Mecanismo De Endurecimiento

Metalografía y Tratamientos Térmicos

VII

-1-

VII. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO
Es innegable que la estructura es un factor primordial para definir el comportamiento mecánico de los sólidos. Este parámetro depende de la composición química y los procesamientos térmicos y mecánicos posteriores, entre los que se incluyen fundición, sinterización, trabajado en caliente, y tratamientostérmicos. Estas etapas de la producción afectan las propiedades mecánicas debido a su efecto en el tamaño de grano, gradientes de concentración, inclusiones, huecos, fases metaestables, fases dispersas y otros tipos de imperfecciones cristalinas.

VII.1. Afinamiento del grano
El endurecimiento por afino del grano (también denominado “de Hall-Petch”) es consecuencia de que los bordes de grano actúancomo una barrera infranqueable para el movimiento de las dislocaciones, y que el número de dislocaciones dentro de un grano, afecta a cómo éstas pueden trasmitir su efecto a granos vecinos a través de los bordes. El tamaño de grano de un material depende del tratamiento térmico posterior a la deformación plástica, o bien de la velocidad de solidificación. El borde de grano actúa como punto defijación, impidiendo la propagación de las dislocaciones. Por un lado, la estructura reticular de los granos adyacentes difiere en la orientación, por lo que se requeriría más energía para cambiar de dirección de deslizamiento. Además, el límite de grano es una región desordenada con campos de tensión muy elevados. Cuando varias dislocaciones que se mueven en el sentido indicado en la Fig. VII.1 porefecto de un esfuerzo aplicado, se encuentran con esos campos elásticos y se detienen cada vez a mayor distancia provocando un apilamiento de las mismas. Esto aumenta la tensión interna acumulada y obstaculiza el inicio de la plasticidad, aumentando la resistencia a la fluencia del material.

Fig. VII.1: Apilamiento de dislocaciones en un borde de grano

La relación entre el tamaño de grano y latensión de fluencia, está dada por la ecuación de Hall-Petch

Fig. VII.2: Influencia del tamaño de grano en el endurecimiento

donde σy es la tensión de fluencia, σo es una constante del material relacionada con la tensión necesaria para iniciar el movimiento de las dislocaciones (o resistencia de la red cristalina al movimiento), ky es el coeficiente de endurecimiento (constante para cadamaterial), y d es el diámetro promedio de los granos. No existen materiales infinitamente fuertes; este modo de endurecimiento tiene un límite. Los granos pueden variar aproximadamente entre 100 µm (granos grandes) y 1 µm (granos pequeños). Por debajo de este valor, el tamaño de las dislocaciones se aproxima al del grano; en uno de 10 nm sólo puede contenerse una o dos dislocaciones, evitándose elapilamiento. En este caso, como se observa en la Fig. VII.2, la tensión aplicada induce al deslizamiento de los bordes, resultando en una disminución de la resistencia del material.

Metalografía y Tratamientos Térmicos

VII

-2-

VII.2. Deformación en frío y recocido
En la laminación, estirado y otros procesos de deformación en frío, aproximadamente el 90% de la energía aplicada sedisipa como calor. El resto se almacena en la red cristalina aumentando así la energía interna entre 0,01 a 1,0 calorías/gramo, según el punto de fusión o el contenido de aleación en el material. La energía almacenada aumenta con la cantidad de deformación aplicada hasta alcanzar un valor de saturación, y es mayor cuando la temperatura de deformación es menor. Parte de este almacenamiento puedeatribuirse a la formación de vacancias y parte a energía de maclado y de fallas de apilamiento, pero en su mayoría se debe a la generación e interacción de las dislocaciones. Su densidad aumenta de 106 a 1012 dislocaciones por centímetro cuadrado al pasar de un material totalmente recocido a uno severamente endurecido. Por lo general, la dureza y el límite elástico aumentan con la deformación en frío....