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UNIDAD 5.-MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO.
5.1 Introducción Un material metálico puede ser endurecido por alguno de los siguientes procesos: Endurecimiento por trabajado en frío. Endurecimiento por aleación (o por solución sólida). Endurecimiento por refinación de tamaño de grano. Endurecimiento por precipitación. 5.2 Endurecimiento por trabajado en frío. Cuando un material es sometido a procesos de conformación mecánica a temperaturas bajas (laminación, forja, extrusión, doblado, etc.), ocurren en su estructura procesos de reproducción de dislocaciones (fuentes de Frank-Read, nucleación heterogénea de dislocaciones) con lo cual aumenta significativamente el número de ellas en los cristales, interfiriendo su movimiento, unas con otras, durante la deformación plástica del material. En consecuencia, será necesario aplicar un esfuerzo cada vez mayor para seguir deformando el material a espesores más delgados (en laminación), o formas más complejas (en doblado, torsión, etc.). Efecto del endurecimiento por deformación sobre las propiedades: La deformación o trabajado en frío de un metal puro o una aleación incrementa su dureza y resistencia mecánica, mientras que la utilidad, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión disminuye debido al incremento en los esfuerzos internos en la estructura del material.
σ C
X 1 = % inicial de dislocaciones X 2 = % final de dislocaciones D 1 = Dureza inicial D 2 = Dureza inicial X 2 > X 1 D 2 > D 1 5.3 Endurecimiento por aleación (o por solución sólida). En endurecimiento por aleación o por solución sólida, causa la mayor resistencia al movimiento de las dislocaciones. Esto es una de las razones por las que el latón (aleación Cu-Zn) es más resistente que el cobre puro, o porque no se elaboran joyas de oro o plata puros, ambos metales son extremadamente blandos y maleables, ya que no conservarían su forma, debido a esto, los joyeros agregan cobre al oro o a la plata. En los materiales cerámicos, la resistencia mecánica queda determinada por la distribución de imperfecciones (defecto de acomodo de los átomos, partículas de imperfecciones), mientras que la formación de soluciones (formación de aleaciones) no tiene gran efecto sobre sus propiedades mecánicas, aunque si sobre sus propiedades magnéticas, ópticas y dieléctricas. Por lo tanto la siguiente explicación relacionada con el efecto del endurecimiento por aleación se aplica a materiales metálicos. Casi 100% Cu ↑ Conductividad eléctrica y térmica X 2 = Dislocaciones nuevas creadas durante la deformación plástica del material.
X 1 =
Dislocaciones formadas durante el proceso de solidificación del material.
σ C
(b) “El porcentaje de un elemento de aleación agregado”. Un mayor % de elemento de aleación agregado provoca un mayor grado de reforzamiento (Fig. 9.8). Una aleación de Cu con 20% de Ni tiene una mayor resistencia mecánica que con 10% de Ni. Sin embargo si se agrega demasiada cantidad de átomos grandes o pequeños, se rebasará el límite de solubilidad y se produce un mecanismo distinto de reforzamiento llamado “endurecimiento por dispersión de partículas de segunda fase”. En este mecanismo, las partículas de segunda fase interfieren con el movimiento de las dislocaciones, lo cual produce el reforzamiento. Este tipo de endurecimiento es el que se
obtendrá en un material binario hipotético A-B cuando el 1% de átomos B es del 20% (aleación 80%A + 20%B) como se aprecia en el siguiente esquema. D 1 <D 2 <D 3 <D 4 D 1 D 2 D 3 D 4 100%A 95%A 5%B 80%A 20%B 50%A 50%B Endurecimiento por Endurecimiento por aleación dispersión de partículas de segunda fase 5.3.2 Efecto del endurecimiento sobre propiedades: Los efectos por endurecimiento por aleación o reforzamiento por solución sólida sobre las propiedades de un material metálico se pueden ver en la siguiente figura. Limite de solubilidad
dislocaciones, lo cual provoca el incremento de resistencia mecánica y dureza, así mismo, este hecho disminuye la ductilidad del material y afecta el movimiento de los electrones en metales utilizados como conductores eléctricos. El refinamiento de grano de los metales se puede presentar debido a los siguientes factores: 1.- La naturaleza del molde utizado en el cual se solidifican. Los moldes metálicos que tienen una mayor conductividad térmica que los moldes de arena, disipan más rápidamente el calor del metal fundido, haciendo que solidifiquen más rápidamente los metales vaciados en moldes metálicos. Lo anterior genera un mayor número de núcleos de partículas sólidas obteniéndose en consecuencia un menor tamaño de grano. 2.- La geometría de las piezas afecta el tamaño de grano obtenido durante la solidificación. Piezas de secciones mas delgadas promueven una mayor velocidad de disipación del calor, lo cual genera una mayor cantidad de núcleos durante la solidificación y en consecuencia un menor tamaño de grano. 3.- La adición de partículas inoculantes disminuye el tamaño de grano obtenido durante la solidificación. Durante el proceso de vaciado se pueden añadir deliberadamente al metal fundido partículas de mayor temperatura de fusión que el material base, las cuales actúan como sitios que favorecen el proceso de nucleación de la nueva fase (el sólido), en consecuencia al existir núcleos de fase sólida se obtienen cristales (granos) de menor tamaño. Q 1 , Q 2 , Q 3 = Velocidad de disipación de calor en diferentes moldes. ↑T Q 1 < Q 2 < Q 3
Molde Metálico Q 3 σ (^) T 1 σ (^) T 2 σ (^) T 3 σ (^) T 1 < σ (^) T 2 < σ (^) T 3 P.M. 5 > P.M. 4 ↑P. M. = Resistencia mecánica ↑, dureza ↑, Al ↓ el tamaño de grano ductilidad ↓ ↓ P. físicas = Conductividad eléctrica ↓ Si se cambiara el diseño, se puede observar un tamaño de grano homogéneo (luego se elimina el material sobrante por maquinado)
Si dicha estructura es calentada entre las temperaturas T 4 y T 5 durante un tiempo dado (t = x hrs.) la estructura quedará homogenizada a una sola fase (α en este caso) debido a la disolución de la fase β constituyente perlitico (mezcla de fase α+β) en la fase α. [Fig. (b)] Termodinámicamente inestable σ (^) T Energía interna mas baja ↑ T< T 5
. Cualquier obstáculo t = x hrs que dificulte el Energía interna es σ T movimiento de dislocaciones extremadamente alta Termodinámicamente favorece el mas estable endurecimiento mecánico Fig. (b) Fig. (c) Esta estructura permanecerá estable a temperatura ambiente si la aleación se enfría rápidamente aun cuando el diagrama de equilibrio indique que la estructura de esta aleación deberá estar constituida de las fases α+β. Entonces, si la aleación es calentada nuevamente a una temperatura por debajo de T 5 , ocurriría la precipitación de la fase β en forma de partículas finas y distribuida uniformemente de la fase α como se aprecia en el siguiente esquema. [Ver Fig.(c)] Si las partículas de la segunda fase (β) son precipitados no coherentes, aun cuando se obtenga una distribución de partículas β uniforme, estas no desordenan la estructura de la matriz (cristales de fase α) de una manera significativa. En consecuencia, las partículas precipitadas de fase β solo podrán bloquear el movimiento de las dislocaciones solo sí están en la trayectoria de la dislocación (Fig. 11-8 a)
Pero cuando se forma un precipitado coherente (Fig. 11-8 b), los planos de los átomos de la estructura cristalina del precipitado (β) están relacionados, incluso son continuos con los planos de la estructura cristalina de la fase matriz (α). En este caso de crea una interrupción generalizada que se obstaculiza el movimiento de las dislocaciones, aún cuando esta solo pase cerca del precipitado coherente. 5.5.1 Efecto del endurecimiento por precipitación sobre propiedades: Las partículas de segunda fase (β) al actuar como obstáculos para el movimiento de las dislocaciones durante la deformación plástica de la aleación, provocan el endurecimiento por precipitación, aumentando la dureza, resistencia mecánica y disminuyendo la ductilidad de la aleación.
