Procesos de manufactura Estructura de los materiales metálicos

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Influencia de los granos

Un grano se define como un conjunto de cristales orientados al azar, por su naturaleza. Los

metales se forman de muchos cristales o policristales.

Recuerde que nucleación es la etapa en el proceso de solidificación de un metal en la que se

forman pequeños núcleos estables dentro del líquido aun del metal (Figura 1A). Y la velocidad de

nucleación es la cantidad de cristales que se forman por unidad de tiempo.

Por otro lado el crecimiento es la etapa del proceso (Figura 1D) de solidificación donde los átomos

del líquido se unen al sólido formando las grandes estructuras cristalinas.

Por lo que el número y tamaño del grano depende de la velocidad de nucleación. Si la velocidad de

nucleación es alta, el número de granos en una unidad de volumen del metal será grande y por lo

tanto el tamaño de grano será pequeño. De forma contraria, si la velocidad de crecimiento de los

cristales es elevada en comparación a la velocidad de nucleación, habrá menos granos por unidad

volumen y el tamaño de grano será mayor. Por lo general cuando el enfriamiento es rápido

produce granos más pequeños, mientras que el lento enfriamiento genera granos más grandes.

Con base a lo anterior se dice que conforme se reduce el tamaño del grano se incrementan la

resistencia y la ductilidad. De forma opuesta el tamaño grande de grano se asocia con resistencia,

dureza y ductilidad bajas.

Los límites de grano tienen una influencia importante sobre la resistencia y ductilidad de los metales, y

como interfieren con el movimiento de las dislocaciones, también influye el endurecimiento por

deformación. Estos defectos dependen de la temperatura, velocidad de deformación, tipo y cantidad

de impurezas presentes a lo largo de los límites de grano.

(A) (B) (C) (D)

Figura 1. Etapas de la solidificación de un metal, (A) nucleación de cristales, (B) cambio en la orientación cristalografía,

(C) crecimiento de los cristales mientras se solidifica y (D) metal solidificado con granos y límites de grano

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Endurecimiento por trabajo en frio o endurecimiento por deformación

Como se trató en clase la presencia de ciertos defectos, dislocaciones en la estructura de los

materiales solidos metálicos reduce el esfuerzo cortante requerido para provocar un

deslizamiento, dichas dislocaciones pueden provocarse al trabarse o obstruirse una con otra y

verse impedidas por barreras como límites de grano e impurezas e inclusiones en el material.

Se dice que el aumento del número de obstrucciones se da por la deformación que se le ha dado al

material durante un procesamiento o trabajo, esto por lo tanto aumenta el esfuerzo cortante,

incrementa la resistencia y la dureza del metal.

En los procesos de manufactura o el procesamiento de un metal en frio o temperatura ambiente

es ampliamente utilizado, porque este método imprime principalmente ese atributo de dureza al

metal. Esto se debe a la forma como se ha descrito anteriormente, a la obstrucción de las

dislocaciones con los límites de grano.

Entonces el aumento de resistencia es mayor para metales con grano más pequeño porque tienen

un área superficial mayor por unidad de volumen del metal y ahí mayor obstrucción de las

dislocaciones.

El mecanismo de endurecimiento por trabajo en frio aumenta la resistencia del material, pero

disminuye su ductilidad; mecanismo causa un comportamiento anisotrópico.

Calentamiento de un metal

Se presentan tres fenómenos durante el calentamiento un material metálico.

La primera etapa se le llama recuperación que ocurre a cierto rango de temperatura debajo de la

temperatura de recristalización del metal; sucede lo siguiente, se relevan los esfuerzos en las regiones

altamente deformadas, sin cambios en las propiedades mecánicas como la resistencia y ductilidad.

La segunda etapa llamada recristalización donde se forman granos equiaxiales y libres de esfuerzos, se

reemplazan los granos anteriores. La temperatura de recristalización se define como la temperatura a

la que ocurre la recristalización completa total dentro de aproximadamente una hora. La temperatura

de recristalización varía ente 0.3 y 0.5 la temperatura de fusión (Tm) del metal.

La recristalización disminuye la densidad de dislocaciones, reduce la resistencia y eleva la ductilidad.

Además la recristalización depende del grano de trabajo en frio previo, la razón es que este trabajo en

frio el número de dislocación y cantidad de energía almacenada también aumenta, entonces de alguna

forma esta energía proporciona algo de trabajo requerido para la recristalización.

La tercer etapa llamada crecimiento de grano y se da al ir aumentar más la temperatura del

metal, este fenómeno se le llama crecimiento de grano y afecta las propiedades mecánicas del

metal, baja resistencia mecánica y dureza.

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Figura 2. Etapas en el calentamiento de un metal