Materiales

1. MIN 205 MATERIALES PARA
LA INDUSTRIA MINERA
FUNDAMENTOS DEL COMPORTAMIENTO
MECÁNICO DE MATERIALES METÁLICOS
• ESTRUCTURA INTERNA
• MECANISMOS DE REFORZADO

2. ESTRUCTURA
INTERNA
(Cómo se ordena la Materia al interior
del material de una pieza)
PROPIEDADES Y
COMPORTAMIENTO
(Rigidez, Resistencia, Dureza
Tenacidad, Ductilidad, etc.)
ORIGEN
• Composición Química
• Historia Térmica y Mecánica
• Proceso de Fabricación

3. ESTRUCTURA INTERNA
(Materiales Metálicos)
ESTRUCTURA INTERNA
(Materiales Metálicos)
Pieza
Macro
Defectos “visibles”
[mm]
Micro
Microestructura
[µm]
Ordenamiento
Atómico
[nm]
Características Rechupe
Poros
Grietas
Segregación
Granos
Fases:
Masivas
Precipitados
Inclusiones
Enlaces
Celda Unitaria
Defectos:
Dislocaciones
Solutos

4. Microestructura: Granos (visión 2d)
Microestructura: Granos (visión 2d)
Bordes de grano = superficie de contacto entre 2 cristales
= zona de altos defectos y alta energía
Material
monofásico
(una fase)
Metal puro o
aleación de
tipo solución
sólida
Cada grano es
un cristal
c/orientación
aleatoria

5. Microestructura: Material monofásico
Microestructura: Material monofásico
Relación de Hall y Petch: σf = σo + k * d -1/2
Propiedades
dependen del
tamaño de los
granos
n = n° ASTM de
tamaño de
grano (norma)
N= n° de granos
por pulg2 a 100
aumentos

6. Tamaño de grano ASTM
El tamaño de los granos depende
del historial termomec. del material

7. Microestructura: 2ª fase particulada
Microestructura: 2ª fase particulada
Resistencia = Resistencia de la matriz + factor que depende
inversamente de la distancia entre partículas duras
Fase matriz
continua (fondo)
Precipitados:
partículas duras
dispersas en forma
homogénea
Ej. Precipitados en
aleación de
Cobre-Berilio

8. Microestructura: 2ª fase particulada
Microestructura: 2ª fase particulada
Efectos = Reducen la ductilidad y tenacidad. Generan
propiedades anisotrópicas. Mejoran la maquinabilidad
Fase matriz continua
(fondo)
Inclusiones: partículas
grandes distribuidas
en forma
inhomogénea
Ej. Inclusiones de
súlfuro de Manganeso
en acero

9. Microestructura:
Aleación bifásica
2ª fase masiva
Ej. inoxidable dúplex
agregado laminar
Ej. Acero al carbono
Resistencia
responde a
regla de mezclas:
σf=σfαfα+σfβfβ

10. ORDENAMIENTO ATOMICO
(nanoestructura)
ORDENAMIENTO ATOMICO
(nanoestructura)
Red cristalina
Celda
Unitaria

11. Tipos comunes de celda unitaria
Tipos comunes de celda unitaria
EJEMPLOS
Fe a T < 910 ºC,
Cr, W, Mo
BCC:
Body
Centered
Cubic
(cúbica
centrada
en el
cuerpo)

12. Celda unitaria BCC (body-centered cubic)
1 + 8/8 = 2 átomos por celda
Direcciones
compactas
Plano compacto tipo (110)
(de densidad baja ya que
posee 2 dir. Compactas)
Densidad de Apilamiento = 0,68
Ductilidad media; Baja tenacidad a bajas temperaturas

13. Tipos comunes de celda unitaria
Tipos comunes de celda unitaria
EJEMPLOS
Fe (910 - ~1400ºC)
Cu, Ag, Ni, Al, Pb
FCC:
Face
Centered
Cubic
(cúbica
centrada
en las
caras)

14. Celda unitaria FCC (face centered cubic)
Plano compacto tipo (111)
(de alta densidad ya que
posee 3 dir. compactas)
Direcciones compactas
6/2 + 8/8 = 4 átomos por celda
Densidad de Apilamiento = 0,74
Alta ductilidad y tenacidad a todas las temperaturas

15. Celda Unitaria HCP
Celda Unitaria HCP
EJEMPLOS
Ti, Zr, Co, Cd, Zn, Mg, Ti
Baja ductilidad; deformable a temperaturas altas

16. Defectos cristalinos
Vacancia
(lugar vacante)
soluto
intersticial
soluto
sustitucional
Atomos del
metal base

17. Microestructura : Fases
Concepto de Fase
• Es una porción de materia homogénea,
• con propiedades continuas,
• con fronteras perfectamente delimitadas,
• es separable de otra por medios mecánicos
aceite
agua
Ej. 2 componentes; 2 fases
hielo
agua
1 componente; 3 fases
vapor

18. Diagramas de Fases (mapa de las fases)
Diagramas de Fases (mapa de las fases)
a) de solubilidad completa: binario isomorfo
a) de solubilidad completa: binario isomorfo
Átomos de Ni
Átomos de Cu

19. Propiedades del campo bifásico
• Leer composiciones de fases: Ej. la aleación C1 a T=T1
contiene 2 fases, cuyas composiciones son CB
α y CB
L.
• Calcular la cantidad relativa de las fases: a través de la
“regla de la palanca”

20. Regla de la palanca: a la temperatura T1
%
100
(%) 1
⋅
−
−
=
c
c
c
c
fase
B
L
B
L
B
α
α
(%)
100
(%) α
fase
faseL −
=
La cantidad de fase α (cuya composición es cB
α), es:
La cantidad de fase L (de composición cB
L), en %, es:
Regla nemotécnica: la cantidad de una fase se obtiene dividiendo
el segmento opuesto a ella por el segmento completo.

21. b) de solubilidad parcial: diagrama binario eutéctico
Fase α
Solución
sólida de
B en A
Fase β
Solución
Sólida de
A en B
Mezcla de 2 fases sólidas
Diagramas de Fases
Diagramas de Fases

22. Solidificación de eutéctico

23. Detalle de constituyente eutéctico

24. Solidificacion de aleación hipoeutéctica

25. Precipitación en estado sólido

26. “Deslizamiento de planos cristalinos”
Ocurre bajo
componentes de
esfuerzos de corte.
Los planos que
deslizan son los más
compactos de la
estructura
¿cómo ocurre el deslizamiento?
τ
τ
MECANISMO DE DEFORMACION PLASTICA:

27. DESLIZAMIENTO DE PLANOS
DESLIZAMIENTO DE PLANOS
Si la Red fuese “perfecta” (ideal):
τ
τ
Deslizamiento implica
ruptura simultánea de
grupos de enlaces ( )
Esto requiere esfuerzos
muy altos
τ teo = G / 2π
σ teo = E / 8
σ teo >> σf real
(σf real ≈ E/1000)
“whiskers”

28. DESLIZAMIENTO DE PLANOS
Si la red contiene defectos : DISLOCACIONES (real)
En este caso, el deslizamiento ocurre mediante la ruptura (y
reformación) secuencial de enlaces. Así se explica la deformación
con esfuerzos del orden del esfuerzo de fluencia.

29. La dislocación
• Defecto lineal que separa una porción “sana” del cristal, de
otra en la que ha habido deslizamiento.
• La dislocación es el defecto que permite explicar la
deformación plástica y los fenómenos relacionados.
• En este contexto, deformación plástica implica movimiento y
multiplicación de dislocaciones.
• Las Dislocaciones se mueven activadas por esfuerzos de
corte, resueltos sobre su plano y dirección de deslizamiento.
• Cada dislocación al moverse, produce el traslado en una
pequeña magnitud “b”, de una porción de cristal (grano)
respecto de otra, separadas por el plano de deslizamiento.

30. MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES
“de borde”
“de tornillo”
Plano de
deslizamiento
Magnitud del deslizamiento unitario “b”

31. DISLOCACION DE BORDE
semi-plano extra
Red distorsionada
Línea de dislocación

32. DENSIDAD de DISLOCACIONES
• Las dislocaciones están presentes –en gran cantidad- ya en
los estados más básicos, de solidificación y de recocido.
• Densidad de dislocaciones = Longitud de dislocaciones por
unidad de volumen del material :
ρ [mm/mm3] o [1/mm2]
• Estado recocido o de solidificación ρ = 10(5-6)
• Las dislocaciones se multiplican por interacciones
ocurridas durante la deformación en frío, con una eficacia
que depende de la Temperatura.
• Metal fuertemente deformado en frío ρ = 10(9-10)
• Metal deformado suavemente o a T>Tamb ρ = 10(7-8)

33. Energía almacenada en DISLOCACIONES
• Su presencia provoca una distorsión de la red cristalina,
muy intensa cerca de ella y que se atenúa con la distancia.
• Como toda distorsión elástica, ella está asociada a un
campo de tensiones elásticas y a una cantidad de energía
almacenada en la red.
• Representación del
Campo elástico
alrededor de una
dislocación de borde
• La Energía almacenada
en dislocaciones es
proporcional a la
cantidad de éstas.

34. Interacciones de DISLOCACIONES
• Producto de su campo elástico, las dislocaciones
interactúan (se atraen o repelen) con otras fuentes de
campos elásticos presentes en el material.
• Interactúan con otras dislocaciones, pudiendo generar
anclajes, atracción, repulsión y aniquilación.
• Interactúan con átomos
de soluto disuelto los
cuales poseen su
propio campo elástico.
• También interactúan
físicamente con otros
entes de la estructura,
como bordes de grano
y partículas de 2ª fase.

35. Mecanismos de Reforzado
Mecanismos de Reforzado
Cualquier obstrucción al movimiento de las dislocaciones significará
elevar el nivel de esfuerzo requerido para producir deformación. Esto se
traduce en un aumento del esfuerzo de fluencia del material.
Los mecanismos de reforzado más básicos son:
a) Endurecimiento por Deformación
b) Endurecimiento por Solución sólida
c) Afinamiento del tamaño de grano
d) Endurecimiento por precipitación
e) Endurecimiento por Transformación de fase.

36. a) Endurecimiento por Deformación en frío
a) Endurecimiento por Deformación en frío
Restricción al movimiento de Dislocaciones debido a su
interacción con otras Dislocaciones.
A mayor cantidad de dislocaciones, mayor es la cantidad de
interacciones y mayor el esfuerzo de fluencia.
La deformación plástica en frío produce aumento de la densidad
de dislocaciones y por tanto aumento del esfuerzo de fluencia
La Temperatura afecta la eficiencia de este proceso llegando a
anularlo por completo a T ≈ 0.5Tf (trabajo en caliente)

37. Variación de propiedades por deformación en frío (Cobre)

38. RECRISTALIZACIÓN re-generación de granos, inducida por
la energía acumulada en la deformación plástica en frío y
activada por temperatura.

39. TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIÓN
Metal Tf, ºC Tr, ºC
Pb 327 -4
Sn 232 -4
Zn 420 10
Al 660 80
Cu 1083 120
Cu-40Zn 900 475
Ni 1455 370
Fe 1538 450
W 3410 1200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 1000 2000 3000 4000
Tf, K
Tr,
K Experimental
Línea teórica Tr = 0,5 Tf

40. TAMAÑO DE GRANO RECRISTALIZADO
TAMAÑO DE GRANO RECRISTALIZADO

41. b) Endurecimiento por solución sólida
Interacción de campos
elásticos generados
alrededor de los átomos
disueltos, con los
campos elásticos
propios de las
dislocaciones
Variables:
Cantidad de soluto
disuelto y diferencias
de radio atómico
Ej. Solutos en Cobre

42. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
Ej. Aleaciones Cu-Ni
Endurecimiento “mutuo”
Efecto de la Temperatura
Efectos colaterales

43. c) Efacto del tamaño de grano
λ1
λ2
Grano grande
Grano pequeño
2
1
o
f
d
k −
⋅
+
σ
=
σ
El recorrido natural de una Dislocación — su camino libre medio λ —
es la mitad del grano que la contiene. El borde de grano es un
obstáculo natural e insalvable.
Ecuación (empírica)
De Hall y Petch

44. REFORZADO POR AFINAMIENTO DE GRANO
REFORZADO POR AFINAMIENTO DE GRANO
Efectos colaterales positivos en ductilidad y tenacidad

45. CRECIMIENTO DE GRANO
Aumento espontáneo e irreversible del diámetro
promedio de grano, con reducción del número de
granos por unidad de área o volumen, inducido por
la energía de superficie almacenada en bordes de
grano y activada por alta Temperatura (0,7Tf)
Ocurre en función del tiempo de exposición a la
alta temperatura y produce deterioro de
propiedades de resistencia, ductilidad y tenacidad
Afecta principalmente a aleaciones monofásicas y
puede ser evitado parcialmente por presencia de
segundas fases dispersas, estables a alta T

46. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACION Ej AL-CU
Enfriamiento lento
Temple y envejecido

47. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACION AL-CU
Resistencia desarrollada en función de T y t de envejecimiento

48. Ejercicio : Soldadura de un metal deformado en frío

49. Ejercicio : Soldadura de una aleación endurecida por ppt