1.- INTRODUCCIÓN.       En el presente escrito se explican algunos mecanismos de deformación que han sidopropuestos para e...
Fig. 2 Dislocación de tornillo.       Dislocaciones Mixtas: Tiene componentes tanto de una dislocación de borde comode una...
Fig. 4 Deslizamiento de una dislocación de borde.       El deslizamiento de una dislocación de borde es paralelo a la dire...
2.3 Características de las dislocaciones: Toda dislocación presenta campos deesfuerzo alrededor suyo que influyen en la mo...
Fig. 7 Interacciones entre dislocaciones.        Las interacciones entre dislocaciones se pueden dar entre dislocaciones d...
Aquellos metales con mayor cantidad de sistemas de deslizamiento son más dúctilesya que es posible que se deformen plástic...
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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 p...
Fig. 10 Variación de (a) la resistencia a la tensión, (b) el punto de cedencia y (c) la ductilidad de una aleación de Cu-N...
Fig. 11 Representación de los esfuerzos de tensión generados por una impureza sustitucional de menor tamaño.  Fig. 12 Repr...
láminas del metal. El forjado deforma el metal al introducirlo en moldes o al golpearlo paraque adquiera la forma deseada....
Fig. 14 Variación de las propiedades mecánicas en función del %CW para acero 1040, cobre y latón.Fig. 15 Influencia del %C...
4.- RECOCIDO, RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN YCRECIMIENTO GRANULAR.         Como se mencionó antes, una fracción de la ene...
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El crecimiento granular se lleva a cabo por la migración de fronteras de grano. Notodos los granos pueden crecer, y los qu...
Fig. 20 Variación del diámetro de grano con respecto al tiempo en una aleación de latón a diferentes temperaturas en      ...
Para un flujo viscoso en un líquido que se origina por el esfuerzo de corte generadopor dos placas paralelas (Fig. 21), la...
Fig. 22 Representación de la estructura de una esferulita.       Mecanismo de deformación elástica: Se produce una elongac...
Fig. 23 Representación de la deformación plástica en un polímero semicristalino.       6.2 Factores que influyen en las pr...
vuelve más frágil. El efecto del grado de cristalinidad y el peso molecular en el estadofísico del polietileno se presenta...
6.4 Vulcanización: Es el proceso de entrecruzamiento que se lleva a cabo con unareacción química a alta temperatura. En la...
ÍNDICE DE FIGURASFig. 1 Dislocación de Borde.................................................................................
REFERENCIASCIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES – 6TA EDICIONDONAL R. ASKELAND / PRADEEP P. FULAY / WENDELIN J. WRIGHTCENGAG...
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Deformación y mecanismos de endurecimiento

  1. 1. 1.- INTRODUCCIÓN. En el presente escrito se explican algunos mecanismos de deformación que han sidopropuestos para explicar el comportamiento de las deformaciones en materiales cerámicos,metálicos y poliméricos. También se presenta una explicación acerca de algunas técnicas deendurecimiento 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 alcálculo la resistencia mecánica teórica de cristales perfectos. Estas resistencias mecánicasteóricas resultan ser mucho mayores que aquellas medidas experimentalmente. En 1930 seexplicó que esta discrepancia se debe a la presencia de dislocaciones. Sin embargo fuehasta 1950 que se observó la existencia de dichas dislocaciones con la ayuda de unmicroscopio electrónico. 2.2 Conceptos básicos de dislocaciones: Existen dos tipos principales dedislocaciones: Dislocaciones de borde: Existe una deformación de la red cristalina causada por laexistencia 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 decorte. La línea de la dislocación pasa a través del centro de un espiral, asemeja a una rampade átomos. (Fig. 2) 1
  2. 2. Fig. 2 Dislocación de tornillo. Dislocaciones Mixtas: Tiene componentes tanto de una dislocación de borde comode 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 endirección perpendicular a su línea de dislocación. A este movimiento de dislocaciones se lellama deslizamiento. El movimiento de una dislocación de borde se asemeja al mecanismoque utilizan algunas orugas para avanzar. (Fig. 4) 2
  3. 3. Fig. 4 Deslizamiento de una dislocación de borde. El deslizamiento de una dislocación de borde es paralelo a la dirección en la que seaplica el esfuerzo de corte. El movimiento de una dislocación de tornillo es perpendicular ala dirección del esfuerzo aplicado. (Fig. 5) Fig. 5 Movimiento de una dislocación de tornillo. Todos los metales y aleaciones poseen dislocaciones formadas durante lasolidificación, durante deformaciones plásticas y como consecuencia de esfuerzos térmicosderivados de un enfriamiento rápido. Densidad de dislocaciones: Se le llama así a la distancia total de las dislocaciones enuna unidad de volumen o equivalentemente al número de dislocaciones que intersectan unaunidad de área de cualquier sección. Se puede expresar en milímetro de dislocación pormilímetro cúbico, o solamente como uno sobre milímetro cuadrado. Los valores de densidad de dislocaciones típicos de un metal cuidadosamentesolidificado son de aproximadamente 103 mm-2. Para materiales fuertemente deformadoslos valores de densidad de dislocaciones son de 109-1010 mm-2 y se pueden reducir con untratamiento térmico a 105-106 mm-2. En materiales cerámicos estos valores se encuentranentre 102 y 104 mm-2, y para monocristales de silicio entre 0.1 y 1 mm-2. 3
  4. 4. 2.3 Características de las dislocaciones: Toda dislocación presenta campos deesfuerzo alrededor suyo que influyen en la movilidad de las dislocaciones así como en lamultiplicación de las mismas. (Fig. 6) Cuando un metal es deformado plásticamente, aproximadamente un 5% de laenergía de deformación se retiene internamente, el resto se disipa a manera de calor. Comoconsecuencia existen regiones en las que esfuerzos de comprensión, tensión y corte sonaplicados a los átomos vecinos en la red cristalina. Las magnitudes de dichos esfuerzosdisminuyen al alejarse de la dislocación. Fig. 6 Campos de esfuerzos alrededor de una dislocación. Los campos de esfuerzo alrededor de dislocaciones cercanas pueden interactuar detal manera que a cada una de esas dislocaciones se ejerce un esfuerzo resultante de lacombinación 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 dedeslizamiento. En este caso existirá una fuerza de repulsión entre ambas dislocaciones quelas apartará y generará esfuerzos entre las mismas. Por el contrario, si los planos extras seencuentran de lados opuestos del plano de deslizamiento, entonces estos presentan unafuerza de atracción. Dicha fuerza de atracción hará que los medios planos extras se unanpara formar un plano completo y harán desaparecer la dislocación desapareciendo tambiénlos campos de esfuerzos generados por la misma. 4
  5. 5. 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 aumentadrásticamente. Las dislocaciones ya existentes, las fronteras de grano, los defectos internosy las irregularidades en la superficie del material son fuentes de nuevas dislocaciones. 2.4 Sistemas de deslizamiento: Normalmente existen planos y direcciones sobredichos planos sobres los que preferentemente se deslizarán las dislocaciones. Un sistema dedeslizamiento se compone de un plano y una dirección de deslizamiento. El sistema dedeslizamiento depende de la estructura cristalina que posea el metal y es tal que minimizala distorsión que acompaña al movimiento de la dislocación. El plano y la dirección dedeslizamiento serán aquellos que posean mayores densidades atómicas (planar y lineal). Porejemplo: 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 posiblescombinaciones entre los planos y las direcciones de deslizamiento. En la siguiente tabla sepresentan los sistemas de deslizamiento para estructuras FCC, BCC y HCP. 5
  6. 6. Aquellos metales con mayor cantidad de sistemas de deslizamiento son más dúctilesya que es posible que se deformen plásticamente. Aquellos con menos sistemas dedeslizamiento son más frágiles. 2.5 Deformación plástica de metales policristalinos: En los metalespolicristalinos las orientaciones cristalográficas están ordenadas al azar debido a laexistencia de un gran número de granos. En este caso el movimiento de la dislocación seráa través del sistema de deslizamiento que esté más favorecido. La deformación plástica deun metal policristalino es resultado de las deformaciones individuales de cada uno de losgranos causadas por el deslizamiento. Ya que normalmente las fronteras de grano no seseparan 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 serequieresn 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 susdislocaciones. Virtualmente todas las técnicas de endurecimiento se basan en un principiobásico: “Restringiendo o dificultando el movimiento de las dislocaciones resulta en unamejora en las propiedades mecánicas del material”. 3.1 Endurecimiento por reducción de tamaño de grano: Normalmente granosadyacentes poseen diferentes orientaciones cristalográficas. Tomando como ejemplo la(Fig. 8), las fronteras de grano actúan como barrera al movimiento de dislocaciones debido 6
  7. 7. a dos razones: (1) Para que la dislocación continúe su movimiento al llegar a la frontera degrano es necesario que cambie de dirección. (2) La frontera de grano representa unadiscontinuidad 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 queuna dislocación migre de un grano a otro. En su lugar, el esfuerzo generado por eldeslizamiento puede activar fuentes para crear nuevas dislocaciones. Para la mayoría de los materiales, el punto de cedencia o límite elástico (esfuerzo alcual el material comienza a deformarse plásticamente) está definido por la ecuación deHall-Petch: 1 − σ y = σ 0 + kyd 2 Donde d es el diámetro de grano promedio y, σ y y k y son constantes propias delmaterial. Esta ecuación no es válida ni para tamaños de grande muy grandes ni muypequeños. (Fig. 9) 7
  8. 8. 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 ytambién por medio de deformación plástica seguida de un tratamiento térmico apropiado. Las fronteras entre dos fases distintas son también impedimentos para elmovimiento de las dislocaciones. El tamaño y la forma de las diferentes fases afectan engran medida a las propiedades mecánicas de aleaciones con diferentes fases. 3.2 Endurecimiento por solución sólida: Otra técnica para el endurecimiento demetales es la adición de impurezas que entran en solución sólida de manera intersticial osustitucional. Los metales de alta pureza son generalmente más suaves y débiles que susaleaciones. En la siguiente figura (Fig. 10) se muestra la variación de la resistencia a latensión, el punto de cedencia y la elongación de una aleación de cobre al variar sucontenido de níquel. 8
  9. 9. 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 detensión y compresión en la red cristalina a sus átomos vecinos. Los átomos de impurezastienden a difundirse alrededor de las dislocaciones para contrarrestar parte de los esfuerzosgenerados por las dislocaciones, dificultando con esto el movimiento de dislocaciones. Porejemplo: En el caso de una impureza sustitucional cuando es de menor tamaño a los átomosde la red, genera esfuerzos de tensión (Fig. 11), mientras que si es de mayor tamaño, generaesfuerzos de compresión (Fig. 12) sobre la red cristalina a su alrededor. En el caso de lasimpurezas intersticiales todas generan esfuerzos de compresión hacia la red a su alrededor. Estas mismas interacciones de los esfuerzos de red existirán entre las impurezas ylas dislocaciones en movimiento durante una deformación plástica. Es por estasinteracciones que se requiere aplicar un esfuerzo mayor para iniciar y luego para continuaruna deformación plástica en aleaciones en solución sólida. 9
  10. 10. 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 endureceal ser deformado plásticamente. También se conoce como trabajo en frío ya que lastemperaturas a las que se hace la deformación son mucho menores a la temperatura defusión del metal. Fuente de Frank-Read: Esto es un mecanismo mediante el cual se generan nuevasdislocaciones. 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 deslizaa través de la estructura cristalina finalmente encontrará un obstáculo que la sujetará por losextremos. La dislocación comenzará a arquearse por el centro, tanto que será capaz deformar un “lazo”. Cuando éste finalmente se toque a sí mismo, se habrá creado una nuevadislocación. La original seguirá sujeta y podrá crear lazos de dislocaciones adicionales.Luego de la deformación el número de dislocaciones incrementará en gran medida. Loscampos de esfuerzos de las nuevas dislocaciones interferirán en el deslizamiento de lasotras, lo cual incrementa el esfuerzo necesario para deformar el metal, logrando así elendurecimiento del material. Existen diferentes técnicas para, de manera simultánea, conformar y endurecer unmaterial por trabajo en frío (Fig. 13). El laminado es usado para producir placas, hojas o 10
  11. 11. láminas del metal. El forjado deforma el metal al introducirlo en moldes o al golpearlo paraque adquiera la forma deseada. En el trefilado se jala un material a través de un molde paraproducir un alambre. En la extrusión se empuja un material a través de un molde paraformar productos de sección transversal uniforme (varillas, tubos, etc.). El estampadoprofundo o embutido se usa para formar el cuerpo de latas. El estirado y el doblado seutilizan 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 dedeformación plástica que experimenta el metal, y se define como A0 − Ad %CW = ( ) × 100 A0 Donde A0 es el área original de la sección transversal que experimenta ladeformación 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 latensión (b) y la ductilidad (c) en función del porcentaje de trabajo en frío (%CW) para unacero 1040, cobre y latón. También los diagramas de esfuerzo-deformación se venafectados por el trabajo en frío. En la (Fig. 15) se observa como se requiere mayor esfuerzopara alcanzar el punto de cedencia conforme aumenta el %CW. 11
  12. 12. 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. 12
  13. 13. 4.- RECOCIDO, RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN YCRECIMIENTO GRANULAR. Como se mencionó antes, una fracción de la energía utilizada para deformar unmetal es almacenada en la estructura interna del mismo. Estos esfuerzos residualesasociados a la creación de nuevas dislocaciones pueden afectar la conductividad eléctrica yla resistencia a la corrosión, además de las propiedades mecánicas del material. 4.1 Recocido: Las propiedades y estructura del metal pueden regresar a como eranantes del trabajo en frío mediante un tratamiento térmico o recocido. El recocido es untratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío. Puede utilizarsepara eliminar totalmente el endurecimiento por deformación. El componente final seráblando y dúctil y después del recocido se podría seguir aplicando trabajo adicional en frío.Existen tres etapas dentro del proceso del recocido: recuperación, recristalización ycrecimiento 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 degranos deformados con un gran número de dislocaciones entrelazadas. Al calentarse elmaterial las dislocaciones son capaces de moverse y forman los bordes de una nuevaestructura. Gracias a esto algunos esfuerzos residuales se han eliminado. Además se hanrecuperado la conductividad eléctrica y térmica del metal. Sin embargo a pesar de sumovimiento, la densidad de dislocaciones se mantiene prácticamente igual. 4.3 Recristalización: Después de que la recuperación es completa, los granos aúnposeen una energía interna relativamente alta. La recristalización es la formación de un 13
  14. 14. nuevo conjunto de granos libres de esfuerzos que tienen aproximadamente dimensionesiguales en todas las direcciones con una baja densidad de dislocaciones. La recristalizaciónes un fenómeno que depende del tiempo y la temperatura. El grado de recristalizaciónincremento con el tiempo. En la (Fig. 17) se observa la variación de la resistencia a latensión y la ductilidad de una aleación de latón en función de la temperatura de recocido yse 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 escompleta en un lapso de 1 hora. Comúnmente se encuentra entre un tercio y la mitad de latemperatura fusión dependiendo de varios factores como el %CW al que fue sometido y la 14
  15. 15. cantidad de impurezas presentes. Típicamente la temperatura de recristalización disminuyeal aumentar el %CW, al aumentar el tiempo y al reducir el tamaño de grano y aumenta alaumentar la cantidad de impurezas presentas. Existe un punto crítico de %CW debajo delcual 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 atemperaturas mayores a la temperatura de recristalización. Durante la deformación portrabajo en caliente no hay endurecimiento ya que la recristalización está ocurriendocontinuamente, por esto la deformación plástica es prácticamente ilimitada. 4.4 Crecimiento granular: Una vez que la recristalización se ha completado, losgranos libres de esfuerzos residuales continuarán creciendo si el metal se mantiene a unatemperatura elevada. El crecimiento de granos no necesariamente es precedido por unarecuperación y una recristalización; puede ocurrir en materiales policristalinos, metálicos ycerámicos. La energía superficial de las fronteras de grano es la que impulsa el crecimiento delos granos. Al incrementar el tamaño de grano el área de las fronteras disminuye lograndoasí una reducción en la energía interna del material. 15
  16. 16. El crecimiento granular se lleva a cabo por la migración de fronteras de grano. Notodos los granos pueden crecer, y los que si lo hacen, crecen a expensas de granos de menortamaño que se encogen. El tamaño de grano promedio aumenta al aumentar el tiempo. Elmovimiento de las fronteras de grano es un fenómeno de difusión átomos a corto alcance deun lado a otro de la frontera. La dirección del movimiento de la frontera es en direcciónopuesta 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 varíacon el tiempo de acuerdo a la siguiente relación: d n − d 0n = Kt Donde d0 es el diámetro de grano inicial a t=0, y K y n son constantesindependientes 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 tiempopara una aleación de latón a diferentes temperaturas en una escala logarítmica. Elincremento en la temperatura acelera el crecimiento granular. 16
  17. 17. 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 MATERIALESCERÁMICOS. 5.1 Cerámicos cristalinos: Para este tipo de cerámicos, la deformación plásticaocurre de la misma manera que en los metales, por el deslizamiento de dislocaciones. Losmateriales cerámicos son duros y frágiles y no presentan deformaciones plásticas debido ala gran dificultad de movimiento de sus dislocaciones. En los cerámicos de naturalezaiónica existen muy pocos sistemas de deslizamientos, esto es resultado de la naturalezaeléctrica 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 mismoses que el deslizamiento se dificulta en gran manera. En los cerámicos de naturalezacovalente 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 lasdislocaciones. 5.2 Cerámicos no cristalinos: La deformación plástica en los materiales cerámicosno cristalinos se lleva a cabo a través de un flujo viscoso. El grado de deformación esproporcional al esfuerzo aplicado. En respuesta a un esfuerzo de corte aplicado, los átomoso iones se deslizan por el rompimiento y la creación de enlaces interatómicos, sin embargono está prescrito el modo ni la dirección en que ocurre este fenómeno. 17
  18. 18. Para un flujo viscoso en un líquido que se origina por el esfuerzo de corte generadopor dos placas paralelas (Fig. 21), la viscosidad η es la relación entre el esfuerzo aplicadoτ y el cambio en la velocidad dv con distancia dy en dirección perpendicular a las placas: τ F/A η= = dv / dy dv / dy 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 sefavorece el deslizamiento o flujo de los átomos o iones disminuyendo así la viscosidad dematerial.6.- MECANISMOS DE DEFORMACIÓN YENDURECIMIENTO EN POLÍMEROS. 6.1 Deformación de polímeros semicristalinos: Muchos polímeros semicristalinosposeen una estructura de esferulitas, la cual consiste en lamelas que van del centro hacia elexterior de la estructura. Entre dichas lamelas se encuentran áreas de material amorfo. Laslamelas adyacentes se conectan por medio de una cadena que pasa a través de las regionesamorfas. (Fig. 22) 18
  19. 19. Fig. 22 Representación de la estructura de una esferulita. Mecanismo de deformación elástica: Se produce una elongación de las cadenas delpolímero como consecuencia de la aplicación de un esfuerzo de tensión. Puede presentarseel desacomodo de algunas moléculas, el cual se ve relativamente restringido por fuerzas devan der Waals y otras interacciones secundarias. Mecanismo de deformación plástica: Se puede describir de mejor manera por lasinteracciones entre las lamelas y las regiones amorfas involucradas en respuesta a unesfuerzo tensil aplicado. En la (Fig. 23) se muestra como ocurre la deformación plástica enpolímeros. Primero se muestran dos lamelas adyacentes (a) estables sin que se les aplicaningún esfuerzo aun. En la primera etapa (b) las cadenas en la región amorfa se deslizanentre si y se alinean en dirección del esfuerzo. En la segunda parte (c) la deformacióncontinúa con la inclinación de las lamelas para que los pliegues de las cadenas se alineen endirección 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 seorientan en dirección del eje sobre el que se aplica la tensión. El resultado de ladeformación es una estructura altamente orientada. Durante deformaciones, las esferulitasexperimentan un cambio de forma; sin embargo, durante deformaciones mayores lasestructuras de las esferulitas son prácticamente destruidas. 19
  20. 20. Fig. 23 Representación de la deformación plástica en un polímero semicristalino. 6.2 Factores que influyen en las propiedades mecánicas de los polímerossemicristalinos: Al igual que en los metales, si se incrementa la temperatura de lospolímeros o si se disminuye el grado de deformación; resulta en el decremento de laresistencia a la tensión y un aumento de la ductilidad. Se puede incrementar la fuerza delmaterial si se restringe o dificulta el movimiento de las cadenas, por ejemplo cuando unpolímero esta entrecruzado, los enlaces del entrecruzamiento funcionan como ancla paraevitar el movimiento de cadenas. Un alto grado de enlaces intermoleculares o el hecho deque cadenas largas se enreden entre si pueden inhibir el movimiento de cadenas. A pesar deser fuerzas débiles, la formación de un gran número de interacciones van der Waals entrelas cadenas del polímero representa una fuerza intermolecular significativa. El peso molecular, el grado de cristalinidad y el preformado son factores quetambién influyen en las propiedades mecánicas del material. En muchos polímeros a mayorpeso molecular, mayor resistencia a la tensión. Para polímeros semicristalinos, el módulode tensión crece significativamente con el grado de cristalinidad, también el material se 20
  21. 21. vuelve más frágil. El efecto del grado de cristalinidad y el peso molecular en el estadofísico 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 deformaciónpermanente del mismo por tensión, en inglés el proceso se conoce como drawing. Al finalse obtiene un polímero altamente orientado. 6.3 Deformación de elastómeros: Los elastómeros poseen la habilidad deexperimentar grandes deformaciones y elásticamente regresar a su forma original. Sumódulo 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 porla entropía. Al momento en que se aplica un esfuerzo sobre la estructura del polímero lascadenas comienzan a desdoblarse, desenroscarse y desplegarse tendiendo a ordenarse, peroregresan a su estado original de mayor entropía. Cuando un elastómero es estiradoexperimenta dos fenómenos: primero se eleva su temperatura y segundo el módulo deelasticidad aumenta conforme aumenta la temperatura, caso contrario al observado en otrosmateriales. Para que un polímero se considere elastómero no debe cristalizar y sus cadenasdeben ser capaces de rotar libremente sobre su eje. Un elastómero también debe encontrarsepor encima de su temperatura de transición vítrea, debajo de ella el elastómero se vuelvefrágil. 21
  22. 22. 6.4 Vulcanización: Es el proceso de entrecruzamiento que se lleva a cabo con unareacción química a alta temperatura. En la mayoría de las reacciones de vulcanización seañaden compuestos de azufre al elastómero caliente. Las cadenas de átomos de azufre unencadenas 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 poroxidación se incrementan con la vulcanización (Fig. 26). Luego del vulcanizado el módulode 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 porpartes de caucho. Si se incrementa el contenido de azufre el material se endurece y reducesu extensibilidad. Fig. 26 Diagrama de esfuerzo-deformación de hule vulcanizado y sin vulcanizar. 22
  23. 23. ÍNDICE DE FIGURASFig. 1 Dislocación de Borde........................................................................................................... 1Fig. 2 Dislocación de tornillo......................................................................................................... 2Fig. 3 Dislocación mixta. ............................................................................................................... 2Fig. 4 Deslizamiento de una dislocación de borde. ......................................................................... 3Fig. 5 Movimiento de una dislocación de tornillo. .......................................................................... 3Fig. 6 Campos de esfuerzos alrededor de una dislocación. ............................................................. 4Fig. 7 Interacciones entre dislocaciones......................................................................................... 5Fig. 8 Granos adyacentes con diferentes orientaciones cristalográficas. ........................................ 7Fig. 9 Variación del valor del punto de cedencia con respecto al diámetro promedio de grano. ..... 8Fig. 10 Variación de (a) la resistencia a la tensión, (b) el punto de cedencia y (c) la ductilidad deuna aleación de Cu-Ni al variar el contenido de Ni. ....................................................................... 9Fig. 11 Representación de los esfuerzos de tensión generados por una impureza sustitucional demenor tamaño. ............................................................................................................................. 10Fig. 12 Representación de los esfuerzos de compresión generados por una impureza sustitucionalde mayor tamaño. ........................................................................................................................ 10Fig. 13 Técnicas de procesamiento por deformación (a) rolado o laminado, (b) forjado, (c)trefilado, (d) extrusión, (e) embutido, (f)estirado, (g) doblado. ..................................................... 11Fig. 14 Variación de las propiedades mecánicas en función del %CW para acero 1040, cobre ylatón. ........................................................................................................................................... 12Fig. 15 Influencia del %CW en el diagrama esfuerzo-deformación de un acero con bajo contenidode carbono. .................................................................................................................................. 12Fig. 16 Efecto del recocido sobre la microestructura de metales trabajados en frío (a) trabajo enfrío, (b) después de la recuperación, (c) después de la recristalización) y (d) después delcrecimiento de grano. .................................................................................................................. 13Fig. 17 Influencia de la temperatura de recocido en las propiedades mecánicas y lamicroestructura de una aleación de latón. .................................................................................... 14Fig. 18 Variación de la temperatura de recristalización en función del %CW para hierro. ........... 15Fig. 19 Representación del crecimiento granular producto de la difusión..................................... 16Fig. 20 Variación del diámetro de grano con respecto al tiempo en una aleación de latón adiferentes temperaturas en escala logarítmica.............................................................................. 17Fig. 21 Representación de un flujo viscoso de un fluido en respuesta a un esfuerzo de corteaplicado....................................................................................................................................... 18Fig. 22 Representación de la estructura de una esferulita............................................................. 19Fig. 23 Representación de la deformación plástica en un polímero semicristalino. ....................... 20Fig. 24 Influencia del grado de cristalinidad y el peso molecular en el estado físico del polietileno..................................................................................................................................................... 21Fig. 25 Reacción de vulcanización. .............................................................................................. 22Fig. 26 Diagrama de esfuerzo-deformación de hule vulcanizado y sin vulcanizar. ........................ 22 23
  24. 24. REFERENCIASCIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES – 6TA EDICIONDONAL R. ASKELAND / PRADEEP P. FULAY / WENDELIN J. WRIGHTCENGAGE LERNING – 2011 thMATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING AN INTRODUCTION – 8 EDITIONWILLIAM D. CALLISTER, JR. / DAVID G. RETHWISCHWILEY – 2009FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES – 4TAEDICIONWILLIAM F. SMITH / JAVAD HASHEMIMC GRAW HILL – 2004ENGINEERING MATERIALS SCIENCEMILTON OHRINGACADEMIC PRESS – 1995 24

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