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Deformación Plástica en
Cristales Metálicos
Ing. Nilthon Zavaleta G.
Solidificación de metales
Monocristal Policristal Núcleo Líquido
(1) Formación de núcleos estables en el metal líquido (NUCLEACION)
(2) Crecimiento de los núcleos (CRECIMIENTO)
(3) Formación de la estructura granular.
Granos Límite de
grano
Las propiedades de resistencia y ductilidad están
controladas por el ordenamiento atómico y la
microestructura del metal.
La deformación plástica se inicia cuando se aplica una
tensión de corte crítica que produce el deslizamiento
de planos cristalográficos propios de cada tipo de
estructura cristalina.
El inicio de la deformación plástica en metales
policristalinos es medido generalmente mediante un
ensayo de tracción. Durante este ensayo la muestra es
deformada a una velocidad constante, midiéndose simultáneamente la carga aplicada y su alargamiento.
Deformación Plástica en metales policristalinos
(a) representa un material dúctil el cual sufre una amplia deformación
plástica antes de su fractura en F, y (b) representa un material frágil el cual
exhibe poca ductilidad.
Las región lineal OE corresponde a la región de deformación
elástica, cumpliendo con la ley de Hooke ( =E.). Si la
tensión aplicada es de corte la relación sería: =G..
Deformación Plástica en metales policristalinos
En el punto E ocurre la fluencia y
está caracterizado por la tensión de
fluencia (y). Posteriormente ocurre
un endurecimiento por deformación
hasta F.
Para la mayoría de metales y
aleaciones, la transición entre el
rango elástico a plástico es poco
visible. Por ello, la tensión de fluencia
se define como la tensión necesaria
para producir un valor
predeterminado de deformación
plástica, por ejemplo 0,2 por ciento.
Deformación Plástica en metales policristalinos
En otros casos, el material presenta
dos puntos de fluencia, indicando que
la fluencia no es uniforme. La figura
muestra un caso típico en varias
aleaciones BCC.
Se observa cuatro regiones:
(OE) deformación elástica y micro-
plástica antes de la fluencia;
(EC) caída de la fluencia;
(CD) propagación de la fluencia, y
(DF) endurecimiento uniforme.
Deformación Plástica en metales policristalinos
La deformación entre A
y D no es homogénea,
y el flujo plástico se
inicia en una zona de la
muestra y se extiende
hasta su totalidad en D,
esta deformación se da
mediante el mecanismo
conocido como bandas
de Luders.
Deformación Plástica en metales policristalinos
DEFORMACIÓN PLÁSTICA DE MONOCRISTALES METÁLICOS
Los monocristales metálicos son por lo
general dúctiles.
La aplicación de tensiones mayores a la
tensión de corte crítica, C, muestra una
curva compuesta de tres etapas: Etapa I,
II y III.
La extensión de estas etapas depende
de la orientación del cristal respecto al
eje de carga, como es mostrado en la
figura.
Curva típica tensión corte -
deformación de corte para
monocristales FCC.
DEFORMACIÓN PLÁSTICA DE MONOCRISTALES METÁLICOS
Comparación de la curva - de un monocristal con la curva para
un policristal. Esta última no muestra la etapa I pero deforma en
una manera similar a las etapas II y III.
POLICRISTAL MONOCRISTAL
Sistemas de deslizamiento
La apariencia en la superficie de un monocristal metálico deformado
plásticamente muestra marcas características muy definidas, las cuales se
llaman bandas de deslizamiento. Estas bandas están formadas por líneas
de deslizamiento que se forman mediante el deslizamiento de los átomos
del metal sobre unos planos cristalográficos llamados planos de
deslizamiento.
Sistemas de deslizamiento
Deformación de monocristal
de zinc (HCP) a 300ºC.
Micrografía de Rosenhain (1899)
mostrando líneas de deslizamiento en los
granos de plomo (FCC).
La deformación plástica ocurre por deslizamiento de planos atómicos paralelos
en una dirección característica de cada estructura cristalina. Este deslizamiento
se visualiza en la superficie del material mediante las líneas de deslizamiento.
Sistemas de deslizamiento
Deslizamiento múltiple en un
monocristal de aluminio (FCC)
Deslizamiento múltiple en Latón 70/30
(BCC) policristalino.
Sistemas de deslizamiento
La combinación de un plano de deslizamiento y una dirección de
deslizamiento se le conoce como sistema de deslizamiento.
Cada tipo de estructura cristalina (BCC, FCC, HCP) tiene su
propios sistemas de deslizamiento.
Sistemas de deslizamiento
Características de los sistemas de deslizamiento:
1) Las direcciones de deslizamiento siempre son las direcciones
de empaquetamiento más compacto.
2) El deslizamiento ocurre generalmente sobre los planos
compactos o de mayor compacidad.
3) El sistema de deslizamiento que se activa es el que presenta
mayor tensión de corte a lo largo de su dirección de
deslizamiento.
4) En policristales o monocristales orientados arbitrariamente,
generalmente se activan más de un sistema de deslizamiento
(deslizamiento múltiple).
Sistemas de deslizamiento en sistema FCC
Para los metales con la estructura cristalina FCC, el
deslizamiento tiene lugar en los planos octaédricos {111} de
empaquetamiento compacto y en las direcciones compactas
<110>. Cada plano tiene 3 tipos de direcciones de deslizamiento
compactas <110>
Sistemas de deslizamiento en sistema FCC
En la estructura FCC existen 8 planos octaédricos {111}. Los
planos correspondientes a las caras opuestas del octaedro son
paralelas e iguales, por lo tanto, existirán sólo 4 planos de
deslizamiento {111} diferentes. Así:
4 planos x 3 direcciones/plano = 12 sistemas de deslizamiento.
Sistemas de deslizamiento en sistema HCP
En los cristales HCP reales, la relación c/a no es igual a 1.633; sino
que varía desde 1.886 hasta 1.586, como se observa en la tabla:
Metal Cd Zn Mg Zr Ti Be
c/a 1.886 1.856 1.624 1.590 1.588 1.586
En los metales cuya relación:
c/a > 1.633
Se deforman generalmente en el
sistema de deslizamiento
(0001), <1120>
Ejemplo: Zn, Cd, Mg.
_
Existe sólo un plano (0001) el cual sólo
puede deslizarse en tres direcciones
<1120>, por lo tanto, existen: _
_ 3 Sist. de deslizamiento (0001) <1120> _
Sistemas de deslizamiento en sistema HCP
En los metales cuya relación
c/a < 1.633
se pueden deformar por deslizamientos en los sistemas:
(a) {1010} <1120> conocidos como planos prismáticos
(b) {1011} <1120> conocidos como planos piramidales
Estos generalmente se activan a temperaturas elevadas.
_ _
_ _
Sistemas de deslizamiento en sistema HCP
Como existen 3 planos prismáticos
{1010} con una sola dirección
<1120> en cada plano.
Existirán 3 Sist. de deslizamiento:
{1010} <1120>
Entre los metales que se deforman
plásticamente en este sistema
tenemos: Ti, Mg, Zr, Be.
_
_
_ _
Como existen 6 planos piramidales
{1011} con una sola dirección
<1120> en cada plano.
Existirán 6 Sist. de deslizamiento:
{1011} <1120>
Entre los metales que se deforman
plásticamente en este sistema
tenemos: Ti y Mg.
_
_
_ _
Sistemas de deslizamiento en sistema BCC
1. La BCC, no es una estructura compacta y por lo tanto no
tiene un plano compacto, como ocurre en la FCC y HCP.
2. Los planos {110} tienen gran densidad atómica y el
deslizamiento generalmente tiene lugar en estos planos, pero
también ocurren en los planos {112} y {123}.
3. Como no son planos compactos se necesitará mayores
tensiones de corte para conseguir el deslizamiento,
comparados con el FCC. La dirección de deslizamiento en
todos los casos es del tipo <111>.
Sistemas de deslizamiento en sistema BCC
Existen 6 planos {110}, y cada uno de ellos puede
deslizarse en dos direcciones <111>, por lo tanto,
existirán 12 sistemas de deslizamiento {110}
<111>. Los metales que presentan este
comportamiento durante la deformación plástica
tenemos: Fe, W, Mo, Nb, Ta.
Existen 12 planos {112} de los cuales cada
plano puede deslizarse en una sola dirección
<111>, por lo tanto existirán 12 sistemas de
deslizamiento {112} <111>. Los metales que
presentan este comportamiento durante la
deformación plástica tenemos: Fe, Mo, W,
Na.
Sistemas de deslizamiento en sistema BCC
Existen 24 planos {123} de los cuales cada plano
puede deslizarse en una sola dirección <111>, por
lo tanto existirán 24 sistemas de deslizamiento
{123} <111>. Entre los metales que muestran este
comportamiento durante la deformación plástica
tenemos: Fe, K.
Tensión de corte resuelta
Es la tensión de corte que actúa en el
plano de deslizamiento y en la
dirección de deslizamiento.
Para un ángulo , el máximo factor de
Schmid se da cuando = (90 - ).
cos.cosA
FR
Factor de Schmid
Tensión de corte resuelta
El máximo factor de Schmid se da en el
máximo de la función cos . cos (90 - ). El
cual ocurre cuando = 45º, donde el máximo
factor de Schmid es 0.5.
En el caso de metales comunes
(policristalinos) cada grano es un monocristal
orientado al azar respecto al eje de tracción.
Por lo tanto, considerando la gran cantidad
de granos orientados con diferentes
orientaciones, existirá algún grano orientados
con un factor de Schmid de 0.5.
Así, podría decirse que el límite de
elasticidad verdadero de un policristal es
igual al doble del valor de la tensión de corte
crítica (elástica = 2 c ).
Tensión de corte crítica en monocristales
La tensión de corte crítica (c) es la tensión de corte necesaria para que
se active un sistema de deslizamiento. Esto quiere decir, que sí en un
sistema ocurre que R c , el sistema se deslizará.
c = f (estructura, enlace atómico, temperatura y orientación del
plano de deslizamiento)
Estructura FCC
1. La tensión de corte crítica es pequeña.
2. Generalmente la deformación plástica se realiza en más de un
plano de deslizamiento (deslizamiento múltiple).
3. El deslizamiento ocurre sobre el primero de los 12 sistemas de
deslizamiento que logre una R c .
4. En el deslizamiento sobre varios planos de deslizamientos
intersectantes, la tensión necesaria para deformaciones adicionales
aumenta esto es producto del mecanismo conocido como
endurecimiento por deformación.
Tensión de corte crítica en monocristales
Estructura FCC
5. La dependencia de la temperatura con la tensión de corte crítica, c,
es pequeña.
6. La tensión de corte crítica, c, es sensible a los cambios de
concentración, siendo más pequeña en metales de alta pureza.
Metal Pureza (%) Plano Dirección c (MPa)
Ag
Cu
Ni
99.99
99.97
99.93
99.999
99.98
99.8
(111)
(111)
(111)
(111)
(111)
(111)
[1 1 0]
[1 1 0]
[1 1 0]
[1 1 0]
[1 1 0]
[1 1 0]
0.48
0.73
1.30
0.65
0.94
5.7
Tensión de corte crítica en monocristales
Estructura HCP
1. Presenta valores bajos de c en el sistema (0001) y <1120>
2. Metales en el cual el deslizamiento basal es el preferencial, la
tensión de corte crítica requerida para el deslizamiento no-basal es
de uno a dos órdenes de magnitud mayor.
3. Metales en los cuales el deslizamiento no-basal es el preferido, la
tensión de corte crítica es alta (>10 MPa).
4. El deslizamiento basal también puede ocurrir en los metales para
los cuales el deslizamiento prismático es el preferido, pero la
tensión de cote crítica es alta (> 100 MPa).
Estructura BCC
1. En concordancia con la falta de un plano de empaquetamiento
compacto, este sistema cristalino presenta un elevado valor de
tensión de corte crítica.
_
Tensión de corte crítica teórica en cristales perfectos
(1) b
x2K
b
x2 sen.K
La función vs x puede aproximarse:
Hasta b/4 se puede considerar que cumple
con la ley de Hooke.
Igualando (1) y (2), tenemos:
Sustituyendo en (1), tenemos:
Considerando que th ocurre cuando x=b/4
(2) a
Gx
a
x ; G
(3) a2
GbK
b
x2K
a
Gx
b
x2 sen
a2
Gb
a2
Gbth
Considerando la estructura FCC:
b = distancia interatómica 110
a = distancia entre planos (111)
a2
Gbth
2
2ab o
3
ada o
111 1.5
Gth
Metal Módulo de corte en la dirección de deslizamiento
th (teórica) (MPa)
* (experimental) (MPa)
Al Ag Cu
Fe
24400 25000 40700 59000
4800 5000 8000 11500
0.79 0.37 0.49 26.60
POR QUÉ?
“DISLOCACIONES”
