mecanismos de endurecimiento de materiales

Mecanismos de Mecanismos de Endurecimiento de Endurecimiento de

MaterialesMateriales

Tipos de EndurecimientoTipos de Endurecimiento

Por DeformaciónPor Deformación

Por Solución SólidaPor Solución Sólida

Por Tamaño de GranosPor Tamaño de Granos

Por PrecipitaciónPor Precipitación

Endurecimiento por DeformaciónEndurecimiento por Deformación

Trabajo en fríoTrabajo en frío

Objetivo: Multiplicar las dislocacionesObjetivo: Multiplicar las dislocaciones

Requiere que el material sea dúctilRequiere que el material sea dúctil

Relación trabajo en frío vs. curva Relación trabajo en frío vs. curva esfuerzo-deformaciónesfuerzo-deformación

Curva esfuerzo-deformaciónCurva esfuerzo-deformación

Se incrementan límite elástico y Se incrementan límite elástico y resistencia a la tensiónresistencia a la tensión

Se reduce ductilidadSe reduce ductilidad

De continuar, la aleación se vuelve De continuar, la aleación se vuelve frágilfrágil

Mecanismos de Endurecimiento Mecanismos de Endurecimiento por Deformaciónpor Deformación

Antes de deformación, densidad de Antes de deformación, densidad de dislocaciones: 10^6 cm/cm^3 (después dislocaciones: 10^6 cm/cm^3 (después 10^12 cm/cm^3)10^12 cm/cm^3)

Cuando se aplica esfuerzo superior al Cuando se aplica esfuerzo superior al límite elástico, dislocaciones empiezan a límite elástico, dislocaciones empiezan a deslizarsedeslizarse

Mecanismo de Generación de Mecanismo de Generación de dislocaciones: Fuente de Frank-Readdislocaciones: Fuente de Frank-Read

Fuente de Frank-ReadFuente de Frank-Read

Endurecimiento por DeformaciónEndurecimiento por Deformación

Cerámicos: no se endurecen Cerámicos: no se endurecen significativamente a baja significativamente a baja temperatura (pero si a temperaturas temperatura (pero si a temperaturas elevadas, por deslizamiento de elevadas, por deslizamiento de granos)granos)

Polímeros termoplásticos: se Polímeros termoplásticos: se endurecen al ser deformados (no por endurecen al ser deformados (no por deformación, sino alineamiento)deformación, sino alineamiento)

Técnicas para endurecer un Técnicas para endurecer un material por trabajo en fríomaterial por trabajo en frío

Laminado:Laminado: Producir placa, hoja o lámina del Producir placa, hoja o lámina del metalmetal

Forjado:Forjado: Deformar el material al introducirlo en Deformar el material al introducirlo en moldesmoldes

Trefilado:Trefilado: Jalar un metal o polímero a través de Jalar un metal o polímero a través de molde para producir un alambremolde para producir un alambre

Extrusión:Extrusión: Empujar material a través de molde Empujar material a través de molde para formar productos de sección transversal para formar productos de sección transversal uniforme (varillas, tubos, etc.)uniforme (varillas, tubos, etc.)

Técnicas para endurecer un Técnicas para endurecer un material por trabajo en fríomaterial por trabajo en frío

Endurecimiento por Solución SólidaEndurecimiento por Solución Sólida

• Al producirse aleaciones con solución sólida se origina Al producirse aleaciones con solución sólida se origina un endurecimientoun endurecimiento

• Soluto: Es el elemento o compuesto dentro de la Soluto: Es el elemento o compuesto dentro de la solución sólida, que se encuentra en menor solución sólida, que se encuentra en menor concentraciónconcentración

• Solvente: Es el elemento dentro de la solución sólida, Solvente: Es el elemento dentro de la solución sólida, que se encuentra en mayor concentración.que se encuentra en mayor concentración.

• Solución sólida no es mezcla. Los componentes se Solución sólida no es mezcla. Los componentes se disuelven uno en el otro y no retienen características disuelven uno en el otro y no retienen características propias.propias.

Defectos puntuales dentro de Defectos puntuales dentro de Solución SólidaSolución Sólida

Sustitución:Sustitución: Soluto o impurezas reemplazan Soluto o impurezas reemplazan átomos originales. Se tiene que cumplir reglas de átomos originales. Se tiene que cumplir reglas de Hume-Rothery:Hume-Rothery:

1) Los radios atómicos no difieran mas del 15% 1) Los radios atómicos no difieran mas del 15% (Minimizar deformaciones en la red)(Minimizar deformaciones en la red)

2) Estructuras cristalinas deben ser iguales (sino 2) Estructuras cristalinas deben ser iguales (sino transición con estructura distinta)transición con estructura distinta)

3)Electronegatividades parecidas (sino 3)Electronegatividades parecidas (sino reaccionan y forman nuevos compuestos)reaccionan y forman nuevos compuestos)

4)Valencias iguales (Sino alienta formación de 4)Valencias iguales (Sino alienta formación de compuestos y no soluciones)compuestos y no soluciones)


InsterticialInsterticial: átomos de impurezas llenan : átomos de impurezas llenan intersticios dentro del material original. intersticios dentro del material original.

Diámetros de los primeros deben ser Diámetros de los primeros deben ser mucho menores que los de los segundos. mucho menores que los de los segundos. Por eso es poco comúnPor eso es poco común

Ejemplo: Carbono y Hierro (Carbono puede Ejemplo: Carbono y Hierro (Carbono puede sustituir al hierro en no más de 2%)sustituir al hierro en no más de 2%)

Grado de EndurecimientoGrado de Endurecimiento Factor 1: Diferencia importante en el tamaño Factor 1: Diferencia importante en el tamaño

atómico del solvente y el soluto incrementa atómico del solvente y el soluto incrementa efecto de endurecimiento (produce mayor efecto de endurecimiento (produce mayor distorsión en la red, hace más difícil el distorsión en la red, hace más difícil el deslizamiento)deslizamiento)

Factor 2: A mayor cantidad de elemento aleante, Factor 2: A mayor cantidad de elemento aleante, mayor será efecto de endurecimientomayor será efecto de endurecimiento

Nota: si se añade átomo demasiado grande o Nota: si se añade átomo demasiado grande o demasiado pequeño, puede excederse limite de demasiado pequeño, puede excederse limite de solubilidad (endurecimiento por dispersión)solubilidad (endurecimiento por dispersión)

Endurecimiento por Solución SólidaEndurecimiento por Solución Sólida

En soluciones sólidas, se crean campos de tensión En soluciones sólidas, se crean campos de tensión alrededor de cada átomo de soluto (interactúan alrededor de cada átomo de soluto (interactúan con dislocaciones y dificultan su movimiento)con dislocaciones y dificultan su movimiento)

Efectos de Endurecimiento por Efectos de Endurecimiento por Solución Sólida en las PropiedadesSolución Sólida en las Propiedades 1)Esfuerzo de Cedencia, resistencia a la tensión y 1)Esfuerzo de Cedencia, resistencia a la tensión y

dureza de aleación son mayores que en dureza de aleación son mayores que en materiales purosmateriales puros

2) Ductilidad es menor que la del material puro 2) Ductilidad es menor que la del material puro (sólo en casos raros como Cu-Zn incrementa (sólo en casos raros como Cu-Zn incrementa resistencia y ductilidad)resistencia y ductilidad)

3) Conductividad eléctrica de aleación es mucho 3) Conductividad eléctrica de aleación es mucho menor que la del material puromenor que la del material puro

4) Mejora la pérdida de propiedades mecánicas a 4) Mejora la pérdida de propiedades mecánicas a temperaturas elevadastemperaturas elevadas

Endurecimiento por Tamaño de Endurecimiento por Tamaño de GranoGrano

Se introducen partículas de impureza en el Se introducen partículas de impureza en el líquido (refinación de grano o inoculación)líquido (refinación de grano o inoculación)

Produce gran número de granos, cada uno Produce gran número de granos, cada uno de los cuales empieza a crecer a partir de de los cuales empieza a crecer a partir de un núcleoun núcleo

En metales, a mayor área superficial de En metales, a mayor área superficial de los bordes de grano, mayor será el los bordes de grano, mayor será el endurecimiento por tamaño de grano endurecimiento por tamaño de grano (dislocaciones no pueden pasar con (dislocaciones no pueden pasar con facilidad)facilidad)


Nucleación: Cuando el líquido se enfría por Nucleación: Cuando el líquido se enfría por debajo de Temperatura de fusión y debajo de Temperatura de fusión y solidifica.solidifica.

Embrión: sólido pequeño (r < r*). Embrión: sólido pequeño (r < r*). Crecimiento adicional aumenta energía Crecimiento adicional aumenta energía libre, en vez de crecer vuelve a fundir para libre, en vez de crecer vuelve a fundir para reducir energía reducir energía

Núcleo: r > r*, crecimiento adicional Núcleo: r > r*, crecimiento adicional reduce energía total, sólido más establereduce energía total, sólido más estable


Nucleación Homogénea: 2 factores Nucleación Homogénea: 2 factores favorecen la nucleación:favorecen la nucleación:

1) Átomos se agrupan para formar 1) Átomos se agrupan para formar embriones más grandesembriones más grandes

2)Mayor diferencia en energía libre 2)Mayor diferencia en energía libre de volumen entre líquido y sólido de volumen entre líquido y sólido reduce tamaño crítico del núcleo.reduce tamaño crítico del núcleo.


Nucleación Heterogénea: Impurezas en Nucleación Heterogénea: Impurezas en contacto con líquido, proveen superficie contacto con líquido, proveen superficie sobre la cual se forma el sólidosobre la cual se forma el sólido

Radio de curvatura mayor que el crítico Radio de curvatura mayor que el crítico (se necesita subenfriamientos (se necesita subenfriamientos relativamente bajos). Con un incremento relativamente bajos). Con un incremento menor de energía superficial, se alcanza menor de energía superficial, se alcanza radio crítico.radio crítico.


Crecimiento: Átomos se integran a la superficie Crecimiento: Átomos se integran a la superficie del sólido. Deben retirarse dos calores: del sólido. Deben retirarse dos calores: Específico y Latente. Depende de como se Específico y Latente. Depende de como se retire este calor el mecanismo de crecimiento.retire este calor el mecanismo de crecimiento.

Planar: Calor latente eliminado por conducción Planar: Calor latente eliminado por conducción desde interfase sólido-líquido, a través del desde interfase sólido-líquido, a través del sólido y sus alrededores. (desplazamiento sólido y sus alrededores. (desplazamiento interfase plana hacia líquido)interfase plana hacia líquido)

Dendrítico: Calor es absorbido por líquido Dendrítico: Calor es absorbido por líquido subenfriado (Nucleación débil)subenfriado (Nucleación débil)

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