1microestructuras, defectos y propiedades macánicas.pdf
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Microestructuras
Propiedades Mecánicas
y
Defectos cristalinos
Estado sólido
Desorden molecular
Sin forma natural poliédrica
Amorfos Isótropos
(polímeros) Sin punto de fusión definido
Sensibles al calor
Orden molecular
Forma natural poliédrica
Cristalinos Punto de fusión definido
(metales, cerámicos) Anisótropos
Se rompen según planos de clivaje
No forman cristales
Vítreos No poseen un orden regular
A T amb. el vidrio es un liquido viscoso rígido y frágil
Fases de un material: líquidos o gases: fase única
En sólidos: 2 o mas fases
Fase: porción de un sistema limitado por una
superficie, con estructura y/ ó composición característica y
reproducible. Ej. Hielo; plásticos con fibra de vidrio
Granos:
Fases con disposición geométrica en forma de granos
conteniendo una ó mas fases amorfas ó cristalinas cuyos
límites son observables mediante técnicas especiales como el
microscópio electrónico. Se observa microestructura cuando el material no es amorfo ni cristal
único.
Ej. Diamante no posee microestructura.
Ej. El Molibdeno puro presenta microestructura
IMPERFECCIONES EN SOLIDOS
1- No existen cristales perfectos
2- Muchas de las propiedades de los materiales se deben a las
imperfecciones o defectos del cristal.
3- Ej.: Fe + C Acero
DEFECTOS CRISTALINOS
La palabra “defecto” está asociada a la carencia de una cualidad o
propiedad de algo, como la define el diccionario. Sin embargo, podemos
observar que los defectos son definitivos en el procesamiento de los
metales.
En una estructura cristalina, siempre hay defectos, es decir que faltan
átomos, están desordenados, son de diferente naturaleza o son más
grandes. Esto es importante porque si los defectos no existieran en la
estructura cristalina de los metales, estos no se dejarían deformar.
Imperfecciones cristalinas
De acuerdo a su forma y geometría:
(1) Puntuales, dimensión nula
(2) De línea o monodimensionales
(dislocaciones)
(3) Planares bidimensionales (límites
de grano)
(4) Tridimensionales (poros, fisuras e
incluusiones externas)
vacancias
Defectos Puntuales sustitucionales
intersticiales
(con otros átomos; átomos locales)
Aparecen por solidificación ó por deformación
plástica. Las vacancias ó huecos no exceden el valor
de 1/10000 átomos (metales).
Sustitucional: Técnica de dopado.
En los metales, un átomo propio que se ubica en un intersticio e introduce una distorsión relativamente grande en el entorno ya que el tamaño del átomo es mayor que el hueco intersticial.
Metales: defectos intersticiales
Vacancias
--existen en ceramicos para cationes y aniones
Intersticiales
-- existen para cationes
-- no son normalmente observados para aniones a
causa del tamaño relativo de los mismos.
Ceramicos: Defectos puntuales
Catión Intersticial
Catión vacancia
Anion Vacancia
• Defecto Frenkel Para mantener la neutralidad de carga, aparece una vacancia
catiónica y un catión intersticial, simultáneos (El catión migra
de su posición hacia el intersticio).
Defecto Schottky Para mantener la neutralidad de carga, se remueven un catión y un
anión y se crean dos vacancias.
Defectos Puntuales: Frenkel y Schottky
Schottky
Defecto
Frenkel
Defecto
Dislocaciones
Los metales son muy utilizados en la sociedad debido a
que ellos presentan estructuras cristalinas simples
Son muy utilizados porque ellos se deforman plásticamente
Pueden deformarse plásticamente porque poseen
dislocaciones que se desplazan fácilmente.
Se desplazan por que tienen planos de deslizamiento bien
definidos.
Tienen planos de deslizamiento bien definidos porque los
metales poseen estructuras cristalinas simples.
Imperfecciones cristalinas: De linea o monodimensionales,
dislocaciones Dislocación de
línea:
Semiplano extra de
átomos insertado en
la estructura
cristalina; el eje del
plano termina
dentro del cristal.
Alrededor de la
línea de dislocación
existe una distorsión
de la red localizada.
b perpendicular ()
a la línea de la
dislocación .
Dislocaciones: Defectos de línea mixtos
de tornillo de borde
Helicoidal: Esfuerzo de corte De arista :Esfuerzo de
compresión y tensión
Causas : solidificación, deformación plástica
Mecanismo de Deformación plástica causada por deslizamiento
de las dislocaciones de planos atómicos
1) Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación existente
puede romper los enlaces atómicos de los planos atómicos
contiguos (en un sentido).
2) Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y
en sentido contrario para restablecer sus enlaces atómicos
con otros planos.
3) Esta recombinación hace que la dislocación se desplace
por el material.
4) Finalmente el material queda deformado.
Estos defectos son los que me permiten deformar un
material, por ejemplo:
Cuando someto un material a una transformación de
tipo mecánico:
1. Cuando con un martillo deformo un metal.
2. Cuando lo someto a procesos de trefilación o
laminación.
3. Cuando doblo metales.
Dislocaciones.Causan: baja resistencia a
los esfuerzos , provocando regiones de
mayor energía en los ejes de las
distorsiones.
Defectos planares : Se originan por el crecimiento de
granos por aumento de la temperatura y difusión atómica,
debilitando al material. (Aumenta la superficie límite por
unidad de volumen)
Grano:
• Fase de límites irregulares conteniendo celdas
unitarias del metal en una orientación al azar y distinta
a la del grano vecino.
•Características del límite de un grano:
•Empaquetamiento de átomos menos eficiente
•Zonas de alta energía, vulnerables bajo ataques
químicos ó físicos.
Granos:
Proceso de formación policristalina de un metal
(a) Nucleación
(b) Crecimiento de los cristales
(c) Agregado de cristales
Microfotografía de un material cerámico
Defectos de volumen: De fundición
De forjado
Inclusiones, huecos De unión o soldadura
de gas, cavidades,
grietas
PROPIEDADES MECANICAS
Deformación Elástica
Resistencia a la Tracción
Resistencia a la Compresión
Resistencia a la Flexión
Fatiga
Termofluencia
Deformación Elástica
Esfuerzos de tracción y compresión
z
y
a) Esfuerzo de
Tracción
b) Sin
esfuerzo
c) Esfuerzo
de compresión
Deformación en Ingeniería: = l – l0/l0 = l/ l0
(%) adimencional
z = lz – l0z/ l0z = lz/ l0z ; y = ly – l0y/l0y = ly/ l0y
l0y
l0z
Deformación elástica: se produce por un
esfuerzo de tracción o de compresión luego
del cual el material recupera su dimensión
original.
Relación de Poisson : = - y / z
Esfuerzo ó tensión
normal = = F / A0
A0
l0
F
Unidades de :
Sistema U.S.A.: (lb/plg2, ó psi)
Sistema Internacional SI: (N/m2) ó (Pa)
Sistema local: Kg/cm2 ó /mm2
Esfuerzos de Tracción y Compresión
z= lz/l0z
l z
y Compresión
Tracción o
F
A0
F
E = Módulo de elasticidad ó cte. de
Young (psi, Pa ó Kg/cm2)
E= acero = 200 GPa E= Aluminio 70 GPa
~ Fuerza de enlace entre átomos , Anisótropo
Ley de Hooke
= E.
Esfuerzos de Corte ó Cizallamiento
Tensiones rasantes ó tangenciales a la sección
“Esfuerzo de corte”
Estado tensional simple
Fs
Fs
x
t= Fs/As
t
Deformación “” por esfuerzo cortante
en metales
= x/y = tang
Si es elástica : t =G
G = Módulo de elasticidad
transversal ó de Coulomb
Fs
Area As x
x
Fs
y
y
x
n
t
t
t
t
x
Tensión o esfuerzo de corte t max. para = 45°
t x
n
F F
Deformación y fractura
Deformación plástica ó
permanente
Materiales dúctiles
(metales y aleaciones)
¿Cómo conocer el esfuerzo crítico antes de la deformación permanente y la
cantidad de deformación plástica antes de la rotura?
Ensayo de tracción, máquina de tracción
= l/ l0
= F / A0
Deformación elástica Todos los Materiales
vel. = cte.
u
e
=l/ l0
Diagramas de Esfuerzo -Deformación
= e + p
0,2 % (desviación)
u= Esfuerzo de tensión último ó resistencia a la tracción
e= Límite elástico
Resistencia a la tracción
Límite elástico ó de fluencia
0,002
Al
Cu
latón
=E.
Materiales no ferrosos
Cu trefilado
Cu Tref. > Cu Recocido
m
Fe puro
Acero estructural
Acero
endurecido
Ductilidad
1) Alargamiento % = (lf – l0)/l0
Métodos de medición:
2) Estricción % =(A0 –Af)/A0
Resistencia a la deformación, Métodos por impacto – Carburo de
W, acero endurecido, diamante
Brinell (aislantes, esfera de acero de 5 mm diametro, 50
Kg) ,
u acero = 500 N Brinell (psi)
Vickers (diamante)
Knoop
Rockwell
Dureza = F (kg)/ ( .d.h) d = diámetro , h = altura
Dureza
Huella
VHN =1.72 (P/d2)
P
Vickers (diamante)
d
Resistencia a la Compresión
Materiales aislantes (vidrios, porcelanas,
cerámicos)
c > u
c = P/A0
Ensayo de tracción (Fuerzas convergentes
de sentido contrario)
Resistencia a la Flexión
Materiales aislantes (vidrios, porcelanas, cerámicos)
Diseño de ensayos a escala reducida
P P
Elementos flexados - plano de simetría- cargas
transversales- deformación circular
Deflexión = c + u Simétrica y elástica = c = u
(a) (b)
Cargas transversales
c
u
Eje neutro = 0= M.c = M
I We
= M.c = M
I We M= Momento flector actuante,c = distancia del material mas alejado del eje neutro
I=momento de inercia de la sección respecto al eje neutro
W e=momento resistente de la sección en régimen elástico
u Tracción
Eje neutro
Simétrica y elástica = c = u
Resistencia a la tracción por flexión
de materiales frágiles en el ámbito elástico
Resistencia a la flexión en el ámbito plástico: Wo
..................................
Esfuerzo real
c compresión
u Tracción
Eje neutro
Asimétrica y plástica = c u
We=Wo
----------------- = 0-------------------- c compresión =
P
= 0---------------
P
Ensayo de Flexión
R = P. L
b.h2
R = Módulo de rotura (Kg/cm2)
P = Carga máxima (Kg)
L = Distancia entre los puntos de apoyo
b = ancho medio de la barra (cm)
h = altura media de la barra (cm)
P
L
Enlace metálico
Nube ó gas electrónico
Modelo: Atomo de Mg : 1s2 2s2 2p6 3s2
Propiedades metálicas:
a) Alta conductividad eléctrica: movilidad de la nube e-
b) Ductilidad ó capacidad para deformarse sin fractura
Mecanismos de deformación
Metales de estructura cristalina cúbica y sus aleaciones
Metales de estructura hexagonal y cerámicos
- “Deformación por deslizamiento ó cizalla” b
tc~G/6
Resistencia al
Esfuerzo de
Corte
(Menor)
Dislocaciones
de linea ó borde
y
Importancia de las dislocaciones y su
deslizamiento
1. El deslizamiento de las dislocaciones explica por qué la
resistencia mecánica de un metal es menor de lo
esperable (enlace metálico).
2. El deslizamiento proporciona ductilidad al material
(facilidad de deformación). De no existir la posibilidad de
deslizamiento, el material sería frágil.
3. Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir
impurezas, defectos, solidificación, etc.) permite controlar
las propiedades mecánicas del material.
UNIT2 Sctio4.1
Propiedades de los cristales iónicos
Chtr4:ChmiclBodidPrortiof
Mttr
Conductividad
• Los solidos no conducen debido a que los iones no
pueden migrar
• Los compuestos conducen cuando son disueltos en
agua y los iones se pueden mover
Propiedades mecánicas
• Duros pero frágiles, pueden romperse bajo
esfuerzos
Ionic crystal will break
on smooth planes,
where like charges
become aligned.
Defectos superficiales “Influencia del límite de grano”
“ > para superficies específicas de límite de grano >
granos pequeños, mayor resistencia al esfuerzo”
Importancia de los
defectos de superficie
En todos los casos provocan irregularidades en la red
cristalina del material y, por tanto, proporcionan
puntos adicionales para fijar y detener el deslizamiento de
las dislocaciones.
Aumentan la resistencia del material (particularmente
las fronteras de grano).
“ Deformación por maclas”
Deslizamiento Maclas
Los átomos se desplazan
una distancia igual.
Superficie escalonada,
La dirección del eje
cristalográfico no cambia.
Los átomos se desplazan una
distancia proporcional al plano de
macla.
La dirección del eje cristalográfico,
cambia.
Cristales Maclados
Fatiga
Esfuerzo cíclico ó dinámico
Si un material es sometido a esfuerzos cíclicos
alternando entre un max. y min., se rompe aunque
no se supere el límite máximo de resistencia a la rotura
e incluso el límite de elasticidad.
Wöhler (1857-1869) Roturas en ejes ferroviarios
1) Si el hierro y el acero son sometidos a un n° N de
tensiones, se pueden romper a un < e (Límite de
elasticidad).
2) Si (max - min ) < d No se produce la rotura
Influencias: Imperfecciones macro y micro. Grietas,
esfuerzos espúreos.
Ensayo de Fatiga Balancín rotatorio
Ciclo alterno, simétrico o vibratorio
a = max = - min
a= amplitud de oscilación periódica
a = max = min, m=0
Probeta: (a , N)
Representación de Wöhler
d = Resistencia o límite de vida a
fatiga
a
d
N (nº ciclos para la rotura)
m d = m +/- a
Límites de fatiga : 10.107 (acero) y 100. 107 (metales livianos)
N
d
104 1010 0
80 Acero 1047, (107)
Aluminio 2014 -T6 d = 1/3 e
Ejémplos:
Ejes ferroviarios < N (número de esfuerzos cíclicos)
Rotor de generadores > N
Fuselaje de aviones >N
Factores que afectan la resistencia a la Fatiga:
1- Concentración de esfuerzos: Ranuras, cuñas, filetes de roscas, reducen
la resistencia a la fatiga.
2- Rugosidad superficial. Aumentan las tensiones. Las superficies lisas
aumentan la resistencia a la fatiga.
3- Estado de la superficie, Tratamientos, como la carburización y la
nitrurización que incrementan la vida útil del material.
4- Medio ambiente, ataques químicos que producen fatiga por corrosión.
105 106 107
d
MPa
Limite de fatiga
Deformación por Termofluencia
Efecto Creep: deformación plástica permanente por una
combinación de esfuerzos constantes y variaciones cíclicas de
Temperatura durante un largo período de tiempo que
incrementa la difusión atómica. Influyen defectos de estructura interna:
Tamaño de granos del material policristalino.
Mecanismos de deformación de los materiales: dislocaciones
producen deslizamientos de planos y maclaje.
Autodifusión atómica
Ej: Cables de alta tensión o comunicaciones
Alabes de turbinas
> T, metal de granos
finos mas fuertes que de
granos gruesos.
A < T situación es
inversa.
V Creep > T>
Efecto Creep
Deformación elástica
La termofluencia es un mecanismo lento de estiramiento
mediante la acción combinada de un esfuerzo con la
temperatura.
1- La velocidad de Creep estacionaria aumenta cuando esfuerzo
y temperatura aumentan.
2- La elongación total para la rotura también aumenta con estas
variables.
3- El tiempo para la rotura disminuye si aumentan la temperatura
y el esfuerzo.
tiempo
Ala
rga
mie
nto
(1)
(2) (estable) lento estiramiento (v de Creep)
Rotura
Alta tensión o alta T
Baja tensión o baja T
(3)