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Tema 14 Deformación plástica en materiales metálicos 14.1. Dislocaciones. Definición y propiedades. Introducción a la teoría de dislocaciones. Investigadores a finales del del siglo XIX y principios del siglo XX observaron al microscopio líneas de deslizamiento en los procesos de deformación. El...

Tema 14 Deformación plástica en materiales metálicos 14.1. Dislocaciones. Definición y propiedades. Introducción a la teoría de dislocaciones. Investigadores a finales del del siglo XIX y principios del siglo XX observaron al microscopio líneas de deslizamiento en los procesos de deformación. El lago enigmático de estas observaciones era que EL CRISTAL HABÍA SUFRIDO UNA DEFORMACION PERMANENTE, PERO SU RED CRISTALINA ESTABA INTACTA, NO SE HABÍA INCLINADO O ESTIRADO Ewing y Rosenhain descubrieron que los escalones de deslizamiento tenían un cierto espaciado, por ello el cristal no se deformaba de forma continua sino por capas. De esta manera al final la red queda sin deformar. Resistencia teórica a cizalladura de un cristal Hipótesis: la deformación plástica se produce porque todo un plano cristalográfico desliza sobre otro. En la posición inicial y final los átomos se encuentran en equilibrio estable. En la posición intermedia, los átomos se encuentran exactamente unos sobre otros por ello hay equilibrio inestable. La tensión que aplicar es en nula en ambas posiciones. Tensión de cizalladura periódica para mover un plano de átomos: Si se consideran desplazamientos pequeños respecto del equilibrio: τmáx: Tensión teórica necesaria para deformar un cristal haciendo deslizar un plano atómico sobre otro. τmáx es muy superior al valor real medido experimentalmente por lo que debe haber un mecanismo de deformación que implica una menor tensión necesaria, es decir, las dislocaciones. Dislocaciones: analogías de la alfombra y el gusano. Dislocaciones: definición y características: Dislocación: defecto lineal, alrededor del cual el cristal se halla distorsionado. Al avanzar, hace saltar los átomos a su alrededor siempre en el mismo sentido y la misma cantidad. Es la región desordenada de la estructura que separa la zona que ha deslizado de la que no lo ha hecho aún. El empaquetamiento atómico en torno a la dislocación está distorsionado en un volumen aproximadamente cilíndrico (núcleo de la dislocación), de eje la línea (o frente) de dislocación, y de diámetro el ancho de la dislocación. Cada dislocación se caracteriza por su vector de Burgers,b: indica cuál es el salto que da cada átomo del plano cuando es alcanzado por la línea de dislocación. El vector de Burgers es CONSTANTE para toda la dislocación. El vector de Burgers es distinto en las diferentes redes, y también depende de la dislocación. Para definir el vector de Burgers hay que dar el módulo y la dirección a través de los índices de Miller. Tipos de dislocaciones. Dislocación en arista, o dislocación de borde o de Taylor: Se da cuando b es perpendicular a la línea de dislocación. Pueden ser positivas o negativas. Dislocación helicoidal: Se da cuando b es paralelo a la línea de dislocación. La red sufre una distorsión en forma de hélice alrededor de la línea. Pueden ser a derechas o izquierdas. Dislocación mixta: Se da cuando b forma un ángulo cualquiera con la línea de dislocación. Tendrá una componente de arista y otra componente helicoidal. Presenta distinto carácter en distintos puntos de la línea de dislocación. Bucles de dislocaciones: son dislocaciones que se cierran sobre sí mismas. Una dislocación puede tener distinto carácter en distintas zonas del frente (porque b es constante) Inestabilidad termodinámica de las dislocaciones Las dislocaciones incrementan siempre la energía libre del material. Esto significa que no existe una concentración óptima o de equilibrio para las dislocaciones, y la situación ideal desde el punto de vista energético, a cualquier temperatura, sería que no hubiera dislocaciones en el cristal. Hay mecanismos que favorecen la aparición y la multiplicación de dislocaciones por esto es prácticamente es imposible tener un cristal sin dislocaciones. Además, el cristal no puede eliminar fácilmente las dislocaciones, por lo que tratará de minimizar su energía libre haciendo que, al menos, la longitud total de líneas de dislocación sea lo menor posible. En consecuencia, las dislocaciones tenderán a adoptar la forma recta siempre que puedan hacerlo. Por último, Las dislocaciones comienzan y terminan en la superficie libre del cristal, bordes de grano u otras líneas de dislocación. Las dislocaciones no pueden comenzar o terminar en una zona perfecta del cristal. 14.2. Movimiento de dislocaciones Las dislocaciones se mueven en el interior del material bajo la acción de tensiones de cizalladura aplicadas en la dirección del vector de Burgers. El avance de la dislocación se produce por el salto de los átomos en la dirección del vector de Burgers, una cantidad igual al módulo de b. Cuando la dislocación ha recorrido todo el plano cristalino se produce un escalón de deslizamiento igual a b que da lugar a la deformación plástica. El frente de dislocación avanza perpendicularmente a sí mismo, pero los átomos saltan en la dirección del vector de Burgers. En ciencia de materiales, el frente de dislocación es la línea de intersección entre una dislocación y la superficie de un material. Es la región del material que está más deformada por la presencia de la dislocación. La deformación plástica se produce por el movimiento de las dislocaciones a través de la red cristalina. En realidad, no avanza TODO el semiplano extra, sino que sólo hay una reordenación de los átomos en la zona del núcleo de la dislocación por ello la tensión necesaria es menor que la teórica. Esto se debe a que la energía necesaria para mover todo el semiplano extra es muy alta. En cambio, la energía necesaria para reordenar el núcleo de la dislocación es mucho menor. Al aplicar una tensión, el átomo A pasa a estar más atraído por C que por B lo que implica una pequeña reordenación de los átomos en el núcleo de la dislocación por lo que parece que todo el semiplano extra se ha movido hacia la derecha. La dirección del movimiento de avance de las dislocaciones siempre es perpendicular a la propia línea de dislocación. La dirección del salto de los átomos es igual a la del vector b. Si dos dislocaciones poseen el mismo vector de Burgers se da que cuando recorren todo el plano producen el mismo escalón de deslizamiento. Dislocaciones de signo opuesto se mueven en sentidos opuestos. Plano de deslizamiento: Es un plano de la red que contiene a la vez a la línea de dislocación y al vector de Burgers. En consecuencia: Como en una dislocación en arista b, es perpendicular a la línea de dislocación. Ambos definen un único plano de deslizamiento. Como en una dislocación helicoidal, la línea de dislocación y b son paralelos. Ambos definen infinitos planos, algunos de los cuales son de deslizamiento. Movimiento conservativo de las dislocaciones. Las dislocaciones avanzan de manera conservativa cuando se mueven por su plano de deslizamiento. Esto significa que no se crea ni se destruye materia cuando se mueve la dislocación. En cambio, la dislocación simplemente se mueve a través del cristal, desplazando los átomos a su alrededor. Las dislocaciones en arista sólo pueden deslizar de forma conservativa por el único plano de deslizamiento. Si la dislocación se deslizara fuera de su plano de deslizamiento, el vector de Burgers no estaría alineado con la dirección de deslizamiento. Esto requeriría la creación o destrucción de átomos, lo que violaría la conservación de la masa. Las dislocaciones helicoidales pueden deslizar por cualquier plano de la red que contenga a la línea de dislocación; van a deslizar por el que les resulte más fácil. Cuando una dislocación helicoidal se desliza, lo hace a lo largo de cualquier plano de la red que contenga a la línea de dislocación. Esto se debe a que el vector de Burgers de la dislocación está paralelo al plano de deslizamiento. Si la dislocación se deslizara fuera de un plano que contenga a la línea de dislocación, el vector de Burgers no estaría alineado con la dirección de deslizamiento. Esto requeriría la creación o destrucción de átomos, lo que violaría la conservación de la masa. La existencia de varios planos de deslizamiento les permite hacer deslizamiento cruzado. Deslizamiento cruzado en dislocaciones helicoidales Ante un obstáculo, la dislocación helicoidal puede cambiar de plano (de forma conservativa) y seguir avanzando. Superando el obstáculo, avanza por un plano paralelo al original. En una dislocación mixta (de arista + helicoidal) , las zonas helicoidales pueden hacer deslizamiento cruzado y cambiar de plano de deslizamiento. El deslizamiento cruzado es un proceso importante en la ciencia de los materiales. Se puede utilizar para controlar las propiedades mecánicas de los materiales y para fabricar materiales con propiedades específicas. Movimiento no conservativo de las dislocaciones. Las dislocaciones avanzan de forma no conservativa cuando se mueven fuera de su plano de deslizamiento. Trepado de dislocaciones en arista: es un movimiento de la dislocación en arista perpendicular a su plano de deslizamiento. Implica transporte de masa por ello se produce por difusión de vacantes y solo tiene lugar a alta temperatura (que es cuando se favorece la difusión). El trepado de dislocaciones en arista es importante porque permite que las dislocaciones se muevan a través de obstáculos, como las partículas de impureza o las dislocaciones de borde. Esto es importante para la deformación plástica, ya que permite que los metales y otros materiales cristalinos se deformen sin romperse. Tensión de cizalladura efectiva τRSS (resolved shear stress) La tensión de cizalladura efectiva es la tensión que actúa en el plano de deslizamiento de la dislocación y en la dirección de deslizamiento. La tensión de cizalladura efectiva es la tensión de cizalladura que se experimenta realmente en un material. Es menor que la tensión de cizalladura teórica porque tiene en cuenta la presencia de dislocaciones en el material. Es la tensión útil para mover la dislocación, es decir, producir el deslizamiento de los átomos por su plano. Si no existiera ninguna componente de tensión aplicada en esa dirección concreta, no se produciría el avance de la dislocación. Ley de Schmid. Esta ley dice que: “la deformación plástica del monocristal comienza cuando alguno de sus sistemas de deslizamiento falcanza una tensión de cizalladura efectiva igual a un valor crítico umbral, τRSS (critical resolved shear stress) , característico de este sistema.” La ley de Schmid describe las condiciones necesarias para que se produzca la deformación plástica a nivel microscópico. Por otra parte la deformación plástica macroscópica comienza cuando se alcanza el límite elástico, Rp. El límite elástico Rp es la tensión uniaxial máxima que un material puede soportar sin sufrir deformación plástica. Cuando un material se somete a una tensión superior al límite elástico, comienza a deformarse plásticamente.