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Bucaramanga, Diciembre 2008

Tamaño de Grano Restringir el movimiento de las Restringir el movimiento de las dislocaciones hace a los metales más dislocaciones hace a los metales más resistentesresistentes

Endurecimiento de los MetalesEndurecimiento de los Metales

Esfuerzo - Deformación

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Efecto de varios elementos de aleación en el endurecimiento por solución Efecto de varios elementos de aleación en el endurecimiento por solución sólida del Cusólida del Cu

Solidificación de Materiales Solidificación de Materiales PolicristalinosPolicristalinos

Crecimiento del grano

Solidificación de Materiales Solidificación de Materiales PolicristalinosPolicristalinos

(a) Nucleación de cristales en sitios al azar en el metal fundido. Notar que la orientación cristalográfica de cada sitio es diferente.

(b)y(c) crecimiento de los cristales a la medida que progresa la solidificación-

(d) metal solidificado, mostrando granos individuales y límites de grano. Notar los ángulos diferentes en relación con los granos vecinos : W. Rosenhain.

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Observación del Tamaño de Grano Observación del Tamaño de Grano

Límites de grano revelados por microscopía óptica

ASTM ( American Society for Testing and Materials

n = Número ASTM

N = 2n-1

N = # de granos / in2

46 granos + 22 en la circunferencia= 46 + 22/2 = 57 granos

N = 57/pr2 = 57/p(3.5/2)2 = 6 granos/in2

6.3n26 1n

TABLE 1.1ASTM No. Grains/mm2 Grains/mm 3

–3–2–10123456789101112

1248

163264128256512

1,0242,0484,0968,200

16,40032,800

0.72

5.61645128360

1,0202,9008,20023,00065,000

185,000520,000

1,500,0004,200,000 CONTORNO O LÍMITE DE GRANO: Es el espaciamiento , frontera o límite

entre diferentes orientaciones cristalinas en el metal.(Límite entre dos granos)

Cada “Cristal” o “grano” tienela misma red cristalina sinembargo cada grano estadesorientado aleatoriamentecon respecto a sus vecinos

Límite de GranoLímite de Grano

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Límites de granoEl límite de grano esta formado cuando una serie de dislocaciones de borde se alinean a intervalos regulares.En el límite hay una mayor energía que en la mayor parte del cristal . La alta energía resulta de la deformación que las dislocaciones producen el el cristal.

Límite de GranoLímite de Grano

Imagen de un límite de grano del Aluminio en un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

Representación de un límite de granoformado por dislocaciones de borde

Los límites de grano pueden ser considerados como una serie de dislocaciones de borde

Angulo pequeñoAngulo pequeño

Angulo grandeAngulo grande

Límite de GranoLímite de Grano

Los límites de grano de ángulo pequeño no son muy eficaces en el bloqueo de dislocaciones.

Conocidos como sub-granos, pueden moverse bajo la acción de esfuerzos aplicados

Los límites de grano grande bloquean eldeslizamiento e incrementan la resistencia delmaterial. Alta energía de límite de grano

Los límites de grano pueden ser considerados dependiendo de su ángulo (θ)de desorientación como límite de grano de ángulo pequeño o ángulo grande

Modelo de un arreglo bidimensiónal de granos, los círculos negros representan átomos asociados al interior del grano y los blancos al límite de grano

Si la desorientación es importante, solo permanecen en la interfaz los átomos donde la posición es común a la red de los dos cristales

Límite de GranoLímite de Grano

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Las dislocaciones sólo pueden moverse a lo largo de planoscristalográficos específicos, los planos de deslizamiento, en la red cristalinay requieren sólo una pequeña fuerza, la fuerza de Peierls, para comenzar amoverse. Una vez en movimiento, continúan avanzando sobre los planosde deslizamiento hasta alcanzar la superficie externa del cristal (o un bordede grano) o bien hasta encontrar algún otro obstáculo, generandodeformación plástica en la probeta.

Apilamiento de Dislocaciones (Pile-upModels)La idea básica es que las dislocacionesse agrupan en un apilamiento contra unlímite de grano, de modo causar unaconcentración de la tensión. Cuando laconcentración de la tensión iguala unatensión crítica para activar las nuevasfuentes de la dislocación la deformaciónse inicia en el grano siguiente.

( Hall 1951; Petch 1953)

σ0 = la tensión de fricción de la red, y es la tensión de fluencia para el límite d→∞

ky = la pendiente de la recta y es conocida como parámetro de anclaje de las dislocaciones, que representa el aporte de endurecimiento relativo debido a los bordes de grano.

TAMAÑO DE GRANOTAMAÑO DE GRANO

Aceros HSLAAceros HSLAComposición típica Composición típica -- 0.05 a 0.25% C, 1 a 2 % Mn0.05 a 0.25% C, 1 a 2 % Mn-- pequeñas cantidades Cu, Ni, V, Ti, pequeñas cantidades Cu, Ni, V, Ti, Nb, Mo, N, Zr Nb, Mo, N, Zr

para endurecimiento por para endurecimiento por precipitación y refinamiento de precipitación y refinamiento de tamaño de granotamaño de grano

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ENDURECIMIENTO POR REFINAMIENTO DE GRANO

• CONTORNO O LÍMITES DE GRANO: Son los que caracterizan las fronteras o límites entre diferentes orientaciones cristalinas en el metal.(Límite entre dos granos) En los contornos de grano ocurre también en efecto de tensión superficial que produce:

• Posibilidades de movimiento de los contornos a altas temperaturas, generando juntamente con la difusión en fenómeno de crecimiento de grano.

• Aumento en la resistencia mecánica; metales con mayor número des granos (grano fino) y por consiguiente de límites de grano poseen mayor resistencia mecánica que uno con un tamaño de grano grueso.

Interacción entre los campos de la tensión alrededor de los átomos del soluto y los campos de la tensión alrededor de dislocaciones.

Los solutos sustitucionales generalmente deforman la red produciendo un campo deesfuerzos hidrostático alrededor del Soluto y son atraídos a los campos de esfuerzosasociados a las dislocaciones para reducir la energía de deformación elástica del sistema,dando lugar a una energía de unión o atracción.Las fuerzas atractivas y repulsivas tanto de los solutos y como de las dislocacionesinhibirán el movimiento de dislocaciones, ocasionando el endurecimiento del metal

Estado de esfuerzos alrededor de una dislocaciónEstado de esfuerzos alrededor de una dislocación

Campo de esfuerzos asociado al tipo de dislocación

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Sin embargo esta situación está demasiado idealizada y por tanto es poco real, ya que aunque garanticemos las condiciones necesarias para que las disposiciones atómicas de los planos interfaciales sean idénticas, las distancias interatómicas no van a serlo. A pesar de todo si la diferencia entre la distancias interatómicas no es muy grande se puede mantener la coherencia de la intercara permitiendo que las redes se deformen ligeramente. Estas tensiones y deformaciones que aparecen para mantener el grado de coherencia de la intercara se denominan TENSIONES o DEFORMACIONES DE COHERENCIA.

Las intercaras descritas están libres de tensiones puesto que al ser idénticos los planos interfaciales no debe haber ningún desajuste.

Intercaras CoherentesIntercaras Coherentes

la energía elástica asociada a las deformaciones de coherencia es demasiado grande por lo que resulta más favorable desde el punto de vista energético, la formación de dislocaciones que acomoden el alto grado de desajuste. A través de este mecanismo de relajación de la red se consigueajuste casi perfecto entre las dos redes salvo en el entorno próximo de la dislocación.

Intercaras semicoherentesIntercaras semicoherentes

Si el desajuste entre los parámetros de red que describíamos en las intercaras coherentes crece por encima de un cierto valor, o si el área de la intercara es muy grande

En este caso nos encontramos bien con estructuras atómicas de los planos interfaciales completamente distintas, o con diferencias en las distancias interatómicas tan grandes que no hay posibilidad alguna de relajación de las redes. Este tipo de intercaras incluirían las fronteras de grano de ángulo alto. Se caracterizan por una elevada energía interfacial (500-1000mJ/m 2 ), consecuencia del alto grado de desorden presente en la intercara.

Intercaras incoherentesIntercaras incoherentes