Mecanismos de endurecimiento
Ing. Norberto D. Ñique G.
Mecanismos de endurecimiento
Las propiedades mecánicas son propiedades que se
oponen a la plasticidad.
La capacidad del
material para deformarse
plásticamente depende de la capacidad del
movimiento de las dislocaciones por lo tanto:
La restricción y el impedimento del movimiento de
las dislocaciones convierte el material en mas
duro y resistente
Así los procedimientos para incrementar la resistencia
de los materiales se basan en este principio: Dificultar
el movimiento de dislocaciones
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Mecanismos de endurecimiento
Las propiedades mecánicas ocupan un lugar preponderante en el diseño de
componentes. A su vez, dentro de las propiedades mecánicas la resistencia mecánica es
una de las más importantes debido a que se utiliza para el cálculo resistencial.
Los mecanismos de endurecimiento constituyen las diferentes formas en que un
material logra su resistencia mecánica.
En general en un material metálico operan varios de estos mecanismos y la resistencia
mecánica es el resultado de la adición e interacción entre los mismos.
La resistencia mecánica de un material metálico es la resistencia que ofrece a la
deformación plástica.
Como la deformación plástica se produce a través del movimiento de las dislocaciones,
la base de cualquier mecanismo de endurecimiento es imponer barreras al movimiento
de las dislocaciones.
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Mecanismos de endurecimiento
(Toughness, Notch or Impact Toughness, Fracture Toughness)
Es la energía que absorbe el metal durante su deformación plástica y durante el proceso
de fractura.
En esta propiedad intervienen tanto la resistencia a la deformación como la capacidad
de deformación.
Un material tenaz es el que al mismo tiempo posee resistencia a la deformación y tiene
gran capacidad de deformación.
1. Tenacidad estática
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2. Tenacidad a la entalla
KV, cuando se expresa en (J)
KCV, si lo hace en (J/cm2):
3. Tenacidad a la fractura
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Mecanismos de endurecimiento
Además de contribuir con el incremento a la
resistencia mecánica, los mecanismos de
endurecimiento producen algunos efectos
colaterales, algunos deseables y otros no. En
particular, con una única excepción, todos los
mecanismos de endurecimiento disminuyen
la ductilidad y la tenacidad aunque en diferente
medida.
El objetivo es obtener una aleación con una
alta resistencia unida con una adecuada
ductilidad y tenacidad.
En general no es posible aplicar el máximo poder
endurecedor de cada mecanismo y se debe
llegar a una situación de compromiso entre la
resistencia mecánica, ductilidad y tenacidad.
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Mecanismos de endurecimiento
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO EN METALES
Los mecanismos de endurecimiento más utilizados en los materiales metálicos son:
1. Endurecimiento por deformación plástica en frío, también denominado “endurecimiento por aumento en
la densidad de dislocaciones”.
2.
Endurecimiento por reducción de tamaño de grano.
3. Endurecimiento por solución sólida (sustitucionales e intersticiales).
4. Endurecimiento por precipitación de partículas de segundas fases. Partículas submicroscópicas o partículas
microscópicas.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por
deformación plástica en frío
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Durante la deformación plástica se multiplican las dislocaciones.
 Si durante esta deformación no ocurren procesos de
restauración (eliminación de dislocaciones) este aumento en
la densidad de dislocaciones conduce a un aumento de la
resistencia al movimiento de las mismas debido a la mayor
interacción entre ellas.
 Si, por el contrario, se producen fenómenos de restauración que
compensen el incremento en la densidad de dislocaciones el
endurecimiento no ocurre.
 Si la deformación ocurre a temperaturas tales que no operen los
mecanismos de restauración se denomina deformación en frío
y conduce a un endurecimiento por incremento en la densidad de
dislocaciones, conocido como endurecimiento por deformación.
 Las consecuencia más importante son el aumento en la
resistencia y una disminución en la ductilidad del metal, y se
dice que el material ha adquirido un estado de acritud.
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La Figura muestra el efecto de la deformación en
frío sobre la dureza y la ductilidad en el cobre y en
el latón, (esta ultima propiedad medida en un
ensayo de tracción).
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Rangos de temperaturas de deformación:
Deformación en frío:
T < 0,3Tf (K)
Deformación en tibio:
0,3Tf < T < 0,6Tf (K)
Deformación en caliente:
T > 0,6Tf (K)
No operan procesos de restauración.
Operan procesos de restauración sólo parcialmente.
Operan procesos de restauración.
Ejemplos:
El aluminio se trabaja en caliente cuando se superan los 290
oC, en el caso del plomo los procesos de restauración se dan
a temperatura ambiente. Los aceros en cambio se trabajan
en caliente cuando se superan los 820oC y en frío a
temperaturas menores de 270 oC.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Para monocristales, la curva τ vs γ muestra tres
estadios, dependiendo de la estructura cristalina.
HCP → Estadio I
FCC → Estadios I, II y III
BCC→ Estadio III
Estadio I: Solo ocurre deslizamiento simple, no existe
intersección de dislocaciones, por lo que la velocidad de
endurecimiento es baja.
Estadio II: Se inicia cuando ocurre la intersección de
dislocaciones (planos interceptantes). Esto genera que
muchas dislocaciones se anclen. La dislocación anclada
no permite el deslizamiento de otras dislocaciones en su
plano de deslizamiento. Mecanismos de anclaje que
operan: Lomer-Cottrell, redes de dislocaciones y
generación de dislocaciones sésiles.
Estructuras de los Materiales
Estadio III: La tensión aplicada es suficiente para permitir el
movimiento de las dislocaciones ancladas y el
endurecimiento decae.
El deslizamiento cruzado es la principal causa para que ocurra
el desanclaje.
En el caso de cristales BCC el deslizamiento cruzado se
observa desde el inicio de la deformación.
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Mecanismos de endurecimiento
En el caso de cristales
BCC el deslizamiento.
Deslizamiento cruzado
Estadio I:
deslizamiento simple
Estadio II: intersección de
dislocaciones
(planos
interceptantes). Anclado. La
dislocación
anclada
no
permite
el
deslizamiento.
Barreras Lomer-Cottrell, redes
de dislocaciones y generación
de dislocaciones sésiles.
Estructuras de los Materiales
Estadio III:
Movimiento
de
las
dislocaciones ancladas.
Por deslizamiento cruzado es
la principal causa para que
ocurra el desanclaje.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Cristales BCC
En un policristal, un grano no pueden deformarse de manera
independiente por la presencia de sus granos vecinos. Para
que exista continuidad entre granos, la deformación de un
grano ocurre con el acomodamiento de los granos vecinos.
Esto origina que la deformación plástica en un policristal
siempre se inicie por deslizamiento múltiple, por lo que no
se observa la etapa I de deslizamiento simple.
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Durante la deformación en frío, el incremento de las
dislocaciones y la interacción entre ellas en los planos
de deslizamiento que se cortan, origina el
endurecimiento del metal.
Para
altas
deformaciones
se
incrementa
el
deslizamiento cruzado y las dislocaciones se van
agrupando en regiones de alta densidad, formando una
subestructura de subgranos dentro de los granos.
Cada subgrano tiene una desorientación de alrededor de
1° respecto del subgrano vecino.
A veces es conveniente expresar el grado de
deformación plástica como el porcentaje de trabajo en
frío:
(%CW, Cold Working):
%CW = 100 ×
𝐴𝐴0 − 𝐴𝐴𝑓𝑓
𝐴𝐴0
Ao = Área de sección inicial
Af = Área de sección después de la deformación.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Influencia del trabajo en frío sobre
el comportamiento a tracción de
un acero de bajo contenido en
carbono
Estructuras de los Materiales
El incremento del %CW genera una
disminución de la ductilidad. En ocasiones,
para operaciones de conformado, el
endurecimiento por deformación puede ser
un
problema.
Para
eliminar
el
endurecimiento del material se aplica un
recocido para eliminar el exceso de
dislocaciones.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Aumento de la tensión de
fluencia con la deformación
en frío para el Fe puro
(aumento de la densidad de
dislocaciones)
Efecto del trabajo en frio sobre la resistencia de
fluencia del hierro puro. Las micrografías
electrónicas
muestran
los
cambios
correspondientes en el número y la distribución de
las dislocaciones.
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Para el acero 1040, el latón y el cobre. (a) Aumento de la
tensión de fluencia; (b) aumento de la resistencia a la
tracción.
Estructuras de los Materiales
Para el acero 1040, el latón y el
cobre. (c) Disminución en la
ductilidad, medido por el porcentaje
de trabajo en frío (%CW).
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
El grado de endurecimiento conseguido mediante la
deformación plástica en frío depende del %CW aplicado
y del coeficiente de endurecimiento por deformación
del material (dσ/dε).
σ =k𝜀𝜀 𝑛𝑛
Para metales y aleaciones monofásicas la principal
variable que controla el coeficiente de endurecimiento
por deformación es la energía de falla de apilamiento
(EFA).
La EFA influye en el tamaño de la falla de apilamiento,
lo que a su vez determina la facilidad o dificultad para
que las dislocaciones parciales se asocien en una
dislocación de hélice que permita el deslizamiento
cruzado.
Estructuras de los Materiales
Acero AISI 304 (FCC): baja EFA, por lo tanto,
alto coeficiente de endurecimiento.
Acero AISI 430 (BCC): alta EFA, por lo tanto,
bajo coeficiente de endurecimiento.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Para una baja EFA, es mayor el tamaño de la falla de apilamiento y por lo tanto las
dislocaciones parciales se encuentran más separadas, haciendo más difícil su asociación para
formar una dislocación de hélice que produzca el deslizamiento cruzado. Esto incrementa el
coeficiente de endurecimiento por deformación.
Influencia de la EFA
Baja EFA
Mayor disociación
de las
dislocaciones en
dislocaciones
parciales
Mayor dificultad
para realizar
deslizamiento
cruzado
Mayor interacción de
dislocaciones y mayor
coeficiente de
endurecimiento
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por deformación plástica en frío
Ventajas:
1. Es el más económico, por lo cual su utilización es muy amplia, de hecho puede aplicarse a cualquier material
suficientemente dúctil.
2. Puede operar al mismo tiempo que se conforma la pieza. Esto ocurre en un gran número de productos
metalúrgicos que se terminan de conformar en frío. Al mismo tiempo que se logran las dimensiones y calidad superficial
final, se logra aumentar la resistencia mecánica. Ejemplos: barras retorcidas para hormigón, chapas, flejes, alambres y
tubos.
Zona endurecida
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Mecanismos de endurecimiento
Ventajas:
1. Es el más económico, por lo cual su utilización es muy amplia, de hecho puede aplicarse a cualquier material
suficientemente dúctil.
2. Puede operar al mismo tiempo que se conforma la pieza. Esto ocurre en un gran número de productos metalúrgicos que
se terminan de conformar en frío. Al mismo tiempo que se logran las dimensiones y calidad superficial final, se logra
aumentar la resistencia mecánica. Ejemplos: barras retorcidas para hormigón, chapas, flejes, alambres y tubos.
Limitaciones:
1. Para lograr una alta resistencia mecánica mediante este método es necesario deformar mucho el material. En productos de
sección grande esto es imposible de lograrlo.
2. Es necesario que el producto final sea de sección relativamente pequeña. A menor sección final del producto, se podrá
imprimir mayor deformación en frío y más homogéneamente, lo que conducirá a un mayor endurecimiento.
3. El componente debe ser de geometría sencilla para asegurar homogeneidad en la deformación plástica (Ejemplo: chapas,
tubos, alambres, barras, y flejes).
4. El endurecimiento por deformación en frío solo puede conservarse hasta temperaturas que aseguren la ausencia de
mecanismos de restauración durante el servicio. Esto impone un límite en la máxima temperatura de servicio del
material endurecido por deformación.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del
tamaño de grano
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
Los límites de grano son fuertes barreras para el movimiento de las dislocaciones en las etapas iniciales del proceso de
deformación (σys). Esto se refleja en la conocida la ecuación de Hall-Petch:
σys = tensión de fluencia
σ0 = tensión de fricción que se opone al
movimiento de las dislocaciones.
d = tamaño de grano
k = constante
𝜎𝜎𝑦𝑦𝑦𝑦 = 𝜎𝜎0 +
𝑘𝑘
𝑑𝑑
La relación Hall-Petch se basa en la suposición de que los límites del grano actúan
como obstáculos para deslizar las dislocaciones, causando su apilamiento en sus
planos de deslizamiento detrás de los límites. El número de la acumulación de
dislocación es grande y aumentan con el aumento del tamaño del grano y magnitud
de la tensión aplicada. Como tal, se necesita una tensión aplicada mucho mayor en
materiales para forzar el deslizamiento a través del límite del grano e iniciar el
deslizamiento en el Grano.
Estructuras de los Materiales
Apilamiento de dislocaciones en
un límite de grano.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
Granos limítrofes tienen diferentes orientaciones cristalográficas, por lo tanto una dislocación solo puede moverse dentro de un
grano hasta alcanzar su límite de grano, donde quedará anclada. Los límites de grano no permiten el paso de las
dislocaciones y constituyen una barrera en su movimiento, y por consiguiente endureciendo al material.
ASTM 6 y ASTM 8.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
Algunos granos favorablemente orientados
comenzarán a deformar, generando un gran
número de dislocaciones que al llegar al borde
de grano se apilarán deteniendo su avance.
Esto genera una concentración de tensiones
en el plano de deslizamiento, lo cual activará
nuevas dislocaciones en las regiones cercanas
al límite de grano generando la deformación en
el grano contiguo.
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
𝜎𝜎𝑦𝑦𝑦𝑦 = 𝜎𝜎0 +
𝑘𝑘
𝑑𝑑
Influencia del tamaño del grano sobre la
tensión de fluencia de un latón 70 Cu-30 Zn.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
Influencia del tamaño de grano
sobre la tensión de fluencia en un
acero de baja aleación a
temperatura ambiente
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
La gran ventaja de este mecanismo es que, a diferencia del resto, mejora la tenacidad. Una aleación de
grano pequeño, podrá absorber mayor cantidad de energía mecánica sin llegar a la fractura.
En los metales que presentan transición dúctil-frágil la reducción del tamaño de grano baja la
temperatura de transición, (TTD-F).
Debido a esta característica única, este mecanismo
se usa en muchos casos para contribuir a obtener
una mayor resistencia mecánica al tiempo que
contrarresta el efecto negativo que poseen los otros
mecanismos sobre la tenacidad, por ejemplo:
ASTM 2 y ASTM 7.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
Este mecanismo es aplicado en las aleaciones
mediante:
(a) solución sólida intersticial y
(b) solución sólida sustitucional.
El soluto crea distorsiones en la red y dificultan el
movimiento de las dislocaciones endureciendo el
material.
Mecanismos que actúan:
1. Acción de orden de corto alcance (mecanismo de
Fisher).
2. Anclado de dislocaciones por atmósferas de
átomos de soluto (mecanismo de Cottrell).
3. Ubicación de átomos de soluto en zonas de fallas
de apilamiento de dislocaciones extendidas
(mecanismo de Suzuki).
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
Estructuras de los Materiales
Efecto de los elementos aleantes en solución
sólida, sobre la curva tensión-deformación
Incremento de la resistencia a la tracción del hierro por
adiciones de elementos aleantes en solución sólida
sustitucional
El efecto del endurecimiento se manifiesta en el
inicio de la deformación plástica, con el
incremento de la tensión de fluencia, y a lo largo
de todo el proceso de deformación.
La velocidad de endurecimiento, dσ/dε, puede
mantenerse constante, aumentar, o bien disminuir,
según sea el caso.
En las soluciones sólidas sustitucionales diluidas,
la
cantidad
de
endurecimiento
varía
proporcionalmente con la concentración del soluto
y, si son varios los elementos disueltos, el efecto
total es aproximadamente igual a la suma de lo
que cada elemento produciría por sí solo.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución
sólida sustitucional en el Cu
Endurecimiento por solución solida
Cuanto mayor es la diferencia en tamaño
entre los átomos del soluto y del solvente,
mayor es el efecto endurecedor.
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Los átomos intersticiales son los mejores
endurecedores por solución sólida intersticial
debido a la mayor distorsión que originan y al
hecho de que en ciertas redes como la BCC
generan un campo de tensiones de corte que
puede interactuar con las dislocaciones de
hélice.
(a) Representación de la deformación compresiva
impuesta a los átomos anfitriones por una gran
impureza atómica sustitucional.
(b) Posible localización de grandes impurezas
atómicas relacionadas a una dislocación de borde
tal que esta impureza cancela parcialmente
deformando la red.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
a. Acción de orden de corto alcance
(mecanismo de Fisher).
Los átomos de soluto tienden a un cierto
orden de corto alcance (unos pocos
espaciados atómicos) para minimizar la
deformación en la red, formando lo que se
conoce como cúmulos (cluster) que dificultan
el deslizamiento de las dislocaciones. Un
átomo de soluto está rodeado por otros
átomos de soluto.
b. Anclado de dislocaciones por “atmósferas” de átomos de soluto.
La distorsión en la red que causa un átomo de soluto sustitucional (por la
diferencia de tamaño con el solvente) puede ser minimizada si el soluto se
posiciona en la zona de tracción o compresión de una dislocación. Si el
átomo de soluto es mayor que el solvente se posicionará en la zona de
tracción, caso contrario lo hará en la zona de compresión. Esto dificulta el
movimiento de las dislocaciones.
Anclaje de una dislocación por átomos de soluto sustitucionales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
Los elementos que anclan más fuertemente las dislocaciones son los átomos intersticiales (C y N), que
se posicionan en la parte inferior de la dislocaciones de borde.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
El ejemplo más conocido es el del C en el hierro BCC que conducen a la aparición de la denominada zona
de fluencia y a la aparición de las conocidas bandas de Lüders.
Comportamiento típico
en el punto de fluencia
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
Con el incremento de la tensión, las dislocaciones
escapan de su atmósfera, pudiendo continuar su
movimiento con tensiones menores, de allí los
puntos de fluencia superior e inferior, en los
aceros de bajo C.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
En la zona de alargamiento a fluencia,
la deformación plástica no es
homogénea y se mueve a través de la
probeta en uno o más frentes llamados
bandas de Lüder.
Este frente se propaga a tensión
aproximadamente constante, hasta que
se deforma toda la probeta. En estas
condiciones la deformación y la
distribución de dislocaciones se hacen
homogéneas.
Comportamiento típico en el punto de fluencia
Estructuras de los Materiales
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
Si después de deformar al cristal hasta un valor
mayor a su punto de fluencia, este se descarga
y luego inmediatamente se recarga, el punto de
fluencia inferior no aparece.
Por otra parte, si una vez descargado el cristal
se espera un tiempo largo a temperatura
ambiente, en el caso del hierro, o un tiempo más
corto a alta temperatura (50 – 150°C), se obtiene
un nuevo punto de fluencia al recargar.
Este fenómeno se conoce como envejecimiento
por deformación, y es debido a la difusión de los
átomos de soluto hacia las nuevas dislocaciones
generadas durante la deformación previa,
inmovilizándolas.
Estructuras de los Materiales
Curvas tensión-deformación para aceros de
bajo carbono mostrando el envejecimiento
por deformación.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
(c) Ubicación de los átomos de soluto en zonas de falla de apilamiento de dislocaciones
extendidas
Cuando una dislocación se disocia en parciales, genera una falla de apilamiento. Esto afecta
el arreglo periódico de la red y en redes FCC la región de la falla tiene un arreglo HCP.
Estructuras diferentes dan lugar a propiedades termoquímicas diferentes. Así, la solubilidad
de un átomo de soluto en la red FCC puede ser diferente a la red HCP, por lo que ciertos
átomos de soluto tienden a ubicarse preferentemente en las fallas de apilamiento.
Esto origina que la asociación de la dislocación extendida en una unitaria sea mucho más
difícil, y por tanto, el deslizamiento cruzado se ve suprimido (o en todo caso muy dificultado);
y por ello será necesario una tensión mayor para mover una dislocación, lo que es una
indicación del endurecimiento del material.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por solución solida
(c) Ubicación de los átomos de soluto en zonas de falla de apilamiento de dislocaciones
extendidas
Cuando una dislocación se disocia en parciales, genera una falla de apilamiento. Esto afecta
el arreglo periódico de la red y en redes FCC la región de la falla tiene un arreglo HCP.
Estructuras diferentes dan lugar a propiedades termoquímicas diferentes. Así, la solubilidad
de un átomo de soluto en la red FCC puede ser diferente a la red HCP, por lo que ciertos
átomos de soluto tienden a ubicarse preferentemente en las fallas de apilamiento.
Esto origina que la asociación de la dislocación extendida en una unitaria sea mucho más
difícil, y por tanto, el deslizamiento cruzado se ve suprimido (o en todo caso muy dificultado);
y por ello será necesario una tensión mayor para mover una dislocación, lo que es una
indicación del endurecimiento del material.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por
precipitación de partículas de
segundas fases
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Mecanismos de endurecimiento
Se denomina segundas fases a aquellas fases que están en baja proporción en la
estructura de la aleación. A pesar de su baja fracción en volumen tienen una influencia
importante en la mayoría de las propiedades mecánicas.
Para el estudio de su influencia en el endurecimiento, conviene dividir a las partículas de
segundas fases de acuerdo a su tamaño:
a. Partículas submicroscópicas (de un tamaño entre unos pocos nm y 100 nm) son las
que conducen a los fenómenos de endurecimiento por precipitación y por dispersión
b. Partículas microscópicas (tamaños
endurecimiento por precipitación
Estructuras de los Materiales
mayores
a
100
nm)
presentan
menor
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Mecanismos de endurecimiento
Partículas de segundas fases
Existe una gran variedad de fases presentes en materiales metálicos como son los aceros
además de las que aparecen en el diagrama Fe-C. Se mencionarán sólo los grupos más
importantes:
1. Carburos
2. Nitruros
3. Otras fases intermetálicas
4. Inclusiones no metálicas
En orden creciente a la tendencia a formar carburos, estos elementos son:
Fe, Mn, Cr, V, Ti, Mo, Zr, W, Ta, Hf.
Los más conocidos se denominan: MC, M2C, M7C3, M23C6, M6C. En todos los casos M denota
los metales que forman parte de ese carburo.
Algunos elementos de aleación forman nitruros de mayor estabilidad que los de Fe. En orden
creciente de estabilidad de nitruros estos elementos son: Cr, Mo, V, Al, Ti, Zr
•Pueden retrasar la recristalización si son suficientemente finos.
• Aumentan la resistencia al revenido.
•Aumentan la resistencia al creep.
• En los aceros inoxidables influyen fuertemente en su resistencia a la corrosión.
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Mecanismos de endurecimiento
La presencia de partículas de una segunda fase dispersas en una matriz
incrementa considerablemente la resistencia de la aleación, incluso para % en
volumen de fase dispersa tan bajos como 1-10 %.
“Esto debido a que las partículas dispersas son fuertes obstáculos para el
deslizamiento de las dislocaciones, comparado a lo ofrece los átomos de
soluto dispersos en una solución sólida”
Se denomina partículas de segunda fases a aquellas partículas que están en
baja proporción en la estructura de la aleación. A pesar de su baja fracción en
volumen tienen una influencia importante en la mayoría de las propiedades
mecánicas.
Para el estudio de su influencia en el endurecimiento, conviene dividir a las
partículas de segundas fases de acuerdo a su tamaño:
a.
Micrografía electrónica del acero P91. Se
muestra precipitados de carburos de
distinta morfología
Partículas submicroscópicas (de un tamaño entre unos pocos nm y 100 nm) son las que conducen a los fenómenos de
endurecimiento por precipitación.
b.
Partículas microscópicas (tamaños mayores a 100 nm) presentan menor endurecimiento por precipitación.
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Mecanismos de endurecimiento
Las aleaciones endurecibles por precipitación, logran su
resistencia mecánica mediante:
1. Solubilización inicial, recocido en solución
2. Temple y
3. Tratamiento de envejecimiento (precipitación).
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Mecanismos de endurecimiento
El grado de endurecimiento que proporcionan las partículas o precipitados
depende de los siguientes factores:
• Tamaño, r, de los precipitados (dppt)
• Fracción en volumen, fV, de precipitados (la separación media entre
•
•
precipitados, λ, que queda definida si se conoce la fracción en
volumen y el tamaño de los precipitados)
Forma de los precipitados (en general los precipitados no esféricos,
por ejemplo plaquetas o agujas, son más efectivas en el
endurecimiento de la aleación debido a su anisotropía)
Tipo de interfase precipitado/matriz
La causa del endurecimiento es la interacción entre cada partícula y las
dislocaciones. Cuando una dislocación se aproxima a una partícula,
pueden operar dos mecanismos mediante los cuales la dislocación
puede superar a la partícula:
1. La dislocación corta a la partícula generando un escalón en la
interfase partícula/matriz.
2. La dislocación rodea a la partícula y generando un lazo de
dislocación (mecanismo de Orowan).
De estas dos opciones la que prevalecerá será la que requiera menor
tensión de corte.
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Mecanismos de endurecimiento
1. Caso en que las dislocaciones cortan a las partículas
a. Cuando los precipitados son coherentes o semi-coherentes
el movimiento de las dislocaciones puede ocurrir por el corte de
las partículas.
b. Dado que este proceso incrementa el área superficial de la
partícula, existe un incremento asociado con la energía
superficial la cual debe ser suministrada por la tensión aplicada.
c. Cuando una dislocación corta una partícula existen varias
causas por las que dicha partícula ofrece una resistencia al paso
de la dislocación:
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Mecanismos de endurecimiento
a. Campo de tensiones que rodea a la partícula: este campo
interactúa con el campo de tensiones de la dislocación.
Es una interacción de largo alcance y no es necesario
que la dislocación intercepte a la partícula.
b. Endurecimiento debido a la creación de una nueva
porción de interfase precipitado/matriz cuando una
dislocación corta al precipitado y genera un escalón en la
interfase.
c. Endurecimiento debido a la diferencia entre los módulos
elásticos de la matriz y del precipitado.
b.
Endurecimiento debido a la fuerza de fricción que se
opone al movimiento de las dislocaciones dentro del
precipitado.
Dependiendo de las características de la partícula
endurecedora podrán actuar una o varias de estas
causas combinadas.
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Mecanismos de endurecimiento
2. Caso en que las dislocaciones no cortan a las partículas
Cualquier tipo de precipitado que alcance un tamaño crítico ya no será cortado por las
dislocaciones y opera otro mecanismos que requieren menor tensión. El más conocido
de ellos es el mecanismo de Orowan (1948)mediante el cual las dislocaciones rodean
a los precipitados generando lazos de dislocaciones a su alrededor y así pueden
superarlos.
La dislocación se frena y se arquea cuando se encuentra con una partícula. La
configuración crítica ocurre cuando la dislocación alcanza el radió crítico (3). A medida
que se incrementa la tensión de corte, la dislocación se dobla tanto que empieza a
encontrarse en puntos tales como A y B en (4), que al ser de sentido contrario estos
segmentos de dislocación se cancelarán, ocasionando que la dislocación principal se
separe generando un lazo de dislocación a través de la partícula (5).
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Mecanismos de endurecimiento
2. Caso en que las dislocaciones no cortan a las partículas
Cada vez que una dislocación pasa por una partícula se genera un lazo de dislocación
alrededor de ella. La energía de deformación asociado al lazo formado, hace más difícil
la formación de un nuevo lazo, dificultando el movimiento de las dislocaciones y por lo
tanto endureciendo a la aleación. Este mecanismo de endurecimiento se incrementa
conforme el espaciamiento interpartículas (λ) y, por lo tanto, el radio de las partículas se
hace más pequeño.
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por precipitación de partículas de
segundas fases
Caso en que las dislocaciones no
cortan a las partículas
rc: radio crítico de la partícula a partir del cual
opera el mecanismo de Orowan
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Mecanismos de endurecimiento
Endurecimiento por precipitación de partículas de
segundas fases
Competencia entre el mecanismo de corte de los precipitados y el mecanismo de Orowan
1.
Cualquier factor que ocasione un incremento en la resistencia al corte de las
partículas ocasiona que el mecanismo de Orowan opere para menores
tamaños de partículas y además aumentará la máxima resistencia alcanzable.
2.
Es conveniente entonces que la aleación presente partículas duras (resistentes
al corte), ya sea porque sean:
a. Sean fases ordenadas;
b. Presenten alta tensión de fricción en su interior;
c. Presenten un módulo de corte muy diferente al de la matriz; o
d. Tengan gran energía de interfase con la matriz.
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Mecanismos de endurecimiento
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Bibliografía
1. Ciencia e ingeniería de los materiales. (2002). Donald R.
Askeland. Pags: 5-18.
2. Estructura y propiedades de los materiales. (2006). Nilthon
Zavaleta Gutiérrez. Pags: 350-380.
3. Estructura propiedades y aplicaciones. (2005). Jose Antonio
Saja Saez. Pags:148-161.
4. Materiales para ingeniería. Introducción a las propiedades, las
aplicaciones y el diseño. Ashby M.F. Jones D.R.H. (2008)
Editorial Reverte. Pags: 2-27.