UNIVERSIDAD FERMÍN TORO. VICERRECTORADO ACADÉMICO. FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE MANTENIMIENTO MECÁNICO.
ME M E CA NI SM SMOS OS DE D E F ORM OR M A CI ÓN
Autor: Alejandro Aranguren C.I: 27.085.627. Profesor: Ing. Carmen Partidas. Asignatura: Ciencias de los Materiales. Sección: N-515.
CABUDARE, JUNIO DEL 2017.
MECANISMOS DE DEFORMACIÓN.
Concepto de mecanismo de deformación. Estudios e investigaciones acerca de los materiales han llevado al cálculo la resistencia mecánica teórica de cristales perfectos. Estas resistencias mecánicas teóricas resultan ser mucho mayores que aquellas medidas experimentalmente. En 1930 se explicó que esta discrepancia se debe a la presencia de dislocaciones o deformaciones. Sin embargo fue hasta 1950 que se observó la existencia de dichas dislocaciones con la ayuda de un microscopio electrónico. En base a esto se propuso que los materiales sufren alteraciones a nivel estructural, y se llegaría a la conclusión de dichas alteraciones son producto de esfuerzos excesivos en los que se ve comprometido el material. . Cuando los sólidos se someten a esfuerzos excesivos, estos tienden a deformarse, pero dichas deformaciones, las cuales comprometen la estructura del material, pueden llegar a ser permanentes o en algunos casos temporales dependiendo del material y el esfuerzo al que esta sea sometida. La mayoría de los materiales sólidos se deforman al someterse a una carga externa. Hasta cierta carga límite, el sólido recobra sus dimensiones originales cuando se le descarga, esta carga se conoce como límite elástico. La recuperación de las dimensiones originales al eliminar la carga es lo que caracteriza al comportamiento elástico. Si se sobrepasa el límite elástico, el cuerpo retiene cierta deformación permanente cuando deja de actuar la carga, entonces se dice que el material tuvo un comportamiento plástico. El mecanismo por el cual se puede cambiar permanentemente la forma de un metal por medio del trabajo se denomina deformación plástica, y se consigue por acción de fuerzas exteriores que determinan las condiciones en las cuales se produce la deformación Dicho esto, podemos decir que en los mecanismos de deformación existen dos comportamientos cuando los materiales solidos son sometidos a esfuerzos, estos comportamientos se suelen llamar deformación elástica o plástica. La posibilidad de que un material sufra deformación plástica, es probablemente su característica más relevante en comparación con otros materiales. Todas las operaciones de conformado como son
troquelado, prensado, laminado, forjado, etc., se relacionan con la deformación plástica de los metales.
¿Cómo se producen? Estos se producen cuando a un material se le somete a una carga que deforma al material, si la carga sobrepasa la resistencia a la cesión de este, el material adquiere deformaciones permanentes. Si se somete a un cristal a unos esfuerzos que aumentan progresivamente, al principio se obtiene una pequeña deformación de tipo elástico, debido a que los enlaces entre átomos admiten una cierta distorsión. Los ángulos de la red cristalina se modifican ligeramente mientras se mantenga el esfuerzo, pero cada átomo sigue unido a los mismos átomos que lo rodeaban inicialmente. La deformación suele ser aproximadamente proporcional al esfuerzo aplicado y su máximo valor es siempre muy pequeño. Además, los distintos enlaces recuperan su geometría inicial si el esfuerzo se suprime. Si el esfuerzo supera la resistencia a la cesión, el cristal adquiere una deformación permanente pero, para que esto suceda, las posiciones relativas de algunos o de todos sus átomos deben ser modificadas, esa resistencia a la cesión es conocida como el límite elástico.
El comportamiento general de los materiales bajo carga se puede calificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. Un material completamente frágil romperá casi en el límite elástico, mientras que un material medianamente dúctil, mostrará cierta plasticidad antes de la fractura.
Clasificación de los mecanismos de deformación. Existen varios mecanismos de deformación posibles, que pueden ser clasificados en dos grandes grupos: primarios y secundarios
Mecanismos o modos primarios de deformación Son aquellos en los que se preserva la continuidad de la red cristalina. Eso no quiere decir que todos los enlaces se mantengan sin cambios, pues eso es imposible cuando existe
deformación permanente. Por el contrario, algunos enlaces resultan modificados. Los modos primarios de deformación se subdividen en do s tipos: translación y difusión
Traslación en esta encontramos dos tipos
I.
El
maclado es el mecanismo de deformación dúctil que opera cambiando la
orientación de partes enteras de un cristal, formando maclas. Un cristal maclado se considera un sólo elemento cristalino con varios elementos. Las maclas se pueden crear durante la formación del cristal, sin ninguna relación con esfuerzos ni procesos deformativos, pero a menudo se forman durante la deformación. La creación de un elemento de macla en un cristal equivale a un mecanismo de cizallamiento simple, con translación de los átomos que lo constituyen en una misma dirección. El valor de la cizalla correspondiente no es cualesquiera, sino que está condicionado por la estructura de la red. Las superficies de límite de la macla son planos principales de la red cristalina, es decir, planos densamente poblados, y los átomos en ellos son comunes a la macla y a la parte no maclada. No todos los minerales tienen facilidad para deformarse por maclado, pero en algunos, como la calcita y los feldespatos, las maclas de deformación son muy comunes. En general, cuando se generan maclas por deformación, se producen muchas y regularmente espaciadas. Se llaman en este caso maclas polisintéticas y su existencia permite sospechar que su origen es deformativo. Algunos minerales pueden desarrollar maclas de deformación en varias direcciones, aunque siempre los planos de macla son planos principales de la red cristalina II.
El
deslizamiento intracristalino consiste en que una parte del cristal desliza
sobre otra parte del mismo a lo largo de una superficie densamente poblada de la red y en una dirección que es también una línea principal del cristal. Esto se debe a que, para deslizar, los enlaces entre los átomos a un lado y otro de la superficie de deslizamiento, deben romperse y volver a reconstruirse de nuevo con otro átomo, este proceso es más fácil cuando los átomos entre los cuales se producen los nuevos enlaces están próximos. Un plano de un cristal en el cual el
deslizamiento puede producirse con relativa facilidad se llama un plano de deslizamiento. Dentro de él puede definirse de forma similar una dirección de deslizamiento. El conjunto de un plano y una dirección de deslizamiento se denomina un sistema de deslizamiento (“slip system”). Incluso en planos densamente poblados, el deslizamiento no se produce instantáneamente por rotura de todos los enlaces y reconstrucción de los mismos. El esfuerzo necesario para lograr romper todos los enlaces a lo largo de un plano de deslizamiento es similar al necesario para romper el cristal por cualquier otra superficie y, por tanto, un esfuerzo similar induciría la aparición de discontinuidades, es decir, provocaría un proceso cataclástico. En realidad, el deslizamiento intracristalino se efectúa con esfuerzos menores, debido a que los cristales no son perfectos, sino que tienen defectos que ayudan a la deformación.
Difusión es un mecanismo de deformación consistente en que numerosos átomos o iones de los cristales cambian de posición moviéndose, bien por el interior del cristal, bien por los límites de grano. Esta migración de iones permite a los granos deformarse y al agregado fluir lentamente (creep) en respuesta a los esfuerzos. Cuando la difusión se realiza por el interior de los granos se denomina creep de Nabarro-Herring y cuando lo hace por los límites de grano, creep de Coble.
I.
El
creep de Nabarro-Herring. Los átomos emigran desde las zonas sometidas a
los esfuerzos mayores, hacia las caras sometidas a los esfuerzos menores. Esa migración, causada por la actuación de un esfuerzo diferencial (de un estado de esfuerzo no hidrostático) va acompañada deformación de un agregado de granos con un sistema de deslizamiento. De un lado por cizallamiento puro y al lado contrario a este por cizallamiento simple. Esto debido a la migración de huecos o vacantes en sentido contrario y, juntas, pueden provocar un cambio de forma importante. Los mecanismos de la difusión por el interior del cristal son
complejos e incluyen movimiento de vacantes y saltos de dislocaciones de unos planos a otros. II.
El
creep de Coble es en general mucho más lento y, por tanto, no suele llegar a
producir cambios notables en la forma de los granos. Sin embargo es muy importante en un proceso denominado deslizamiento intercristalino, es decir, entre unos cristales y otros (a diferencia del intracristalino, descrito anteriormente, en el cual el deslizamiento se produce en el interior de cada cristal).
Mecanismos o modos secundarios de deformación Estos son los que introducen discontinuidades en la red cristalina, es decir, que ésta resulta parcialmente destruida. Si las discontinuidades son irregulares y separan el p rimitivo cristal en dos o más fragmentos que no comparten ningún átomo, se denominan microfracturas y suelen ser irregulares. Se producen cuando se alcanza el esfuerzo límite de rotura o al final de un proceso de creep acelerado. El mecanismo de fracturación natural de los granos y rocas se denomina
cataclasis, término derivado del griego que significa rotura
producida a cierta profundidad, es decir, en el interior de la Tierra. Otro modo secundario es el mecanismo denominado “kinking”, que consiste en la formación de kink -bands en los granos. La superficie axial de cada kink, llamada límite de kink (“kink band boundary”) es un plano de discontinuidad que separa dos fragmentos del grano primitivo con su estructura cristalina continua. La discontinuidad suele ser plana, o casi, y pueden existir algunos átomos comunes a la red de los dos flancos del kink. Además de los modos de deformación mencionados, existen mecanismos que no son propiamente de deformación, pero que contribuyen a que ésta se lleve a cabo. Estos mecanismos son la recuperación y la recristalización. El primero de ellos está muy relacionado con la formación de kink-bands y el segundo induce la formación de nuevos granos en la roca, a partir de los existentes.
E jemplos explicativos de los diferentes mecanismos de deformación. Uno de los mecanismos de deformación permanente más sencillos es el
Deslizamiento
Intercristalino este consiste en el deslizamiento de una capa de átomos sobre otra adyacente, si a una probeta se le hiciera una prueba de tracción lo suficientemente fuerte
como para deformarla,
esta sufriría un deslizamiento intercristalino, como se puede
observar en la siguiente imagen, en esta se puede observar dos estados de un mismo material, el primero ,en el material se puede observar los planos de deslizamientos que atraviesan de lado a lado el material, en ellos el deslizamiento se produce con relativa facilidad, una vez aplicado el ensayo de tracción las capas de atomos se deslizaran unas sobre otras sobre los planos de deslizamiento, rompiendo sus enlaces y formado otros nuevos en nuevas posiciones, el material quedaría de la siguiente manera.
Otro de los mecanismo de deformación por traslación es el
Maclaje, y este produce
maclas en el plano cristalino, las cuales son un cambio de orientación partes enteras de un cristal, en general, cuando se generan maclas por deformación, se producen muchas y regularmente espaciadas. Se llaman en este caso maclas polisintéticas y su existencia permite sospechar que su origen es deformativo. En la vida real encontramos que las maclas son el producto de esfuerzos de cizallamiento sobre ciertos materiales. Si a una pieza de Zinc puro se le cortara en su área de sección transversal con un esmeril, el cual le ejercería un esfuerzo de cizallamiento al material, este le produciría múltiples maclas al área cortada, si con un microscopio se analizara la estructura del zinc cizallada con el esmeril se podrían observar unas maclas polisintéticas, esto se debe a que la acción del esmeril sobre el material va deformándolo mientras lo corta, en pocas palabras le produce maclas.
Maclas de deformación en un cristal de Zinc puro
El
creep de Nabarro-Herring.
Los átomos emigran desde las zonas sometidas a los
esfuerzos mayores (caras superior e inferior del cristal en este caso) hacia las caras sometidas a los esfuerzos menores (caras derecha e izquierda).
En algunas rocas de grano muy fino con granos equidimensionales se da a veces un fenómeno, conocido también en algunas aleaciones metálicas, que se denomina superplasticidad o flujo superplástico. Consiste en que los granos deslizan unos sobre otros como lo haría la arena suelta en un saco, con lo cual, aunque cada grano no se deforma, el
agregado puede deformarse mucho. Debido a la presión confinante, los granos no están sueltos, como en un saco de arena, sino comprimidos unos contra otros, y las pequeñas irregularidades que pueda haber en sus bordes son un obstáculo para el deslizamiento por límites de grano. El
creep de Coble
actúa borrando esos pequeños obstáculos al
deslizamiento y permitiendo la deformación del agregado como se muestra en la siguiente imagen
La
cataclasis término derivado del griego que significa rotura producida a cierta
profundidad, Se producen cuando se alcanza el esfuerzo límite de rotura o al final de un proceso de creep acelerado, el material no puedo soportar la carga a la que está sometido y termina cediendo, se produce una fractura en la red cristalina como se puede observar en la siguiente imagen.
Mecanismo de F rank-Read source. Un mecanismo muy común de generación continua de anillos de dislocación es el denominado “Frank -Read source” o fuente de Frank -Read. Se crea primero una dislocación recta entre dos puntos, la cual avanza en forma radial dando un lazo que acaba cerrándose sobre sí mismo y transformándose en un anillo que emigra hacia el exterior del cristal. Parte del lazo queda en el interior del anillo y su avance acaba dando una nueva dislocación recta entre los mismos dos extremos del principio. Entonces, el proceso se repite, de forma que a partir de una dislocación original se generan continuamente anillos de dislocación. En un cristal no deformado hay ya muchas dislocaciones, del orden de 10 por metro cuadrado, causadas por errores de crecimiento y concentraciones de esfuerzos en límites de grano, grietas, etc. En un cristal muy deformado, la cantidad de dislocaciones es del orden de
5
10
por metro cuadrado, es decir, unas cien mil veces mayor. La fuente de Frank-Read es el mecanismo causante de la inmensa mayoría de esas dislocaciones asociadas a la deformación.