Deslizamiento en Monocristales y Tensión de Cizalladura Resuelta
El deslizamiento es el mecanismo fundamental de la deformación plástica en monocristales.
A. Mecanismo de Deslizamiento
Las dislocaciones de cuña, helicoidales y mixtas se mueven en respuesta a la cizalladura aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y en una dirección de deslizamiento. Un monocristal metálico tiene varios sistemas de deslizamiento distintos que pueden operar. La tensión de cizalladura resuelta normalmente difiere para cada uno de esos sistemas.
B. Tensión de Cizalladura Resuelta (TCR)
¿A qué se llama tensión de cizalladura resuelta? Describe la expresión propuesta por Schmidt.
Aun cuando el esfuerzo aplicado sea de tracción pura, existen componentes de cizalladura, excepto en las direcciones paralelas o perpendiculares a la dirección de la tensión. Estas se denominan tensiones de cizalladura resueltas, y sus magnitudes dependen no solo de la tensión aplicada, sino también de la orientación del plano y de la dirección de deslizamiento en este plano.
La expresión propuesta por Schmidt (Ley de Schmidt) relaciona la tensión aplicada ($\sigma$) con la tensión de cizalladura resuelta ($\tau_R$):
$$\tau_R = \sigma \cdot \cos(\phi) \cdot \cos(\lambda)$$
Donde $\phi$ es el ángulo entre la dirección de la tensión aplicada y la normal al plano de deslizamiento, y $\lambda$ es el ángulo entre la dirección de la tensión aplicada y la dirección de deslizamiento.
C. Tensión de Cizalladura Resuelta Crítica ($\tau_{CRSS}$)
¿Qué es la tensión de cizalladura resuelta crítica? ¿Qué relación tiene con el límite elástico? ¿Cuál sería la tensión mínima necesaria?
La tensión de cizalladura resuelta crítica ($\tau_{CRSS}$) representa la cizalladura mínima que se requiere para iniciar el deslizamiento. Es una propiedad intrínseca del material que determina cuándo comienza la deformación plástica.
La relación con el límite elástico ($\sigma_y$) es directa: el límite elástico es la tensión aplicada necesaria para alcanzar la $\tau_{CRSS}$ en el sistema de deslizamiento más favorablemente orientado.
La tensión mínima necesaria para iniciar el deslizamiento es aquella que, al resolverse en el sistema de deslizamiento más favorable, iguala la $\tau_{CRSS}$.
Recristalización: Proceso y Factores Determinantes
A. Descripción del Proceso de Recristalización
La recristalización consiste en la formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales, libres de deformación y con baja densidad de dislocaciones. Esta condición es característica del material antes de ser deformado. Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que reemplazan completamente al material deformado.
Para lograr esto, los materiales reciben un tratamiento térmico de recocido a temperatura media, diseñado para eliminar todos los efectos de endurecimiento por deformación producidos durante el trabajo en frío. Dicho tratamiento debe realizarse por encima de la temperatura de recristalización del material trabajado.
B. Temperatura de Recristalización
¿Qué es la temperatura de recristalización y de qué depende?
La temperatura de recristalización ($T_R$) es la temperatura a la que se produce la recristalización en un tiempo específico (generalmente, una hora). Depende principalmente del porcentaje de trabajo en frío y de la pureza de la aleación.
C. Dependencia de la Temperatura de Recristalización con Factores del Material
¿Cómo depende la temperatura de recristalización con el porcentaje de trabajo en frío, el tamaño de grano, el porcentaje de aleantes y la temperatura de fusión de las aleaciones?
Generalmente, la temperatura de recristalización se encuentra entre un tercio y la mitad de la temperatura de fusión del material o aleación. Su valor varía atendiendo a los siguientes factores:
- Porcentaje de trabajo en frío: Si aumenta el porcentaje de trabajo en frío, aumenta la velocidad de recristalización y disminuye la temperatura de recristalización. Existe un grado crítico de trabajo en frío (suele estar comprendido entre el 2 % y el 20 %) por debajo del cual la recristalización no puede ocurrir.
- Porcentaje de aleantes (Pureza): La recristalización ocurre más rápido en metales puros que en aleaciones. Al alear un material, aumenta la temperatura de recristalización.
- Temperatura de Fusión: La $T_R$ es proporcional a la temperatura de fusión absoluta del material.
- Tamaño de Grano (Control): La reducción de la temperatura del recocido, el tiempo utilizado para calentar hasta la temperatura de recocido, o el tiempo de recocido, reducen el tamaño del grano final.
Termofluencia (Creep)
Definición y Ensayo Típico
La termofluencia (o creep) es la deformación plástica que puede sufrir un material a temperatura elevada y durante periodos largos de tiempo, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que su límite elástico o resistencia a la fluencia.
(Nota: La descripción del ensayo típico está ausente en el texto original, solo se pide la definición. Se mantiene la estructura de la pregunta sin añadir contenido no solicitado).
Influencia del Tamaño de Grano en las Propiedades Mecánicas
Relación del Límite Elástico con el Tamaño de Grano (Ley de Hall-Petch)
En muchos materiales, el límite elástico ($\sigma_y$) varía con el tamaño de grano medio ($D$) según la siguiente relación, conocida como la Ley de Hall-Petch:
$$\sigma_y = \sigma_0 + K_y D^{-1/2}$$
Donde:
- $\sigma_y$: Límite elástico.
- $\sigma_0$: Tensión de fricción (resistencia al movimiento de dislocaciones dentro del grano).
- $K_y$: Constante de endurecimiento por límite de grano (dependiente del material).
- $D$: Diámetro medio del grano.
Esta relación indica que la reducción del tamaño de grano aumenta la resistencia del material.
Control del Tamaño de Grano durante el Procesado de Metales
Describe los momentos o tratamientos en los que se puede controlar el tamaño de grano.
El tamaño del grano puede ser regulado mediante:
- La velocidad de solidificación de la fase líquida.
- La deformación plástica seguida por un tratamiento térmico apropiado (como la recristalización y el crecimiento de grano).
Nota: Los límites de grano de ángulo pequeño no son efectivos para interferir en el proceso de deslizamiento debido al pequeño desalineamiento cristalográfico a través del límite de grano.
Maclado (Twinning) y su Efecto en la Deformación
A. Definición de Macla
¿Qué es una macla?
Una macla es una región del material entre dos límites de grano a través de la cual existe una simetría especular (imagen reflejada) de la estructura cristalina.
B. Diferencias entre Deformación por Maclado y por Deslizamiento
El maclado y el deslizamiento son mecanismos de deformación plástica que predominan en diferentes estructuras y condiciones:
- Las maclas de recocido se observan comúnmente en estructuras cristalinas FCC (Cúbica Centrada en las Caras).
- Las maclas mecánicas (producidas por deformación) son más comunes en estructuras BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo) y HC (Hexagonal Compacta), especialmente a bajas temperaturas o altas velocidades de deformación.
C. Efecto de las Maclas en el Deslizamiento de Dislocaciones
¿Cómo afecta la presencia de maclas a la deformación por deslizamiento de dislocaciones?
La presencia de maclas puede afectar el deslizamiento de dislocaciones de varias maneras. Los límites de macla actúan como barreras al movimiento de las dislocaciones, similar a los límites de grano. Sin embargo, el maclado también puede reorientar favorablemente los planos de deslizamiento, facilitando el inicio de nuevos deslizamientos en el material deformado.