm-2. En materiales cerámicos estos valores se encuentran
entre 102 y 104 mm-2, y para monocristales de silicio entre 0.1 y 1 mm-2.
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2.3 Características de las dislocaciones: Toda dislocación presenta campos de
esfuerzo alrededor suyo que influyen en la movilidad de las dislocaciones así como en la
multiplicación de las mismas. (Fig. 6)
Cuando un metal es deformado plásticamente, aproximadamente un 5% de la
energía de deformación se retiene internamente, el resto se disipa a manera de calor. Como
consecuencia existen regiones en las que esfuerzos de comprensión, tensión y corte son
aplicados a los átomos vecinos en la red cristalina. Las magnitudes de dichos esfuerzos
disminuyen al alejarse de la dislocación.
Fig. 6 Campos de esfuerzos alrededor de una dislocación.
Los campos de esfuerzo alrededor de dislocaciones cercanas pueden interactuar de
tal manera que a cada una de esas dislocaciones se ejerce un esfuerzo resultante de la
combinación de las interacciones de los esfuerzos de dislocaciones vecinas. Por ejemplo:
Al estar presentas dos dislocaciones de borde sobre un mismo plano de deslizamiento (Fig.
7) los campos de compresión y tensión se encuentran del mismo lado del plano de
deslizamiento. En este caso existirá una fuerza de repulsión entre ambas dislocaciones que
las apartará y generará esfuerzos entre las mismas. Por el contrario, si los planos extras se
encuentran de lados opuestos del plano de deslizamiento, entonces estos presentan una
fuerza de atracción. Dicha fuerza de atracción hará que los medios planos extras se unan
para formar un plano completo y harán desaparecer la dislocación desapareciendo también
los campos de esfuerzos generados por la misma.
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Fig. 7 Interacciones entre dislocaciones.
Las interacciones entre dislocaciones se pueden dar entre dislocaciones de borde,
tornillo y/o mixtas.
Durante una deformación plástica el número de dislocaciones aumenta
drásticamente. Las dislocaciones ya existentes, las fronteras de grano, los defectos internos
y las irregularidades en la superficie del material son fuentes de nuevas dislocaciones.
2.4 Sistemas de deslizamiento: Normalmente existen planos y direcciones sobre
dichos planos sobres los que preferentemente se deslizarán las dislocaciones. Un sistema de
deslizamiento se compone de un plano y una dirección de deslizamiento. El sistema de
deslizamiento depende de la estructura cristalina que posea el metal y es tal que minimiza
la distorsión que acompaña al movimiento de la dislocación. El plano y la dirección de
deslizamiento serán aquellos que posean mayores densidades atómicas (planar y lineal). Por
ejemplo: En una estructura FCC el deslizamiento ocurre a través de la familia de planos
{111} (D.P.=0.907) y a través de la familia de direcciones <100> (Diagonales de las caras).
El número de diferentes sistemas de deslizamiento representa las diferentes posibles
combinaciones entre los planos y las direcciones de deslizamiento. En la siguiente tabla se
presentan los sistemas de deslizamiento para estructuras FCC, BCC y HCP.
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Aquellos metales con mayor cantidad de sistemas de deslizamiento son más dúctiles
ya que es posible que se deformen plásticamente. Aquellos con menos sistemas de
deslizamiento son más frágiles.
2.5 Deformación plástica de metales policristalinos: En los metales
policristalinos las orientaciones cristalográficas están ordenadas al azar debido a la
existencia de un gran número de granos. En este caso el movimiento de la dislocación será
a través del sistema de deslizamiento que esté más favorecido. La deformación plástica de
un metal policristalino es resultado de las deformaciones individuales de cada uno de los
granos causadas por el deslizamiento. Ya que normalmente las fronteras de grano no se
separan ni se abren, cada grano es sometido a un esfuerzo y asume la forma de sus vecinos.
Los metales policristalinos son más fuertes que aquellos monocristalinos ya que se
requieresn esfuerzos mayores para llevar a cabo el deslizamiento.
3.- MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO EN METALES.
La habilidad de un metal depende de la habilidad para moverse de sus
dislocaciones. Virtualmente todas las técnicas de endurecimiento se basan en un principio
básico: “Restringiendo o dificultando el movimiento de las dislocaciones resulta en una
mejora en las propiedades mecánicas del material”.
3.1 Endurecimiento por reducción de tamaño de grano: Normalmente granos
adyacentes poseen diferentes orientaciones cristalográficas. Tomando como ejemplo la
(Fig. 8), las fronteras de grano actúan como barrera al movimiento de dislocaciones debido
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a dos razones: (1) Para que la dislocación continúe su movimiento al llegar a la frontera de
grano es necesario que cambie de dirección. (2) La frontera de grano representa una
discontinuidad en el sistema de deslizamiento.
Fig. 8 Granos adyacentes con diferentes orientaciones cristalográficas.
Entre mayor sea el ángulo de las fronteras de grano mayor será la dificultad de que
una dislocación migre de un grano a otro. En su lugar, el esfuerzo generado por el
deslizamiento puede activar fuentes para crear nuevas dislocaciones.
Para la mayoría de los materiales, el punto de cedencia o límite elástico (esfuerzo al
cual el material comienza a deformarse plásticamente) está definido por la ecuación de
Hall-Petch:
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20y yk dσ σ
−= +
Donde d es el diámetro de grano promedio y, yσ y yk son constantes propias del
material. Esta ecuación no es válida ni para tamaños de grande muy grandes ni muy
pequeños. (Fig. 9)
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Fig. 9 Variación del valor del punto de cedencia con respecto al diámetro promedio de grano.
El tamaño de grano se puede regular por medio de la velocidad de solidificación y
también por medio de deformación plástica seguida de un tratamiento térmico apropiado.
Las fronteras entre dos fases distintas son también impedimentos para el
movimiento de las dislocaciones. El tamaño y la forma de las diferentes fases afectan en
gran medida a las propiedades mecánicas de aleaciones con diferentes fases.
3.2 Endurecimiento por solución sólida: Otra técnica para el endurecimiento de
metales es la adición de impurezas que entran en solución sólida de manera intersticial o
sustitucional. Los metales de alta pureza son generalmente más suaves y débiles que sus
aleaciones. En la siguiente figura (Fig. 10) se muestra la variación de la resistencia a la
tensión, el punto de cedencia y la elongación de una aleación de cobre al variar su
contenido de níquel.
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Fig. 10 Variación de (a) la resistencia a la tensión, (b) el punto de cedencia y (c) la ductilidad de una aleación de Cu-Ni al variar el contenido de Ni.
Las impurezas que entran en solución sólida comúnmente ejercen esfuerzos de
tensión y compresión en la red cristalina a sus átomos vecinos. Los átomos de impurezas
tienden a difundirse alrededor de las dislocaciones para contrarrestar parte de los esfuerzos
generados por las dislocaciones, dificultando con esto el movimiento de dislocaciones. Por
ejemplo: En el caso de una impureza sustitucional cuando es de menor tamaño a los átomos
de la red, genera esfuerzos de tensión (Fig. 11), mientras que si es de mayor tamaño, genera
esfuerzos de compresión (Fig. 12) sobre la red cristalina a su alrededor. En el caso de las
impurezas intersticiales todas generan esfuerzos de compresión hacia la red a su alrededor.
Estas mismas interacciones de los esfuerzos de red existirán entre las impurezas y
las dislocaciones en movimiento durante una deformación plástica. Es por estas
interacciones que se requiere aplicar un esfuerzo mayor para iniciar y luego para continuar
una deformación plástica en aleaciones en solución sólida.
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Fig. 11 Representación de los esfuerzos de tensión generados por una impureza sustitucional de menor tamaño.
Fig. 12 Representación de los esfuerzos de compresión generados por una impureza sustitucional de mayor tamaño.
3.3 Endurecimiento por deformación: En esta técnica, un metal dúctil se endurece
al ser deformado plásticamente. También se conoce como trabajo en frío ya que las
temperaturas a las que se hace la deformación son mucho menores a la temperatura de
fusión del metal.
Fuente de Frank-Read: Esto es un mecanismo mediante el cual se generan nuevas
dislocaciones. Como ya se ha mencionado, durante la deformación de plástica de un metal,
las dislocaciones dentro del mismo comienzan a deslizarse. Una dislocación que se desliza
a través de la estructura cristalina finalmente encontrará un obstáculo que la sujetará por los
extremos. La dislocación comenzará a arquearse por el centro, tanto que será capaz de
formar un “lazo”. Cuando éste finalmente se toque a sí mismo, se habrá creado una nueva
dislocación. La original seguirá sujeta y podrá crear lazos de dislocaciones adicionales.
Luego de la deformación el número de dislocaciones incrementará en gran medida. Los
campos de esfuerzos de las nuevas dislocaciones interferirán en el deslizamiento de las
otras, lo cual incrementa el esfuerzo necesario para deformar el metal, logrando así el
endurecimiento del material.
Existen diferentes técnicas para, de manera simultánea, conformar y endurecer un
material por trabajo en frío (Fig. 13). El laminado es usado para producir placas, hojas o
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láminas del metal. El forjado deforma el metal al introducirlo en moldes o al golpearlo para
que adquiera la forma deseada. En el trefilado se jala un material a través de un molde para
producir un alambre. En la extrusión se empuja un material a través de un molde para
formar productos de sección transversal uniforme (varillas, tubos, etc.). El estampado
profundo o embutido se usa para formar el cuerpo de latas. El estirado y el doblado se
utilizan para darle forma al material en láminas.
Fig. 13 Técnicas de procesamiento por deformación (a) rolado o laminado, (b) forjado, (c) trefilado, (d) extrusión, (e) embutido, (f)estirado, (g) doblado.
El porcentaje de trabajo en frío (%CW Cold Working) expresa el grado de
deformación plástica que experimenta el metal, y se define como
0
0
% ( ) 100dA ACW
A
−= ×
Donde A0 es el área original de la sección transversal que experimenta la
deformación y Ad es el área después de la deformación.
En la (Fig. 14) se muestra como varían el punto de cedencia (a), la resistencia a la
tensión (b) y la ductilidad (c) en función del porcentaje de trabajo en frío (%CW) para un
acero 1040, cobre y latón. También los diagramas de esfuerzo-deformación se ven
afectados por el trabajo en frío. En la (Fig. 15) se observa como se requiere mayor esfuerzo
para alcanzar el punto de cedencia conforme aumenta el %CW.
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Fig. 14 Variación de las propiedades mecánicas en función del %CW para acero 1040, cobre y latón.
Fig. 15 Influencia del %CW en el diagrama esfuerzo-deformación de un acero con bajo contenido de carbono.
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4.- RECOCIDO, RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y
CRECIMIENTO GRANULAR.
Como se mencionó antes, una fracción de la energía utilizada para deformar un
metal es almacenada en la estructura interna del mismo. Estos esfuerzos residuales
asociados a la creación de nuevas dislocaciones pueden afectar la conductividad eléctrica y
la resistencia a la corrosión, además de las propiedades mecánicas del material.
4.1 Recocido: Las propiedades y estructura del metal pueden regresar a como eran
antes del trabajo en frío mediante un tratamiento térmico o recocido. El recocido es un
tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío. Puede utilizarse
para eliminar totalmente el endurecimiento por deformación. El componente final será
blando y dúctil y después del recocido se podría seguir aplicando trabajo adicional en frío.
Existen tres etapas dentro del proceso del recocido: recuperación, recristalización y
crecimiento granular. (Fig. 16)
Fig. 16 Efecto del recocido sobre la microestructura de metales trabajados en frío (a) trabajo en frío, (b) después de la recuperación, (c) después de la recristalización) y (d) después del crecimiento de grano.
4.2 Recuperación: La microestructura original trabajada en frío se compone de
granos deformados con un gran número de dislocaciones entrelazadas. Al calentarse el
material las dislocaciones son capaces de moverse y forman los bordes de una nueva
estructura. Gracias a esto algunos esfuerzos residuales se han eliminado. Además se han
recuperado la conductividad eléctrica y térmica del metal. Sin embargo a pesar de su
movimiento, la densidad de dislocaciones se mantiene prácticamente igual.
4.3 Recristalización: Después de que la recuperación es completa, los granos aún
poseen una energía interna relativamente alta. La recristalización es la formación de un
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nuevo conjunto de granos libres de esfuerzos que tienen aproximadamente dimensiones
iguales en todas las direcciones con una baja densidad de dislocaciones. La recristalización
es un fenómeno que depende del tiempo y la temperatura. El grado de recristalización
incremento con el tiempo. En la (Fig. 17) se observa la variación de la resistencia a la
tensión y la ductilidad de una aleación de latón en función de la temperatura de recocido y
se ilustra la evolución de la microestructura a lo largo del tratamiento térmico.
Fig. 17 Influencia de la temperatura de recocido en las propiedades mecánicas y la microestructura de una aleación de latón.
Temperatura de recristalización: Es la temperatura a la cual la recristalización es
completa en un lapso de 1 hora. Comúnmente se encuentra entre un tercio y la mitad de la
temperatura fusión dependiendo de varios factores como el %CW al que fue sometido y la
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cantidad de impurezas presentes. Típicamente la temperatura de recristalización disminuye
al aumentar el %CW, al aumentar el tiempo y al reducir el tamaño de grano y aumenta al
aumentar la cantidad de impurezas presentas. Existe un punto crítico de %CW debajo del
cual la recristalización no puede ocurrir y normalmente se encuentra entre 2 y 20%.(Fig. 18)
Fig. 18 Variación de la temperatura de recristalización en función del %CW para hierro.
Trabajo en caliente: Se pueden llevar a cabo deformaciones plásticas del metal a
temperaturas mayores a la temperatura de recristalización. Durante la deformación por
trabajo en caliente no hay endurecimiento ya que la recristalización está ocurriendo
continuamente, por esto la deformación plástica es prácticamente ilimitada.
4.4 Crecimiento granular: Una vez que la recristalización se ha completado, los
granos libres de esfuerzos residuales continuarán creciendo si el metal se mantiene a una
temperatura elevada. El crecimiento de granos no necesariamente es precedido por una
recuperación y una recristalización; puede ocurrir en materiales policristalinos, metálicos y
cerámicos.
La energía superficial de las fronteras de grano es la que impulsa el crecimiento de
los granos. Al incrementar el tamaño de grano el área de las fronteras disminuye logrando
así una reducción en la energía interna del material.
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El crecimiento granular se lleva a cabo por la migración de fronteras de grano. No
todos los granos pueden crecer, y los que si lo hacen, crecen a expensas de granos de menor
tamaño que se encogen. El tamaño de grano promedio aumenta al aumentar el tiempo. El
movimiento de las fronteras de grano es un fenómeno de difusión átomos a corto alcance de
un lado a otro de la frontera. La dirección del movimiento de la frontera es en dirección
opuesta a la dirección en que migran los átomos. (Fig. 19)
Fig. 19 Representación del crecimiento granular producto de la difusión.
Para un gran número de materiales policristalinos el diámetro de los granos varía
con el tiempo de acuerdo a la siguiente relación:
0n nd d Kt− =
Donde d0 es el diámetro de grano inicial a t=0, y K y n son constantes
independientes del tiempo. Normalmente el valor de n es 2 o mayor a 2.
En la (Fig. 20) se muestra la variación del diámetro de grano con respecto al tiempo
para una aleación de latón a diferentes temperaturas en una escala logarítmica. El
incremento en la temperatura acelera el crecimiento granular.
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Fig. 20 Variación del diámetro de grano con respecto al tiempo en una aleación de latón a diferentes temperaturas en escala logarítmica.
5.- MECANISMOS DE DEFORMACIÓN EN MATERIALES
CERÁMICOS.
5.1 Cerámicos cristalinos: Para este tipo de cerámicos, la deformación plástica
ocurre de la misma manera que en los metales, por el deslizamiento de dislocaciones. Los
materiales cerámicos son duros y frágiles y no presentan deformaciones plásticas debido a
la gran dificultad de movimiento de sus dislocaciones. En los cerámicos de naturaleza
iónica existen muy pocos sistemas de deslizamientos, esto es resultado de la naturaleza
eléctrica de los enlaces iónicos. Para que ocurra el deslizamiento en algunas direcciones,
iones de cargas iguales deben acercarse, y dada la repulsión electroestática de los mismos
es que el deslizamiento se dificulta en gran manera. En los cerámicos de naturaleza
covalente también se dificulta el deslizamiento debido a: (1) la fuerza de sus enlaces, (2)
también existen pocos sistemas de deslizamiento y (3) la estructura compleja de las
dislocaciones.
5.2 Cerámicos no cristalinos: La deformación plástica en los materiales cerámicos
no cristalinos se lleva a cabo a través de un flujo viscoso. El grado de deformación es
proporcional al esfuerzo aplicado. En respuesta a un esfuerzo de corte aplicado, los átomos
o iones se deslizan por el rompimiento y la creación de enlaces interatómicos, sin embargo
no está prescrito el modo ni la dirección en que ocurre este fenómeno.
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Para un flujo viscoso en un líquido que se origina por el esfuerzo de corte generado
por dos placas paralelas (Fig. 21), la viscosidad η es la relación entre el esfuerzo aplicado
τ y el cambio en la velocidad dv con distancia dyen dirección perpendicular a las placas:
/
/ /
F A
dv dy dv dy
τη = =
Fig. 21 Representación de un flujo viscoso de un fluido en respuesta a un esfuerzo de corte aplicado.
Al aumentar la temperatura la fuerza de los enlaces disminuye y por tanto se
favorece el deslizamiento o flujo de los átomos o iones disminuyendo así la viscosidad de
material.
6.- MECANISMOS DE DEFORMACIÓN Y
ENDURECIMIENTO EN POLÍMEROS.
6.1 Deformación de polímeros semicristalinos: Muchos polímeros semicristalinos
poseen una estructura de esferulitas, la cual consiste en lamelas que van del centro hacia el
exterior de la estructura. Entre dichas lamelas se encuentran áreas de material amorfo. Las
lamelas adyacentes se conectan por medio de una cadena que pasa a través de las regiones
amorfas. (Fig. 22)
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Fig. 22 Representación de la estructura de una esferulita.
Mecanismo de deformación elástica: Se produce una elongación de las cadenas del
polímero como consecuencia de la aplicación de un esfuerzo de tensión. Puede presentarse
el desacomodo de algunas moléculas, el cual se ve relativamente restringido por fuerzas de
van der Waals y otras interacciones secundarias.
Mecanismo de deformación plástica: Se puede describir de mejor manera por las
interacciones entre las lamelas y las regiones amorfas involucradas en respuesta a un
esfuerzo tensil aplicado. En la (Fig. 23) se muestra como ocurre la deformación plástica en
polímeros. Primero se muestran dos lamelas adyacentes (a) estables sin que se les aplica
ningún esfuerzo aun. En la primera etapa (b) las cadenas en la región amorfa se deslizan
entre si y se alinean en dirección del esfuerzo. En la segunda parte (c) la deformación
continúa con la inclinación de las lamelas para que los pliegues de las cadenas se alineen en
dirección del esfuerzo. Luego (d) algunas partes cristalinas se desprenden de las lamelas,
pero se mantienen unidas por una cadena. En la etapa final (e) las cadenas y los bloques se
orientan en dirección del eje sobre el que se aplica la tensión. El resultado de la
deformación es una estructura altamente orientada. Durante deformaciones, las esferulitas
experimentan un cambio de forma; sin embargo, durante deformaciones mayores las
estructuras de las esferulitas son prácticamente destruidas.
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Fig. 23 Representación de la deformación plástica en un polímero semicristalino.
6.2 Factores que influyen en las propiedades mecánicas de los polímeros
semicristalinos: Al igual que en los metales, si se incrementa la temperatura de los
polímeros o si se disminuye el grado de deformación; resulta en el decremento de la
resistencia a la tensión y un aumento de la ductilidad. Se puede incrementar la fuerza del
material si se restringe o dificulta el movimiento de las cadenas, por ejemplo cuando un
polímero esta entrecruzado, los enlaces del entrecruzamiento funcionan como ancla para
evitar el movimiento de cadenas. Un alto grado de enlaces intermoleculares o el hecho de
que cadenas largas se enreden entre si pueden inhibir el movimiento de cadenas. A pesar de
ser fuerzas débiles, la formación de un gran número de interacciones van der Waals entre
las cadenas del polímero representa una fuerza intermolecular significativa.
El peso molecular, el grado de cristalinidad y el preformado son factores que
también influyen en las propiedades mecánicas del material. En muchos polímeros a mayor
peso molecular, mayor resistencia a la tensión. Para polímeros semicristalinos, el módulo
de tensión crece significativamente con el grado de cristalinidad, también el material se
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vuelve más frágil. El efecto del grado de cristalinidad y el peso molecular en el estado
físico del polietileno se presenta en la (Fig. 24).
Fig. 24 Influencia del grado de cristalinidad y el peso molecular en el estado físico del polietileno.
También es común que se endurezcan los polímeros mediante la deformación
permanente del mismo por tensión, en inglés el proceso se conoce como drawing. Al final
se obtiene un polímero altamente orientado.
6.3 Deformación de elastómeros: Los elastómeros poseen la habilidad de
experimentar grandes deformaciones y elásticamente regresar a su forma original. Su
módulo de elasticidad es mucho menor y varía con la deformación.
Un elastómero es amorfo y esta compuesto de cadenas moleculares dobladas,
enroscadas y plegadas entre si. La deformación elástica en un elastómero está definida por
la entropía. Al momento en que se aplica un esfuerzo sobre la estructura del polímero las
cadenas comienzan a desdoblarse, desenroscarse y desplegarse tendiendo a ordenarse, pero
regresan a su estado original de mayor entropía. Cuando un elastómero es estirado
experimenta dos fenómenos: primero se eleva su temperatura y segundo el módulo de
elasticidad aumenta conforme aumenta la temperatura, caso contrario al observado en otros
materiales.
Para que un polímero se considere elastómero no debe cristalizar y sus cadenas
deben ser capaces de rotar libremente sobre su eje. Un elastómero también debe encontrarse
por encima de su temperatura de transición vítrea, debajo de ella el elastómero se vuelve
frágil.
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6.4 Vulcanización: Es el proceso de entrecruzamiento que se lleva a cabo con una
reacción química a alta temperatura. En la mayoría de las reacciones de vulcanización se
añaden compuestos de azufre al elastómero caliente. Las cadenas de átomos de azufre unen
cadenas de polímero adyacentes. (Fig. 25)
Fig. 25 Reacción de vulcanización.
El caucho sin vulcanizar es suave y pegajoso y tiene poca resistencia a la erosión.
Su módulo de elasticidad, resistencia a la tensión y resistencia a la degradación por
oxidación se incrementan con la vulcanización (Fig. 26). Luego del vulcanizado el módulo
de elasticidad es directamente proporcional a la densidad de entrecruzamientos.
Normalmente se le añade azufre en relaciones entre 1:100 a 5:100 partes de azufre por
partes de caucho. Si se incrementa el contenido de azufre el material se endurece y reduce
su extensibilidad.
Fig. 26 Diagrama de esfuerzo-deformación de hule vulcanizado y sin vulcanizar.
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ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 Dislocación de Borde. .......................................................................................................... 1
Fig. 2 Dislocación de tornillo......................................................................................................... 2
Fig. 3 Dislocación mixta. ............................................................................................................... 2
Fig. 4 Deslizamiento de una dislocación de borde. ......................................................................... 3
Fig. 5 Movimiento de una dislocación de tornillo. .......................................................................... 3
Fig. 6 Campos de esfuerzos alrededor de una dislocación. ............................................................. 4
Fig. 7 Interacciones entre dislocaciones. ........................................................................................ 5
Fig. 8 Granos adyacentes con diferentes orientaciones cristalográficas. ........................................ 7
Fig. 9 Variación del valor del punto de cedencia con respecto al diámetro promedio de grano. ..... 8
Fig. 10 Variación de (a) la resistencia a la tensión, (b) el punto de cedencia y (c) la ductilidad de una aleación de Cu-Ni al variar el contenido de Ni. ....................................................................... 9
Fig. 11 Representación de los esfuerzos de tensión generados por una impureza sustitucional de menor tamaño. ............................................................................................................................. 10
Fig. 12 Representación de los esfuerzos de compresión generados por una impureza sustitucional de mayor tamaño. ........................................................................................................................ 10
Fig. 13 Técnicas de procesamiento por deformación (a) rolado o laminado, (b) forjado, (c) trefilado, (d) extrusión, (e) embutido, (f)estirado, (g) doblado. ..................................................... 11
Fig. 14 Variación de las propiedades mecánicas en función del %CW para acero 1040, cobre y latón. ........................................................................................................................................... 12
Fig. 15 Influencia del %CW en el diagrama esfuerzo-deformación de un acero con bajo contenido de carbono. .................................................................................................................................. 12
Fig. 16 Efecto del recocido sobre la microestructura de metales trabajados en frío (a) trabajo en frío, (b) después de la recuperación, (c) después de la recristalización) y (d) después del crecimiento de grano. .................................................................................................................. 13
Fig. 17 Influencia de la temperatura de recocido en las propiedades mecánicas y la microestructura de una aleación de latón. .................................................................................... 14
Fig. 18 Variación de la temperatura de recristalización en función del %CW para hierro. ........... 15
Fig. 19 Representación del crecimiento granular producto de la difusión. .................................... 16
Fig. 20 Variación del diámetro de grano con respecto al tiempo en una aleación de latón a diferentes temperaturas en escala logarítmica. ............................................................................. 17
Fig. 21 Representación de un flujo viscoso de un fluido en respuesta a un esfuerzo de corte aplicado. ...................................................................................................................................... 18
Fig. 22 Representación de la estructura de una esferulita............................................................. 19
Fig. 23 Representación de la deformación plástica en un polímero semicristalino. ....................... 20
Fig. 24 Influencia del grado de cristalinidad y el peso molecular en el estado físico del polietileno. .................................................................................................................................................... 21
Fig. 25 Reacción de vulcanización. .............................................................................................. 22
Fig. 26 Diagrama de esfuerzo-deformación de hule vulcanizado y sin vulcanizar. ........................ 22
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DONAL R. ASKELAND / PRADEEP P. FULAY / WENDELIN J. WRIGHT
CENGAGE LERNING – 2011
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WILEY – 2009
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WILLIAM F. SMITH / JAVAD HASHEMI
MC GRAW HILL – 2004 ENGINEERING MATERIALS SCIENCE MILTON OHRING
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