Expo Materiales

5/26/2018 Expo Materiales

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ESCUELA SUPERIOR

POLITCNICA DE CHIMBORAZOESCUELA DE INGENIERA MECNICA

ENDURECIMIENTO DE METALES YALEACIONES

2013

Caizares CristhianMaln FelipeNoguera AdrianaVsconez Fernando


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Endurecimiento de metales y aleaciones

Es innegable que la estructura es un factor primordial para definir elcomportamiento mecnico de los slidos. Este parmetro depende de lacomposicin qumica y los procesamientos trmicos y mecnicos posteriores,entre los que se incluyen fundicin, sinterizacin, trabajado en caliente, y

tratamientos trmicos.

Estas etapas de la produccin afectan las propiedades mecnicas debido a suefecto en el tamao de grano, gradientes de concentracin, inclusiones, huecos,fases metaestables, fases dispersas y otros tipos de imperfecciones cristalinas.


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La dureza y la resistencia son propiedades contrarias a la plasticidad.

La capacidad de un material para deformarse plsticamente depende de lacapacidad de las dislocaciones para moverse

Por lo tanto, la restriccin y el impedimento del movimiento de lasdislocaciones convierte al material en uno ms duro y resistente.

Los procedimientos para incrementar la resistencia de los materiales sebasan en este principio: dificultar el movimiento de las dislocaciones.


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Los mecanismos para incrementar la resistencia a la fluencia de losmateriales metlicos son los siguientes:

a. Endurecimiento por tamao de grano

b. Endurecimiento por deformacin (Acritud)

c. Por adicin de pequeas cantidades de elementos de aleacin

d. Por formacin de pequeas partculas de segundas fases (precipitados)


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ENDURECIMIENTO POR TAMAO DE GRANO

El tamao, o el dimetro medio, de los granos de un metal policristalino afecta alas propiedades mecnicas.

Durante la deformacin plstica, el deslizamiento o movimiento de lasdislocaciones debe ocurrir a travs de ese lmite de grano comn que acta como

barrera al movimiento de las dislocaciones por dos razones:


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1, Puesto que los dos granos tienen orientaciones distintas, una dislocacinque pasara al grano B tendra que cambiar la direccin de su movimiento; estose hace ms difcil a medida que aumenta la diferencia en orientacin.

2. El desorden atmico dentro del limita de grano producir una discontinuidadde los planos de deslizamiento de un grano a otro.


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Un material con grano fino es ms duro y resistente que uno que tiene granosgruesos, puesto que el primero tiene un rea total de lmite de grano mayor paraimpedir el movimiento de las dislocaciones. En muchos materiales el lmite

elstico vara con el tamao de grano segn la siguiente relacin:

= 0 + . 1 2 Ec. Hall Petch

Donde es la tensin de fluencia,0es una constante del material relacionadacon la tensin necesaria para iniciar el movimiento de las dislocaciones (oresistencia de la red cristalina al movimiento), es el coeficiente deendurecimiento (constante para cada material), y es el dimetro promedio delos granos.


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HallPetch constants

Material o[MPa] k [MPa m1/2]

Copper 25 0.11Titanium 80 0.40

Mild steel 70 0.74Ni3Al 300 1.70


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No existen materiales infinitamente fuertes; este mtodo de endurecimiento tieneun lmite. Los granos pueden variar aproximadamente entre 100 m y 1 m. Pordebajo de este valor, el tamao de las dislocaciones se aproxima al del grano; enuno de 10 nm slo puede contenerse una o dos dislocaciones, evitndose elapilamiento.

En este caso la tensin aplicada induce al deslizamiento de los bordes, resultandoen una disminucin de la resistencia del material.


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La relacin de Hall-Petch se encontr experimentalmente que es un modelo eficaz delos materiales con tamaos de grano que van desde 1 milmetro a 1 micrmetro. En

consecuencia, se cree que si el tamao medio de grano se podra reducir an ms aescala de nanmetros de longitud la resistencia a la fluencia aumentara tambin.

Sin embargo, los experimentos con materiales nanocristalinos demostr que si elgrano alcanz un tamao lo suficientemente pequeo, el tamao de grano crtico

que suele ser inferior a 100 nm, el lmite elstico o bien se mantienen constante odisminuye con la disminucin del tamao de grano. Este fenmeno se hadenominado la reversa o inversa Hall-Petch.

Los lmites de grano de ngulo pequeo, no son efectivos para interferir en elproceso de deslizamiento debido al pequeo desalineamiento cristalogrficoa travsdel lmite de grano.


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El tamao del grano puede ser regulado mediante la velocidad de solidificacindela fase liquida, y tambin por deformacin plstica seguida por un tratamientotrmico apropiado.

Algunas veces se introducen intencionalmente partculas de impurezas en ellquido. Esta prctica se conoce como refinacin de grano o inoculacin, por

ejemplo: se agrega una combinacin de 0,03% de titanio y 0,01% de boro a muchasaleaciones liquidas de aluminio.

Por otro lado, los lmites de macla bloquean de forma efectiva el deslizamiento y

aumentan la resistencia del material. Los lmites entre dos diferentes fases sontambin impedimentos al movimiento de las dislocaciones.


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Typical inoculants for various casting alloys

Metal InoculantCast iron FeSi, SiCa, graphite

Mg alloys Zr, C

Cu alloys Fe, Co, ZrAlSi alloys P, Ti, BPb alloys As, Te

Zn alloys Ti

Se forman pequeas partculas de 3 o de 2 que sirven como sitios para lanucleacin heterognea. La refinacin de grano o inoculacin produce gran nmero degranos, cada uno de los cuales empieza a crecer a partir de un ncleo. En los metales,en cuanto mayor sea el rea superficial de los bordes de grano, mayor ser el

endurecimiento por tamao de grano.


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n urec m en o por

deformacinEl endurecimiento pordeformacin plstica enfro es el fenmeno por

medio del cual un metaldctil se vuelve msduro y resistente amedida es deformadoplsticamente


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Generalmente a este fenmeno tambin se le llama trabajo en fro,debido a que la deformacin se da a una temperatura "fra" relativa ala temperatura de fusin absoluta del metal.


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2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones sedesplazan causando la deformacin plstica.


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El fenmeno de endurecimiento por deformacin se explica as:

1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina.


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3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en nmero.


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4. Al haber ms dislocaciones en la estructura delmetal, se estorban entre s, volviendo ms difcil su

movimiento.5. Al ser ms difcil que las dislocaciones se muevan,se requiere de una fuerza mayor para mantenerlasen movimiento. Se dice entonces que el material se

ha endurecido.


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Sabemos que la difusin se activa a una temperatura mayor que 0.4veces la temperatura de fusin del material en grados absolutos,por lo tanto se tendr lo siguiente:

Trabajo en fro.

-Existe endurecimiento por deformacin.-Se crean dislocaciones y stas quedan en el material.-El material endurece


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La restauracin de las propiedades a los valores previos a ladeformacin se logra a partir de dos procesos diferentes que ocurren a

temperatura elevada:

La recuperacin y recristalizacin.

El crecimiento del grano.


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Cuando ha pasado por unproceso de deformacin en

frio notamos que tiene unincremento en la resistenciadel material pero disminuyesu ductilidad


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La variacin de cambio se mide en funcin del porcentaje de trabajoen frio, el cual se mide de la siguiente manera:


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Ejemplo 1) Una placa de cobre de 1 cm de grosor dereduce en fro a 0.50 cm y despus se reduce ms a

0.16 cm . Determine el porcentaje total de trabajo enfro y la resistencia a la tensin de placa de 0.16 cm

%TF= [( to - tf )/ to] = [ (1cm - 0.16 cm )/ 1 cm ] x 100 = 84 %


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Ejemplo 2) Disee un proceso de fabricacin paraproducir una placa de cobre de 0.1 cm de grosor que

tenga al menos u a resistencia a la tensin de 65 000psi , una resistencia a la fluencia de 60 000 psi y 5%de elongacin


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Ejemplo 3) Disee un proceso para producir alambrede cobre de 0.20 pulg de dimetro. Las propiedades

mecnicas del cobre como se muestran en la figura


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ENDURECIMIENTO POR ADICION DE PEQUEASCANTIDADES DE ELEMENTOS DE ALEACION

Es la restriccin e impedimento del movimiento de las dislocacionesconvierte al material en ms duro y resistente, ya sea: Introduciendo una elevada deformacin en la red cristalina

Fijando las dislocaciones.

Dos factores que afectan a este tipo de endurecimiento: El factor de tamao relativo

El orden a corto alcance

Dos tipos de soluciones slidas(slido que consta de dos o ms elementosque estn dispersos atmicamente y forman una estructura de una solafase): Sustitucionales

Intersticiales.

Factibilidad de este mtodo: Debe haber gran diferencia entre el tamao de los tomos del soluto y el

solvente.

A mayor cantidad de soluto, mayor resistencia


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Efecto de algunos elementoscon aleacin sobre el esfuerzo

del cobre. Los tomos denquel y zinc tienenaproximadamente el mismotamao que los tomos decobre, pero el berilio y estaotienen tamaos muydiferentes a los del cobre.

Aumentando as la diferenciaen tamao atmico y se

incrementa el endurecimientopor solucin slida.


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Los pasos para la produccin de un compuesto plata-wolframio son:

1. Se comprime el polvo de wolframio.2. Se produce un compacto de baja densidad.

3. El polvo de wolframio queda sinterizado.

4. La plata lquida es infiltrada entre los poros entre las

partculas.


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Microestructura de una aleacin de fundicin de aluminio reforzado conpartculas de carburo de silicio.

Algunos tipos de aleaciones son:Aceros al nquel

Aceros al nquel y Cromo

Aceros al manganeso

Aceros al cromoAceros al molibdeno

Aceros al tungsteno

Aceros al vanadio


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Aceros Inoxidables: Martensticos: 11.5 y 18% de cromoFerrticos: 14 a 17% slo cromo.Austenticos: Son aceros al Cromo-Nquel

Aleaciones con cobre Latones: Son aleaciones de cobre y zincBronces: aleacin de cobre, menos las de cobre-zinc.

Cupronqueles: aleaciones de cobre y hasta 30% de nquel.Platas nquel: aleaciones ternarias de cobre, nquel y zinc.

Aleaciones al aluminio: Aluminio CobreAluminio Manganeso

Aluminio SilicioAluminio MagnesioAluminio silicio MagnesioAluminio Zinc

Aleaciones de MagnesioAleaciones de NquelAleaciones de Plomo

Aleaciones al TitanioAleaciones al Zinc

Un ejemplo de endurecimiento por solucin slida lo constituyen los latones, resultado de la aleacin de Cucon Zn, de tal manera que mientras que la resistencia del cobre puro a traccin es del orden de 250 MPa, laresistencia a traccin de la aleacin 70%Cu y 30% Zn es del orden de 430MPa.


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Endurecimiento por envejecimiento.

El endurecimiento por envejecimiento (tambin conocido comoendurecimiento por precipitado o formacin de pequeaspartculas de segundas fases ) precipitacin se basa en loscambios de la solubilidad de slido con la temperatura paraproducir partculas finas de una impureza de fase, que impiden elmovimiento de dislocaciones o defectos a travs de la estructuracristalina.


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Requisitos fundamentales para que una aleacin presenteendurecimiento por envejecimiento sean los siguientes:

Que la aleacin presente solubilidad creciente de un soluto o de unasegunda fase a medida que la temperatura aumenta.

Que la aleacin presente solubilidad creciente de un soluto o de unasegunda fase a medida que la temperatura aumenta.

Etapas del tratamiento:

Recocido por disolucin. Templado para formar una solucin sobresaturada. Envejecimiento.


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Segn la temperatura a la que se de el envejecimiento, tenemos:

Envejecimiento natural. Este envejecimiento se da atemperatura ambiente. El envejecimiento natural consigue elaumento suave de las caractersticas resistentes tendiendo aun valor asinttico para tiempos grandes.


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Envejecimiento artificial. Este proceso se da a temperatura superior ala ambiente.

Puede observarse cualitativamente la misma respuesta que enel envejecimiento natural. Sin embargo, hay que anotarcuantitativamente, las siguientes peculiaridades:1. Se alcanzan incrementos de caractersticas mecnicas ms

elevados, del orden del 75 al 150%.

2. Los valores mximos se alcanzan en tiempos mucho mscortos.

3. Despus de alcanzadas las durezas mximas, stas sufrenuna disminucin.

4. La caracterizacin de las curvas de endurecimiento, durezasmximas, tiempos, gradientes negativos, son funcin de la

temperatura de envejecimiento.


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El envejecimiento artificial, comparativamente con el natural, consiguemayores niveles de endurecimiento, en tiempos menores y conablandamientos para tiempos mayores del mximo.


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Aplicaciones ms comunes:


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LOS PARMETROS DE LA CINTICA DEL ENDURECIMIENTO.

La funcin hallada tiene dos partes bien diferenciadas:El primer trmino 1 - e-Ktque describe el endurecimientopositivo, definido como envejecimiento. La rapidez deendurecimiento viene descrita por la pendiente en el origen

K.El segundo trmino que describe una prdida deendurecimiento de pendiente, c' = c/(HBmax-HB0), que sedefine como ablandamiento por sobrenvejecimiento.


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