7 Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en Los Materiales Metalicos

UNIDAD 7UNIDAD 7

Dislocaciones y Mecanismos Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en los de Endurecimiento en los

Materiales MetMateriales Met áálicoslicos

Dislocaciones y Mecanismos de Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en los Materiales MetEndurecimiento en los Materiales Met áálicoslicos

•• En la Unidad 6 se explicEn la Unidad 6 se explicóó que los materiales pueden experimentar que los materiales pueden experimentar dos tipos de deformaciones: eldos tipos de deformaciones: eláástica y plstica y pláástica.stica.

•• En una escala microscEn una escala microscóópica, la deformacipica, la deformacióón pln pláástica corresponde al stica corresponde al movimiento neto de un gran nmovimiento neto de un gran núúmero de mero de áátomos en respuesta a una tomos en respuesta a una tensitensióón aplicada. n aplicada.

•• Durante ese proceso, se rompen enlaces y luego se rehacen.Durante ese proceso, se rompen enlaces y luego se rehacen.

•• En los sEn los sóólidos cristalinos, la deformacilidos cristalinos, la deformacióón pln pláástica implica el stica implica el movimiento de dislocaciones.movimiento de dislocaciones.

•• Se analizarSe analizaráán las caractern las caracteríísticas de las dislocaciones y su sticas de las dislocaciones y su participaciparticipacióón en la deformacin en la deformacióón pln pláástica. stica.

Dislocaciones y Mecanismos de Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en los Materiales MetEndurecimiento en los Materiales Met áálicoslicos

•• Se presentan varias tSe presentan varias téécnicas para lograr el cnicas para lograr el endurecimiento de los materiales metendurecimiento de los materiales metáálicos y se explican licos y se explican mediante mecanismos en los cuales participan las mediante mecanismos en los cuales participan las dislocaciones. dislocaciones.

•• Finalmente, se analizan los procesos de recuperaciFinalmente, se analizan los procesos de recuperacióón y n y de de recristalizacirecristalizacióónn, procesos que ocurren en los metales, procesos que ocurren en los metalesplpláásticamente deformados, normalmente a temperaturas sticamente deformados, normalmente a temperaturas elevadas y, ademelevadas y, ademáás, se analiza el fens, se analiza el fenóómeno de meno de crecimiento de grano.crecimiento de grano.

Dislocaciones y DeformaciDislocaciones y Deformaci óón Pln Pl áásticastica

•• Al estudiarse por primera vez los materiales se calcularon las Al estudiarse por primera vez los materiales se calcularon las resistencias teresistencias teóóricas para cristales perfectos y se encontrricas para cristales perfectos y se encontróó que que deberdeberíían ser mucho mayores que las determinadas an ser mucho mayores que las determinadas experimentalmente.experimentalmente.

•• Durante la dDurante la déécada de 1930 se esa diferencia se podcada de 1930 se esa diferencia se podíía deber a la a deber a la presencia de un defecto cristalino lineal que se denominpresencia de un defecto cristalino lineal que se denominóódislocacidislocacióón.n.

•• ReciReciéén en la dn en la déécada de 1950 se pudo verificar la existencia de esos cada de 1950 se pudo verificar la existencia de esos defectos por observacidefectos por observacióón directa con un microscopio electrn directa con un microscopio electróónico de nico de transmisitransmisióón(TEMn(TEM).).

•• Desde entonces se ha desarrollado una TeorDesde entonces se ha desarrollado una Teoríía de Dislocaciones que a de Dislocaciones que permite explicar muchos de fenpermite explicar muchos de fenóómenos fmenos fíísicos y mecsicos y mecáánicos en los nicos en los materiales metmateriales metáálicos.licos.

Tipos de dislocacionesTipos de dislocaciones

Dislocaciones y DeformaciDislocaciones y Deformacióón Pln Pláásticastica

•• La deformaciLa deformacióón pln pláástica corresponde al movimiento de stica corresponde al movimiento de un gran nun gran núúmero de dislocaciones.mero de dislocaciones.

•• Una dislocaciUna dislocacióón de borde se mueve en respuesta a una n de borde se mueve en respuesta a una tensitensióón de corte aplicada en una direccin de corte aplicada en una direccióón perpendicular n perpendicular a su la su líínea.nea.

•• El El hemiplanohemiplano extra ( A en la Figura) se mueve hacia la extra ( A en la Figura) se mueve hacia la derecha forzado por la tensiderecha forzado por la tensióón de corte, ese movimiento, n de corte, ese movimiento, a su vez, fuerza las mitades superiores de los planos B, a su vez, fuerza las mitades superiores de los planos B, C, D, C, D, etcetc, en la misma direcci, en la misma direccióón.n.

•• Si la tensiSi la tensióón de corte es suficientemente grande las n de corte es suficientemente grande las uniones del plano B se alargan en la direcciuniones del plano B se alargan en la direccióón de la n de la tensitensióón de corte y la mitad superior del plano B se n de corte y la mitad superior del plano B se convierte en el convierte en el hemiplanohemiplano extra mientras que el plano A extra mientras que el plano A se une con la mitad inferior del plano B.se une con la mitad inferior del plano B.


•• El proceso se repite por acciEl proceso se repite por accióón de la tensin de la tensióón aplicada n aplicada de manera que el de manera que el hemiplanohemiplano extra se va desplazando extra se va desplazando por ruptura y formacipor ruptura y formacióón de uniones.n de uniones.

•• Finalmente el Finalmente el hemiplanohemiplano extra emerge por la superficie extra emerge por la superficie derecha del cristal formando un escalderecha del cristal formando un escalóón que tiene una n que tiene una distancia atdistancia atóómica de ancho.mica de ancho.


•• El proceso por el cual la deformaciEl proceso por el cual la deformacióón pln pláástica se produce por el stica se produce por el movimiento de dislocaciones se denomina deslizamiento (movimiento de dislocaciones se denomina deslizamiento (““slipslip””).).

•• El plano cristalogrEl plano cristalográáfico sobre el cual se mueve la dislocacifico sobre el cual se mueve la dislocacióón de n de denomina plano de deslizamiento (denomina plano de deslizamiento (““slip slip planeplane””).).

•• La deformaciLa deformacióón pln pláástica macroscstica macroscóópica corresponde a la pica corresponde a la deformacideformacióón que resulta del desplazamiento (n que resulta del desplazamiento (““slipslip””) de las ) de las dislocaciones en respuesta a la aplicacidislocaciones en respuesta a la aplicacióón de una tensin de una tensióón de corte.n de corte.

•• El movimiento de las dislocaciones es semejante al de una oruga.El movimiento de las dislocaciones es semejante al de una oruga.


•• El movimiento de una dislocaciEl movimiento de una dislocacióón hn héélice en respuesta a lice en respuesta a una tensiuna tensióón de corte es perpendicular a la direccin de corte es perpendicular a la direccióón de n de la tensila tensióón. n.

•• Sin embargo, la deformaciSin embargo, la deformacióón pln pláástica neta es la misma.stica neta es la misma.

•• Para una dislocaciPara una dislocacióón mixta la direccin mixta la direccióón de movimiento n de movimiento de la lde la líínea de la dislocacinea de la dislocacióón no es ni paralela ni n no es ni paralela ni perpendicular a la direcciperpendicular a la direccióón de la tensin de la tensióón. n.


•• Todos los metales y aleaciones contienen dislocaciones que se Todos los metales y aleaciones contienen dislocaciones que se introducen durante la solidificaciintroducen durante la solidificacióón, la deformacin, la deformacióón pln pláástica y stica y tambitambiéén por tensiones tn por tensiones téérmicas producto de un enfriado rrmicas producto de un enfriado ráápido.pido.

•• La densidad de dislocaciones se expresa por unidad de volumen o La densidad de dislocaciones se expresa por unidad de volumen o por unidad de superficie, en este caso se toman en cuenta las qupor unidad de superficie, en este caso se toman en cuenta las que e intersectan un determinado plano.intersectan un determinado plano.

•• Para metales enfriados lentamente la densidad de dislocaciones Para metales enfriados lentamente la densidad de dislocaciones estestáás en el orden de 10s en el orden de 1033 mmmm--22, en cambio, para metales , en cambio, para metales severamente deformados es de 10severamente deformados es de 1099 o 10o 101010 mmmm--22..

•• Por calentamiento de una probeta severamente deformada se Por calentamiento de una probeta severamente deformada se puede disminuir la densidad a 10puede disminuir la densidad a 1055 o 10o 1066 mmmm--22. En los materiales . En los materiales cerceráámicos la densidad de dislocaciones suele ser menor.micos la densidad de dislocaciones suele ser menor.

CaracterCaracteríísticas de las dislocacionessticas de las dislocaciones

•• Hay varias caracterHay varias caracteríísticas de las dislocaciones que son importantes sticas de las dislocaciones que son importantes en este contexto.en este contexto.

•• Una de ellas es el campo de tensiones que existe alrededor de laUna de ellas es el campo de tensiones que existe alrededor de las s dislocaciones que influye en su movilidad y en la posibilidad dedislocaciones que influye en su movilidad y en la posibilidad de que se que se multipliquen.multipliquen.

•• Cuando los metales se deforman plCuando los metales se deforman pláásticamente una fraccisticamente una fraccióón de la n de la energenergíía de deformacia de deformacióón, alrededor del 5 %, se retiene internamente, el n, alrededor del 5 %, se retiene internamente, el esto se disipa en forma de calor.esto se disipa en forma de calor.

•• La mayor parte de esa energLa mayor parte de esa energíía almacenada, lo es en forma de energa almacenada, lo es en forma de energíía a de deformacide deformacióón asociada a las dislocaciones.n asociada a las dislocaciones.


•• En la dislocaciEn la dislocacióón de borde de la figura anterior los n de borde de la figura anterior los áátomos de las tomos de las regiones cercanas estregiones cercanas estáá sometidos a tensiones, que pueden ser de sometidos a tensiones, que pueden ser de traccitraccióón, de compresin, de compresióón o de corte.n o de corte.

•• Por ejemplo, los Por ejemplo, los áátomos que esttomos que estáán inmediatamente arriba de la ln inmediatamente arriba de la líínea nea de dislocacide dislocacióón estn estáán forzados a estar a una distancia menor que la n forzados a estar a una distancia menor que la normal, es decir, sufren una deformacinormal, es decir, sufren una deformacióón de compresin de compresióón si se los n si se los compara con compara con áátomos de una regitomos de una regióón alejada de la dislocacin alejada de la dislocacióón. n.

•• Directamente por debajo de la lDirectamente por debajo de la líínea de la dislocacinea de la dislocacióón el efecto es n el efecto es exactamente el contrario, los exactamente el contrario, los áátomos sufren una deformacitomos sufren una deformacióón de n de traccitraccióón.n.

•• TambiTambiéén existen deformaciones de corte en las cercann existen deformaciones de corte en las cercaníías de la las de la líínea nea de la dislocacide la dislocacióón. n.


•• Para una dislocaciPara una dislocacióón tornillo las tensiones son de corte n tornillo las tensiones son de corte puras.puras.

•• Esas distorsiones en la red cristalina se pueden Esas distorsiones en la red cristalina se pueden considerar como campos de deformaciconsiderar como campos de deformacióón que se irradian n que se irradian desde la ldesde la líínea de la dislocacinea de la dislocacióón.n.

•• La deformaciLa deformacióón se extiende a los n se extiende a los áátomos de los tomos de los alrededores y su magnitud decrece con la distancia alrededores y su magnitud decrece con la distancia segsegúún una direccin una direccióón radial a la ln radial a la líínea de la dislocacinea de la dislocacióón.n.


•• Los campos de deformaciLos campos de deformacióón alrededor de dislocaciones n alrededor de dislocaciones que estque estáán cerca pueden interactuar de manera tal que n cerca pueden interactuar de manera tal que surgen fuerzas entre ellas.surgen fuerzas entre ellas.

•• Por ejemplo, consideremos dos dislocaciones de borde Por ejemplo, consideremos dos dislocaciones de borde del mismo signo e iddel mismo signo e idééntico plano de deslizamiento.ntico plano de deslizamiento.

•• Los campos de tensiLos campos de tensióón compresivos y de traccin compresivos y de traccióón estn estáán n del mismo lado del plano de deslizamiento, en del mismo lado del plano de deslizamiento, en consecuencia, la interacciconsecuencia, la interaccióón entre las deformaciones es n entre las deformaciones es tal que se genera una fuerza repulsiva entre las dos tal que se genera una fuerza repulsiva entre las dos dislocaciones.dislocaciones.


•• Por otro lado, dos dislocaciones de borde de signo Por otro lado, dos dislocaciones de borde de signo opuesto y con el mismo plano de deslizamiento se opuesto y con el mismo plano de deslizamiento se atraeratraeráán mutuamente.n mutuamente.

•• En ese caso, las dislocaciones se aniquilarEn ese caso, las dislocaciones se aniquilaráán cuando se n cuando se encuentren. Es decir, los dos encuentren. Es decir, los dos hemiplanoshemiplanos extra se extra se alinearalinearáán y formarn y formaráán un plano completo.n un plano completo.

•• TambiTambiéén es posible la interaccin es posible la interaccióón entre las dislocaciones n entre las dislocaciones de borde con las tornillo y las mixtas.de borde con las tornillo y las mixtas.

•• Estos campos de tensiones son importantes en los Estos campos de tensiones son importantes en los mecanismos de endurecimiento de los metales. mecanismos de endurecimiento de los metales.

CaracterCaracteríísticas de las Dislocacionessticas de las Dislocaciones

•• Durante la deformaciDurante la deformacióón pln pláástica el nstica el núúmero de mero de dislocaciones crece fuertemente.dislocaciones crece fuertemente.

•• Una fuente importante para ese crecimiento es la Una fuente importante para ese crecimiento es la multiplicacimultiplicacióón de las dislocaciones existentes. n de las dislocaciones existentes.

•• AdemAdemáás los bordes de grano ass los bordes de grano asíí como los defectos como los defectos internos como irregularidades en la superficie, internos como irregularidades en la superficie, rayadurasrayadurasactactúúan como concentradores de tensian como concentradores de tensióón y pueden n y pueden actuar como sitios generadores de dislocaciones actuar como sitios generadores de dislocaciones durante la deformacidurante la deformacióón.n.

Sistemas de DeslizamientoSistemas de Deslizamiento

•• Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad sobre todos los planos cristalogrsobre todos los planos cristalográáficos.ficos.

•• Suele haber un plano preferencial y, sobre ese plano, Suele haber un plano preferencial y, sobre ese plano, una direcciuna direccióón preferida.n preferida.

•• Ese plano es llamado plano de deslizamiento (Ese plano es llamado plano de deslizamiento (““slip slip planeplane””) y la direcci) y la direccióón: n: direccidireccióónn de deslizamiento. Esa de deslizamiento. Esa combinacicombinacióón se denomina sistema de deslizamiento.n se denomina sistema de deslizamiento.

•• El sistema de deslizamiento depende de la estructura El sistema de deslizamiento depende de la estructura cristalina del material metcristalina del material metáálico. lico.


•• Para cada estructura cristalina el plano de deslizamiento Para cada estructura cristalina el plano de deslizamiento es el plano con empaquetamiento mes el plano con empaquetamiento máás compacto, es s compacto, es decir, el que tiene la mayor densidad decir, el que tiene la mayor densidad planarplanar. .

•• La direcciLa direccióón de deslizamiento corresponde a la direccin de deslizamiento corresponde a la direccióón n que en ese plano tiene la mayor densidad lineal.que en ese plano tiene la mayor densidad lineal.

•• Por ejemplo, para la estructura FCC, en la familia {111} Por ejemplo, para la estructura FCC, en la familia {111}

todos los planos tienen la mayor densidad todos los planos tienen la mayor densidad planarplanar en esa en esa estructura como se muestra en la siguiente figura.estructura como se muestra en la siguiente figura.


•• El deslizamiento ocurre en las direcciones <110> y sobre los plaEl deslizamiento ocurre en las direcciones <110> y sobre los planos nos [111].[111].

•• Es decir, [111]Es decir, [111]--<111> representa la combinaci<111> representa la combinacióón de plano y n de plano y direccidireccióón de deslizamiento o el sistema de deslizamiento para la n de deslizamiento o el sistema de deslizamiento para la estructura FCC.estructura FCC.

•• En la Figura que sigue puede verse que en un mismo plano puede En la Figura que sigue puede verse que en un mismo plano puede haber mhaber máás de una direccis de una direccióón de desplazamiento.n de desplazamiento.

•• En consecuencia, para una estructura cristalina puede haber variEn consecuencia, para una estructura cristalina puede haber varios os sistemas de deslizamiento que representan distintas combinacionesistemas de deslizamiento que representan distintas combinaciones s de planos y direcciones. Por ejemplo, para la FCC hay 12 sistemade planos y direcciones. Por ejemplo, para la FCC hay 12 sistemas: s: cuatro planos {111} y, en cada plano, 3 direcciones <111>. cuatro planos {111} y, en cada plano, 3 direcciones <111>.


•• Los sistemas de deslizamiento posibles para las estructuras BCC Los sistemas de deslizamiento posibles para las estructuras BCC y y HCP incluyen mHCP incluyen máás de una familia de planos (por ejemplo, {110}, s de una familia de planos (por ejemplo, {110}, {211} y {321} para BCC).{211} y {321} para BCC).

•• Para los metales que tienen esas dos estructuras cristalinas Para los metales que tienen esas dos estructuras cristalinas algunos de los sistemas de deslizamiento funcionan salgunos de los sistemas de deslizamiento funcionan sóólo a lo a temperaturas elevadas.temperaturas elevadas.

•• Los metales con estructuras FCC y BCC tienen un gran nLos metales con estructuras FCC y BCC tienen un gran núúmero de mero de sistemas deslizamiento, por lo menos 12. Por esta razsistemas deslizamiento, por lo menos 12. Por esta razóón, son n, son ddúúctiles pues la deformacictiles pues la deformacióón pln pláástica es posible sobre los distintos stica es posible sobre los distintos sistemas. sistemas.

•• Por el contrario, los metales HCP tienen pocos sistemas de Por el contrario, los metales HCP tienen pocos sistemas de deslizamiento activos y, en consecuencia, son frdeslizamiento activos y, en consecuencia, son fráágiles.giles.

Sistemas de Deslizamiento

• Con respecto al concepto de deslizamiento la dirección del vector de Burgers corresponde a la dirección de deslizamiento de la dislocación.

• Su módulo es igual a un paso en el desplazamiento que es igual, además, a una distancia interatómica.

• Tanto la dirección y el módulo de b depende de la estructura cristalina por lo que resulta conveniente expresarlo del parámetro de celda a y de los índices de la dirección cristalográfica.

• B(FCC) = a/2 <110>; b(BCC) = a/2 <111>; b(HCP) = a/3 <11-20>.

Deslizamiento en Monocristales

• Para avanzar en la discusión es conveniente tratar el tema en monocristales, después se lo extiende a policristales.

• Como se mencionó, las dislocaciones de borde, tornillo o mixtas se mueven sobre un plano y una dirección de deslizamiento cuando se aplica una tensión.

• También, se vió que aunque una tensión sea puramente de tracción o de compresión se generan tensiones componentes de corte en los planos que no son perpendiculares a lsdirección de la tensión.

• Se denominan tensiones de corte resueltas (“resolved shearstresses”), su magnitud depende del módulo de la tensión aplicada y de la orientación del sistema de deslizamiento.


• Llamemos N al ángulo entre la normal al plano de deslizamiento y la dirección de la tensión aplicada, y λal ángulo entre las direcciones de la tensión y de la dirección de deslizamiento puede demostrase que la tensión de corte resuelta responde a la siguiente ecuación:

En general, Ф + λ ≠ 90 º pues es raro que la normal al plano de deslizamiento, la dirección de deslizamiento y la dirección de la tensión estén en el mismo plano.


• Un metal monocristalino tiene distintos sistemas de deslizamiento que pueden operar. La tensión de corte resuelta difiere para esos planos pues la orientación relativa con respecto a la dirección de la tensión también difiere.

• Sin embargo, uno de esos sistemas suele tener el mayor valor para la tensión de corte resuelta, es decir, la tensión de corte resuelta máxima:

En respuesta a una tensión de tracción o de compresión el deslizamiento en un monocristal comienza en el sistema que estéorientado de manera más favorable cunado la tensión de corte resuelta alcanza un valor crítico: la tensión de corte resuelta crítica : τCRSS, que representa la tensión de corte mínima requerida para iniciar el deslizamiento. Es una propiedad del material que indica cuando comienza la fluencia.


• El monocristal se deforma plásticamente cuando τR(max)= τCRSS , la magnitud de la tensión necesaria para iniciar la fluencia (σy) es :

La tensión mínima necesaria para la fluencia ocurre cuando el monocristal está orientado de manera que Ф = λ = 45 º, en esas condiciones σy = 2 τCRSS


• Para una muestra monocristalina que está sometida a tensión la deformación será como la que muestra la sgtefigura.

• El deslizamiento ocurre sobre varios planos y direcciones equivalentes que son los más favorablemente orientados.

• La deformación por deslizamiento genera pequeños escalones sobre la superficie de la muestra que son paralelos entre sí. Cada escalón resulta del movimiento de un gran nro de dislocaciones sobre el mismo plano de deslizamiento.


• Sobre la superficie pulida de un monocristal esos escalones aparecen como líneas que son llamadas líneas de deslizamiento (“slip lines”). La figura muestra un monocristal de Zn que ha sido deformado plásticamente.


• Si continúa la deformación de un monocristal metálico, el nro de líneas de deslizamiento y el tamaño de los escalones de deslizamiento aumenta.

• Para metales FCC o BCC el puede eventualmente comenzar en un segundo sistema, el próximo más favorablemente orientado.

• Para metales HCP, si el eje de la tensión aplicada para el sistema de deslizamiento más favorable es o bien perpendicular a la dirección de deslizamiento (λλ = 90= 90ºº) o bien paralelo al plano de ) o bien paralelo al plano de deslizamiento (deslizamiento (ФФ = 90= 90ºº), el ), el ττCRSSCRSS = 0.= 0.

• En ese caso, lo más habitual, es que el cristal se fracture.

Deslizamiento en Policristales

• La deformación y el deslizamiento en policristales es un poco más complejo ya que por la orientación al azar de los distintos granos, la dirección de deslizamiento varía de grano en grano.

• Para cada grano, el movimiento de las dislocaciones ocurrirá sobre el sistema que tenga la orientación más favorable.

• En la figura que sigue, puede una muestra policristalina de cobre que ha sido deformada plásticamente. La superficie fue pulida antes de la deformación.


• Se ven las líneas de deslizamiento y, aparentemente, operaron dos sistemas para la mayoría de los granos: dos conjuntos de líneas paralelas que se intersectan.

Deslizamiento en policristales

• La deformación plástica considerable de una muestra policristalina corresponde a una distorsión comparable de los granos individuales por deslizamiento.

• Durante la deformación la integridad mecánica y la coherencia se mantienen a lo largo de los bordes de grano, es decir, no se separan ni se abren.

• En consecuencia, cada grano está restringido en su forma por los granos vecinos. La manera en que los granos se distorsionan como resultado de la deformación plástica se muestra en la figura siguiente.


Como resultado de la deformación plástica, los granos, que estaban equiaxiados, se elongan en la dirección en la que el material se extendió.


•• Los metales policristalinos son mLos metales policristalinos son máás resistentes que sus s resistentes que sus equivalentes monocristalinos, esto significa que se equivalentes monocristalinos, esto significa que se requieren tensiones mayores para iniciar el deslizamiento requieren tensiones mayores para iniciar el deslizamiento y la fluencia consecuente.y la fluencia consecuente.

•• Esto se debe, principalmente, a las restricciones Esto se debe, principalmente, a las restricciones geomgeoméétricas que tienen los granos durante la deformacitricas que tienen los granos durante la deformacióón.n.

•• Aunque un grano particular pueda estar orientado de Aunque un grano particular pueda estar orientado de manera favorable con respecto a la tensimanera favorable con respecto a la tensióón aplicada como n aplicada como para sufrir deslizamiento, no se puede deformar hasta que para sufrir deslizamiento, no se puede deformar hasta que los granos vecinos tambilos granos vecinos tambiéén estn estéén en condiciones de n en condiciones de hacerlo.hacerlo.

Deformación por maclado

• Además del deslizamiento, la deformación plástica en los materiales metálicos puede ocurrir por la formación de maclas mecánicas o maclado mecánico (mechanicaltwins” o “mechanical twinning”.

• En la sgte figura se muestra de que modo se produce ese fenómeno.

• El maclado ocurre para un plano cristalográfico definido y una dirección determinada según la estructura cristalina. Pej: para metales BCC (112) y [111].


• Los círculos sin relleno representan átomos que no se mueven, las circunferencias en línea punteada y los círculos con relleno representan la posición original y final respectivamente de los átomos que se mueven.


• Si se comparan las deformaciones por maclado y por deslizamiento surgen diferencias.

• Para la deformación por deslizamiento, la orientación cristalográfica por encima y por debajo del plano de deslizamiento es la misma antes y después de la deformación.

• Para la deformación por maclado hay una reorientación alrededor del plano de maclado.

• Además, el deslizamiento ocurre en múltiplos distintos de el espaciado interatómico mientras que en el maclado es menor que un espaciamiento atómico.

Deformación por maclado y por deslizamiento

Deformación por maclado y por deslizamiento

• El maclado mecánico ocurre en metales que tienen estructuras BCC y HCP a bajas T y a velocidades de carga elevadas, bajo esas condiciones el deslizamiento está restringido, es decir, hay pocos sistemas de deslizamiento activos.

• La cantidad de material deformado por maclado es pequeña comparada con la deformada por deslizamiento.

• Sin embargo, la relevancia del maclado reside en las reorientaciones cristalográficas, el maclado puede poner nuevos sistemas en una orientación favorable para poder sufrir deslizamiento.

Mecanismos de Endurecimiento en los Materiales Metálicos

• Se ha visto que la deformación plástica de los metales está asociada fundamentalmente al movimiento de las dislocaciones.

• En consecuencia, si se consigue dificultar el movimiento de las dislocaciones es razonable esperar que será más difícil deformar plásticamente al metal.

• Casi todos los mecanismos de endurecimiento residen en el siguiente principio: al restringir o limitar el movimiento de las dislocaciones se obtiene un metal más duro y más resistente.

Endurecimiento por reducciEndurecimiento por reduccióón n del tamadel tamañño de granoo de grano

•• El tamaEl tamañño promedio de los granos en un metal o promedio de los granos en un metal policristalino influye en las propiedades mecpolicristalino influye en las propiedades mecáánicas.nicas.

•• Los granos adyacentes tienen normalmente distintas Los granos adyacentes tienen normalmente distintas orientaciones cristalogrorientaciones cristalográáficas. ficas.

•• Durante la deformaciDurante la deformacióón pln pláástica se produce el stica se produce el movimiento de las dislocaciones y, en algmovimiento de las dislocaciones y, en algúún momento, n momento, la dislocacila dislocacióón se encuentra con el borde de grano que n se encuentra con el borde de grano que actactúúa como una barrera para ese movimiento. a como una barrera para ese movimiento.


• Hay, por lo menos, dos razones para que el borde de grano actúe como tal barrera:

• 1. Como los dos granos tienen distintas orientaciones, cuando una dislocación pasa de un grano a otro debe cambiar su dirección de movimiento, cuanto mayor sea la desorientación entre granos más difícil el paso.

• 2. El desorden atómico en un borde de grano implica una discontinuidad en los planos de deslizamiento de un grano a otro.

Endurecimiento por Reducción del tamaño de Grano

• Para bordes de grano de gran ángulo las dislocaciones no atraviesan los bordes de grano durante la deformación si no que se acumulan en esa región.

• Esas aglomeraciones inducen concentración de tensiones en los planos de deslizamiento lo que genera nuevas dislocaciones en los granos adyacentes.

Endurecimiento por Reducción del tamaño de Grano

• Un material de grano fino es más duro y más resistente que otro con grano grande ya que el primero tiene un área de borde de grano mayor para dificultar el mov. de las dislocaciones.

• Para muchos materiales, la fluencia varía con el tamaño de grano según:

En esa expresión (ec. De Hall-Petch) d es el diámetro promedio de grano, σo y ky son constantes para el material en cuestión.

Endurecimiento por Reducción del Tamaño de Grano

• La ecuación de Hall-Petch no es válida para materiales de grano muy grueso ni muy fino.

• En la figura sgte se muestra la dependencia de la fluencia con el tamaño de grano para un latón.

• El tamaño de grano se puede controlar mediante la velocidad de solidificación y también por deformación plástica seguida de un tratamiento térmico

Endurecimiento por Reducción del Tamaño de Grano

Endurecimiento por reducción del tamaño de grano

• Los bordes de grano de ángulo bajo no son efectivos en interferir con el proceso de deslizamiento por el pequeño desacomodamiento al atravesar el borde de grano.

• Por otro lado, los bordes de macla sí son efectivos en ese sentido. También las interfaces impiden el movimiento de las dislocaciones, esto cobra importancia en aleaciones más complejas.

Endurecimiento por formación de una solución sólida

• Otra técnica para endurecer los materiales metálicos es el aleado con impurezas que formen soluciones sólidas intersticiales o substitucionales.

• Se denomina endurecimiento por formación de una solución sólida(“solid-solution strengthening”).

• Los metales de alta pureza son casi siempre más blandos y débiles que sus aleaciones. Al aumentar la concentración de la impureza se incrementan tanto la resistencia a la tracción como el límite de fluencia.

Resistencia a la tracción y endurecimiento por formación de solución sólida (Cu-Ni)

Límite elástico y endurecimiento por formación de solución sólida

Ductilidad y endurecimiento por formación de solución sólida


• Las aleaciones son más fuertes que los metales puros porque la presencia de los átomos de soluto origina deformaciones en la red del metal solvente.

• La interacción entre los campos de deformación de la red debidos a esos átomos y a las dislocaciones dificulta el movimiento de esos defectos.

• Si el átomo de soluto en posición sustitucional es más pequeño que el átomo de solvente se originan deformaciones de tracción a su alrededor.

• Si el átomo de soluto en posición sustitucional es más grande que el átomo de solvente se originan deformaciones de compresión a su alrededor.


• Estos átomos de soluto tienden a difundir y segregarse alrededor de las dislocaciones de manera de reducir la energía de deformación total.

• En ese sentido, un átomo de soluto pequeño tenderá a ubicarse cerca de una dislocación que minimice su deformación de tracción mediante una deformación compresiva.

• Un átomo de soluto grande, por el contrario, tenderá a ubicarse cerca de una dislocación que anule su deformación de compresión.


• La resistencia al deslizamiento es mayor cuando hay átomos de impureza pues su presencia obliga a una mayor deformación de la red para que la dislocación inicie su movimiento.

• El mismo tipo de interacción opera cuando la dislocación está en movimiento, por lo tanto, también será necesaria una mayor deformación global de la red para que la dislocación continúe su movimiento.

• En consecuencia, será necesaria una mayor tensión para iniciar y luego continuar la deformación plástica en aleaciones que sean soluciones sólidas.

Endurecimiento por deformación• El endurecimiento por deformación (“strain hardening”)

consiste en que un metal dúctil se vuelva más duro y fuerte cuando es deformado plásticamente.

• A veces se denomina endurecimiento por trabajo (“workhardening”) o trabajo en frío(“ cold working”). Muchos metales experimentan este fenómeno a temperatura ambiente.

• A veces es conveniente expresar el grado de deformación plástica como porcentaje de trabajo en frío: % CW.

Endurecimiento por deformación

• Ao y Ad son las áreas de la sección antes y después de la deformación.

• Las sgtes figuras muestran como se incrementa la resistencia a la tracción y el límite elástico en el acero, latón y cobre al aumentar el trabajo en frío.

• El precio por ese incremento es la ductilidad del metal como se ve en otra de las figuras.


Influencia del trabajo en frío sobre la curvatensión-deformación de un acero con bajo % de C


• El endurecimiento por deformación se comprobó en la unidad anterior.

• Cuando un metal con límite elástico σyo es deformado plásticamente hasta el punto D y luego se retira la carga para volver a aplicarla resulta un nuevo límite elástico σyf.

• El metal se ha vuelto más duro durante ese proceso pues σyf > σyo .


• Este fenómeno se explica en términos de la interacción entre los campos de deformación de distintas dislocaciones.

• Al someter un metal a trabajo en frío la densidad de dislocaciones aumenta por multiplicación o por creación de nuevas dislocaciones.

• En consecuencia, disminuye la distancia promedio entre las dislocaciones. En promedio la interacción dislocación-dislocación es repulsiva. El resultado es que se ve dificultado el movimiento de las dislocaciones.


• Cuando la densidad de dislocaciones crece aumenta también la resistencia a su movimiento.

• En consecuencia, la tensión necesaria para deformar un metal crece al aumentar el trabajo en frío.

• El endurecimiento por deformación se utiliza comercialmente para mejorar las propiedades mecánicas durante los procesos de fabricación. Sus efectos se pueden eliminar mediante un recocido.

Endurecimiento por Deformación

•• Curvas de tracciCurvas de traccióón n nominales(denominales(de ingenieringenieríía) a) vsvsCurvas de tracciCurvas de traccióón reales: n reales:

K y n son constantes que dependen del metal o aleación y de la historia térmica y mecánica del material. Suele denominarse a n como exponente de endurecimiento por deformación (< 1).

n es una medida de la capacidad del metal para endurecerse por deformación, a > n , > capacidad.

Mecanismos de endurecimiento deMecanismos de endurecimiento demateriales metmateriales metáálicoslicos

•• Hemos visto tres mecanismos para endurecer Hemos visto tres mecanismos para endurecer materiales metmateriales metáálicos de una sola fase: reduccilicos de una sola fase: reduccióón del n del tamatamañño de grano, endurecimiento por formacio de grano, endurecimiento por formacióón de una n de una solucisolucióón sn sóólida y por deformacilida y por deformacióón. n.

•• Naturalmente, pueden ser usados simultNaturalmente, pueden ser usados simultááneamente.neamente.

•• Los efectos de la deformaciLos efectos de la deformacióón y de la reduccin y de la reduccióón del n del tamatamañño de grano se pueden eliminar por tratamientos o de grano se pueden eliminar por tratamientos ttéérmicos.rmicos.

•• Los efectos de la formaciLos efectos de la formacióón de soluciones sn de soluciones sóólidas, en lidas, en cambio, no son afectados.cambio, no son afectados.

Recuperación, Recristalización y Crecimiento de grano

• Se ha visto que si un metal policristalino sufre una deformación plástica a temperaturas << Tfusión, suceden cambios en su microestructura y propiedades.

• Esos cambios incluyen modificaciones en la forma de los granos, en el endurecimiento por deformación y aumento en la densidad de dislocaciones.

• Una parte de la energía consumida para la deformación se almacena como energía de deformación que estáasociada a zonas de tracción, compresión y corte alrededor de las nuevas dislocaciones.

Recuperación, Recristalización y Crecimiento de grano

• También otras propiedades como la cond. eléctrica y la resistencia a la corrosión se pueden modificar por deformación plástica.

• Esas propiedades y microestructuras se pueden revertir mediante tratamientos térmicos o recocidos (“annealing”).

• Eso resulta de dos procesos diferentes que ocurren a temperaturas elevadas: Recuperación y Recristalizaciónque pueden ser seguidas por el Crecimiento de grano.

RecuperaciRecuperacióónn

•• Durante este proceso una parte de la energDurante este proceso una parte de la energíía interna de a interna de deformacideformacióón almacenada se libera por el movimiento de n almacenada se libera por el movimiento de las dislocaciones (sin aplicacilas dislocaciones (sin aplicacióón de tensin de tensióón externa) por n externa) por el aumento de la velocidad de difusiel aumento de la velocidad de difusióón de los n de los áátomos a tomos a una temperatura mayor.una temperatura mayor.

•• Hay una reducciHay una reduccióón en el nn en el núúmero de las dislocaciones y mero de las dislocaciones y se generan distribuciones de dislocaciones con menor se generan distribuciones de dislocaciones con menor energenergíía de deformacia de deformacióón.n.

•• AdemAdemáás, otras propiedades fs, otras propiedades fíísicas como las sicas como las conductividades elconductividades elééctricas y tctricas y téérmicas vuelven a los rmicas vuelven a los valores que tenvalores que teníían antes del trabajo en fran antes del trabajo en fríío. o.

RecristalizaciRecristalizacióónn

•• AAúún cuando haya terminado la recuperacin cuando haya terminado la recuperacióón, los granos n, los granos permanecen en un estado de relativamente alta energpermanecen en un estado de relativamente alta energíía a de deformacide deformacióón.n.

•• La La RecristalizaciRecristalizacióónn es la formacies la formacióón de un nuevo conjunto n de un nuevo conjunto de granos libres de deformacide granos libres de deformacióón y n y equiaxiadosequiaxiados con baja con baja densidad de dislocaciones y caracterdensidad de dislocaciones y caracteríísticos del estado sticos del estado previo al trabajo en frprevio al trabajo en fríío.o.

•• La fuerza impulsora para producir esa nueva estructura La fuerza impulsora para producir esa nueva estructura de granos es la diferencia en energde granos es la diferencia en energíía interna entre el a interna entre el material deformado y el no deformado.material deformado y el no deformado.


•• Los nuevos granos se forman como nLos nuevos granos se forman como núúcleos muy cleos muy pequepequeñños y crecen hasta consumir el material vecino, os y crecen hasta consumir el material vecino, este proceso implica difusieste proceso implica difusióón de corta distancia.n de corta distancia.

•• En las figuras En las figuras sgtessgtes se representan varias etapas de se representan varias etapas de este proceso.este proceso.

•• Durante este proceso tambiDurante este proceso tambiéén se restauran las n se restauran las propiedades mecpropiedades mecáánicas que cambiaron por el trabajo en nicas que cambiaron por el trabajo en frfríío. o.

•• Los efectos de este proceso dependen de t y T.Los efectos de este proceso dependen de t y T.


•• La influencia de la temperatura se muestra en la siguiente La influencia de la temperatura se muestra en la siguiente figura donde se grafica la resistencia a la traccifigura donde se grafica la resistencia a la traccióón y n y ductilidad (a ductilidad (a TTambamb) de un lat) de un latóón n vsvs T tratamiento tT tratamiento téérmico rmico para un tiempo de tratamiento de 1 hora. para un tiempo de tratamiento de 1 hora.

•• Se representan tambiSe representan tambiéén las estructuras de granos n las estructuras de granos encontradas en las distintas etapas del proceso.encontradas en las distintas etapas del proceso.

•• El comportamiento de un material metEl comportamiento de un material metáálico en la lico en la recristalizacirecristalizacióónn se describe en tse describe en téérminos de la T de rminos de la T de recristalizacirecristalizacióónn (temperatura a la cual se completa la (temperatura a la cual se completa la recristalizacirecristalizacióónn en 1 h). Para el laten 1 h). Para el latóón de la n de la fig.fig. es 450 es 450 ººCC..


•• TTíípicamente 1/3 picamente 1/3 TTff < < TTrecristrecrist < < ½½ TTff, pero adem, pero ademáás s depende de la magnitud del trabajo en frdepende de la magnitud del trabajo en fríío y de la o y de la pureza del material metpureza del material metáálico. A > trabajo en frlico. A > trabajo en fríío > o > velocidad de velocidad de recristalizacirecristalizacióónn y entonces < y entonces < TTrecristrecrist que se que se aproxima a un laproxima a un líímite para valores elevados del trabajo mite para valores elevados del trabajo en fren fríío, como se ve en la o, como se ve en la sgtesgte figura.figura.

•• Esa temperatura mEsa temperatura míínima de nima de recristalizacirecristalizacióónn es la que es la que aparece en la bibliografaparece en la bibliografíía.a.

•• Hay una cierta cantidad de trabajo en frHay una cierta cantidad de trabajo en fríío por debajo de o por debajo de la cual no ocurre la la cual no ocurre la recristalizacirecristalizacióónn, normalmente est, normalmente estááentre 2 y 20 %.entre 2 y 20 %.


•• Este proceso transcurre con mayor velocidad en metales Este proceso transcurre con mayor velocidad en metales puros que en las aleaciones. Durante la puros que en las aleaciones. Durante la recristalizacirecristalizacióónn el el movimiento de los bordes de grano ocurre cuando se movimiento de los bordes de grano ocurre cuando se forma un nuevo nforma un nuevo núúcleo que luego crece.cleo que luego crece.

•• Se cree que los Se cree que los áátomos de las impurezas se segregan de tomos de las impurezas se segregan de manera preferencial e interactmanera preferencial e interactúúan con esos bordes de an con esos bordes de grano grano recristalizadosrecristalizados de manera de disminuir sus de manera de disminuir sus movilidades.movilidades.

•• Esto resulta en un decrecimiento de la velocidad de Esto resulta en un decrecimiento de la velocidad de recristalizacirecristalizacióónn y eleva la y eleva la TTrecristrecrist. Para metales puros . Para metales puros TTrecristrecrist

= 0,3 = 0,3 TTff, para algunas aleaciones , para algunas aleaciones TTrecristrecrist = 0,7 = 0,7 TTff..


•• Las operaciones de deformaciLas operaciones de deformacióón pln pláástica se llevan a stica se llevan a cabo a T > cabo a T > TTrecristrecrist en un proceso llamado trabajo en en un proceso llamado trabajo en caliente (caliente (““hot hot workingworking””).).

•• AsAsíí el material permanece relativamente blando y del material permanece relativamente blando y dúúctil ctil durante la deformacidurante la deformacióón pues no se endurece por n pues no se endurece por deformacideformacióón y resultan posibles grandes deformaciones.n y resultan posibles grandes deformaciones.

Crecimiento de granoCrecimiento de grano

•• DespuDespuéés de que la s de que la recristalizacirecristalizacióónn estestéé completa, los completa, los granos libres de tensigranos libres de tensióón continuarn continuaráán creciendo si la n creciendo si la muestra se deja a T elevada. Este proceso es llamado muestra se deja a T elevada. Este proceso es llamado Crecimiento de Grano.Crecimiento de Grano.

•• El Crecimiento de Grano no necesita estar precedido por El Crecimiento de Grano no necesita estar precedido por recuperacirecuperacióón y n y recristalizacirecristalizacióónn..

•• La fuerza impulsora para este fenLa fuerza impulsora para este fenóómeno es la meno es la disminucidisminucióón de la energn de la energíía de superficie de los granos, si a de superficie de los granos, si los granos crecen hay menor superficie y, por ende, los granos crecen hay menor superficie y, por ende, menor energmenor energíía. a.

Crecimiento de GranoCrecimiento de Grano

•• El crecimiento de bordes de grano ocurre por la El crecimiento de bordes de grano ocurre por la migracimigracióón de bordes de grano. Algunos granos crecen a n de bordes de grano. Algunos granos crecen a expensas de otros. expensas de otros.

•• En consecuencia, crece el tamaEn consecuencia, crece el tamañño promedio de los o promedio de los granos. El movimiento de los bordes de grano consiste granos. El movimiento de los bordes de grano consiste en la difusien la difusióón de corto alcance de los n de corto alcance de los áátomos de un lado tomos de un lado del borde al otro. del borde al otro.

•• El sentido de movimiento de unos y del otro es opuestaEl sentido de movimiento de unos y del otro es opuesta

como se ve en la figura.como se ve en la figura.


•• Para muchos materiales policristalinos el diPara muchos materiales policristalinos el diáámetro de metro de grano vargrano varíía con el tiempo sega con el tiempo segúún: n:

ddo o = di= diáámetro para t = 0, K y n son constantes metro para t = 0, K y n son constantes independientes del tiempo, n independientes del tiempo, n ≥≥ 2.2.

En la figura que sigue se muestra la dependencia del En la figura que sigue se muestra la dependencia del tamatamañño de grano con t y T para un lato de grano con t y T para un latóón. n.


•• Las propiedades mecLas propiedades mecáánicas a nicas a TTambamb de un metal con de un metal con granos pequegranos pequeñños son usualmente superiores a las de os son usualmente superiores a las de uno con granos mayores. uno con granos mayores.

•• Si la estructura de granos de un material metSi la estructura de granos de un material metáálico es de lico es de grano mgrano máás grande que lo conveniente se puede s grande que lo conveniente se puede modificar por deformacimodificar por deformacióón pln pláástica y luego por stica y luego por recristalizacirecristalizacióónn como se ha descripto. como se ha descripto.

7 Dislocaciones y Mecanismos de Endurecimiento en Los Materiales Metalicos

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