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Mecanismos de endurecimiento
Mecánica de materiales

1. ACTIVIDAD 01 UNIDAD 04 Mecanismos de endurecimiento Movimiento de átomos (difusión) Aplicaciones en tratamientos térmicos y termoquímicos Ing de los materiales Profesor : JORGE MEZA JIMENEZ Alumno: ABRAHAM ESCALERA BERNARDINO 6/Abril/20

2. Mecanismos de endurecimiento ABRAHAM ESCALERA B Perlita Austenita Martencita Martencita con austenita retenida Ferrita

3. Mecanismos de endurecimiento Por deformación Por solidificación Por solución solida Por dispersión Por Tratamiento Térmico

4. El endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento en frío o por acritud) es el endurecimiento de un material por una deformación plástica a nivel macroscópico que tiene el efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida que el material se satura con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formación de nuevas dislocaciones y a su movimiento ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

5. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN Generación de esfuerzos residuales Movimiento de dislocaciones

6. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

7. ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACIÓN La solidificación requiere dos pasos: Nucleación y Crecimiento Nucleación: Ocurre cuando se forma un pequeña porción sólida en el líquido. El crecimiento ocurre cuando los átomos del líquido se van uniendo al sólido

8. ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACIÓN Endurecimiento por tamaño de grano: Refinación de grano o inoculación.

9. ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACIÓN Velocidad de enfriamiento

10. ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACIÓN Procedimiento Temp [ºC] Hora Encendido del horno 29 1300 Colocar los moldes sobre el horno   1301 Retirar los moldes   1328 Fundir el aluminio 860 1331 Agregar el Sn   1331 Agregar refinador   1331 Agregar Si y Cu 700 1332 Retirar crisol del horno   1333 Agregar pastilla desgasificante   1333 Limpiar la escoria 670 1334 Inducir flujo de Ar   1335 Agitar la fundición 600 1336 Realizar el vaciado   1337 Colocar los moldes en agua   1337 Enfriamiento total 37 1342

11. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Adición de defectos puntuales Por consiguiente modificación en la composición del material Formación de fases Fase: Tiene un mismo arreglo atómico, tiene una misma composición y propiedades y tiene una interfase definida entre una y otra fase.

12. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA La regla de fases de Gibbs describe el estado de un material: F = C – P + 2 F: Grados de libertad (No. de variables que pueden modificarse sin cambiar el no. de fases) C: No. de los componentes P: No. de fases presentes

13. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Solubilidad Ilimitada

14. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA El grado de endurecimiento depende de dos factores: Tamaño atómico Cantidad añadida Efectos del endurecimiento por solución sólida

15. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Diagramas isomorfos (Composición y Cantidad de fases)

16. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Cantidad de fases (Regla de la palanca)

17. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA 170°C 2% Pb disuelto en Sn (98% Sn) 85% Pb disuelto en Sn (15% Sn)

18. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Composición de la aleación: 50% pp Pb (50% pp Sn) Número de Fases: 2 Composición de cada fase: 2% pp Pb (98% Sn), 85% pp Pb (15% Sn) Proporción en peso de cada fase: Realizar Cálculo

19. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Cálculo para la proporción en peso de las fases X A = Comp. Aleación - %pp B %pp B - %pp A Para el ejemplo: X Pb = 50 – 2 = 0,58 = 58% 85 – 2 X Sn = 85 – 50 = 0,42 = 42% 85 – 2

20. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA 170°C 25% pp Pb (75% Sn) 85% pp Pb 2% pp Pb

21. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN El endurecimiento (metalurgia) debido a la introducción de una segunda fase se conoce como endurecimiento por dispersión. La segunda fase es el fenómeno que ocurre cuando se excede la solubilidad de un material al agregar demasiado de un elemento o compuesto de aleación, produciendo así un material con dos fases. El límite entre las dos fases es una superficie donde el arreglo atómico no es perfecto, en metales este límite interfiere con es deslizamiento o movimiento de las dislocaciones ocasionando endurecimiento.

22. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN En las aleaciones simples endurecidas por dispersión se introducen partículas pequeñas (resistentes y duras) de una fase, en una segunda fase más débil pero más dúctil. A la fase blanda, generalmente contenida en mayores cantidades, se le llama matriz. A la fase dura puede llamarsele fase dispersa o precipitado, debe ser lo suficientemente pequeño para conformar obstáculos eficaces a las dislocaciones para generar el mecanismo de endurecimiento.

23. Si la resistencia y tenacidad son los objetivos de la incorporación de una fase dispersa, seguir esta guía. - La matriz debe ser blanda y dúctil, mientras que la fase dispersa debe ser dura y resistente. - La fase dispersa debe ser discontinua, evitando la propagación de grietas y la matriz continua. -Las partículas de fase dispersa deben ser pequeñas y numerosas. -Las partículas de la fase dispersa deben ser redondas para evitar la probabilidad de iniciar una grieta. -Las concentraciones más altas de la fase dispersa incrementan la resistencia de la aleación. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN

24. Movimiento de átomos (difusión)

25. Introducción “ Los átomos y los iones tienen una tendencia a moverse de manera predecible (de mayor a menor potencial) para eliminar las diferencias en las concentraciones y producir composiciones homogéneas que hacen al material más estable de manera termodinámica ” . Askeland , Donald. Ciencia e Ingeniería de materiales. 6ta edición. Los átomos y los iones suelen difundirse o moverse dentro de un material, con lo cual se minimizan las diferencias en sus concentraciones. El objetivo en esta unidad será: estudiar los principios y las aplicaciones de la difusión en los materiales.

26. DIFUSIÓN Es el movimiento o flujo de una o varias partículas dentro de un material. Partículas como: iones, átomos, electrones, moléculas, entre otros. La velocidad de difusión en gases es alta, mientras que en sólidos es relativamente baja o lenta. La magnitud del flujo o de la difusión depende principalmente de: Del gradiente de concentración. De la temperatura. El movimiento de los átomos es necesario en muchos de los tratamientos que se llevan a cabo en los materiales de ingeniería.

27. APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN Muchos procesos tecnológicos actuales dependen del incremento o limitación de la difusión. La difusión es un proceso muy importante y crucial en: el tratamiento térmico de metales, la solidificación de materiales, la fabricación de transistores (con dopantes), de celdas solares, en la conductividad eléctrica de cerámicos, entre otros. Por tanto, al comprender el mecanismo de transferencia de masa que se realiza mediante la difusión, podremos manipular o diseñar técnicas de procesamiento de materiales que mejoren las propiedades de los materiales, así como mejorar procesos de manufactura.

28. APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN La difusión es importante para el procesamiento de los materiales. Algunos ejemplos de procesos donde la difusión juega un papel protagónico son los siguientes: El crecimiento de los granos en los metales depende de la difusión. El estado de equilibrio teórico de un metal consiste en estar formado por un sólo cristal. Por la forma cómo funciona el proceso de solidificación, los metales poseen muchos cristales o granos. Las fronteras de los granos incrementan la energía guardada en el material, por tanto, el material busca reducir esa energía haciendo que sus granos crezcan tratando que las fronteras entre ellos desaparezcan o se reduzcan. Se requiere una temperatura mínima para que exista el proceso de difusión, por tanto, si el metal no está a una temperatura suficientemente alta, la estructura del metal no puede cambiar ya que los átomos no tienen movilidad. Sin embargo, si se calienta el metal a una temperatura adecuada, sus granos comienzan a crecer buscando formar un solo cristal. A consecuencia del crecimiento de los granos, la resistencia del material disminuye.

29. APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN Soldadura por difusión . Soldadura  unión de dos piezas, generalmente metálicas, fundiendo un pequeño volumen de éstas y luego permitiendo que el líquido resultante se mezcle y solidifique. Los procesos convencionales de soldadura utilizan una fuente de calor para provocar la fusión (arco eléctrico, combustible, láser, etc.). En muchos procesos, la temperatura que se requiere para provocar la fusión puede crear defectos en la unión. La soldadura por difusión permite unir dos piezas aplicando presión y una temperatura moderada. En esta soldadura, los átomos de una de las partes se difunden hacia la otra, creando la unión.

30. APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN Metalurgia de polvos . Proceso de fabricación mediante el cual se fabrica una pieza sólida a partir de materia prima que se encuentra en polvo. El polvo se compacta y luego se calienta, dejando que la difusión se encargue de unir las partículas formando al sólido. Este proceso es conocido como sinterizado.

31. MECANISMO DE DIFUSIÓN EN ESTADO SÓLIDO L os materiales están formados por átomos, iones, electrones, etc. Para explicar el mecanismo del proceso de difusión, consideraremos inicialmente los átomos. Sabemos que en los materiales, los átomos se encuentran agrupados formando un conjunto que puede estar ordenado en una estructura cristalina. Debemos añadir el hecho de que los átomos que forman al material no están estáticos , sino que vibran y pueden desplazarse en la estructura del material.

32. Es así que podemos por ejemplo, tomar una muestra del material con un determinado número de átomos ordenados. Cada átomo ocupa un punto de red definido por la celda unitaria correspondiente. Los átomos están unidos por enlaces químicos, y la distancia entre los átomos es la necesaria para que la energía total de los mismos sea la menor posible. Los puntos de red serían equivalentes a depósitos donde se colocan los átomos (esferas). El átomo está en equilibrio cuando se ubica en el fondo del depósito, ya que en este punto su energía potencial gravitatoria es la menor posible.

33. En un material, los átomos vibran alrededor de su posición de equilibrio. En la analogía de los depósitos, esto es equivalente a agitar el depósito con los átomos. Estos comenzarán a oscilar hacia arriba y abajo en su respectivo depósito, desplazándose una distancia igual en ambas direcciones de su posición de equilibrio . Para poder oscilar, los átomos necesitan tener energía. En los materiales la energía requerida para causar la oscilación es proporcional a la temperatura absoluta del material. Cuando la temperatura es 0 K, no existe ninguna vibración y por tanto los átomos están en reposo en su posición de equilibrio. A medida que la temperatura aumenta, la vibración de los átomos aumenta . Algunos átomos pueden llegar a vibrar más violentamente que otros, dando lugar a temperaturas no uniformes en partes localizadas del material.

34. Cuando en un material existen vacancias y además ocurre que alguno de los átomos en las cercanías de la vacancia vibra más que el resto, puede suceder que el átomo se mueva al punto de red vacante. En el modelo de depósitos y esferas, esto es equivalente a que una de las esferas del depósito se mueva bruscamente y se pase al depósito contiguo. A este movimiento de los átomos en la estructura del material se le llama difusión por vacancias.

35. Los átomos tienen guardada cierta cantidad de energía, la cual los mantiene oscilando alrededor de su posición de equilibrio. Cuando los átomos intentan moverse, se topan con una barrera energética que intenta obligarlos a quedarse en su posición de equilibrio. La energía de activación es la energía que el átomo necesita recibir para vencer esa barrera y dejar su posición inicial para llegar hasta la posición final, la cual puede ser una vacancia (difusión por vacancia) cercana o un sitio intersticial (difusión intersticial). Energía de activación

36. TIPOS DE DIFUSIÓN Básicamente hay 2 tipos: Difusión intersticial. Los átomos se mueven saltando hacia los espacios intersticiales cercanos. Difusión por vacancia. Los átomos se mueven saltando hacia las vacancias cercanas. Los átomos intersticiales requieren de menos energía para moverse entre los intersticios que los átomos que se mueven por vacancias. Por esa razón, la energía de activación para la difusión intersticial es menor que la energía de activación para la difusión por vacancias.

37. MECANISMOS DE DIFU SI ÓN DIFUSIÓN POR VACANCIAS DIFUSIÓN INTERSTICIAL

38. DIFUSIÓN INTERSTICIAL En los materiales iónicos, como cerámicas de óxido, un ion que se está difundiendo sólo entra en un sitio que tiene la misma carga. Para alcanzar ese sitio, el ion debe forzarse de manera física a través de los iones adyacentes para pasar por una región de carga opuesta y moverse una distancia relativamente larga. Fuente: Askeland, otros. 2012

39. Para estimar la rapidez del movimiento de los átomos en la difusión, se necesita introducir un nuevo término: flujo . En la difusión, el flujo es el número de átomos que pasan por una superficie imaginaria de área unitaria en la unidad de tiempo. Flujo de átomos en un material

40. Aplicaciones en tratamientos térmicos y termoquímicos

41. Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elastidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición , formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos.

42. Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

43. Esta propiedad debe tener diferentes estructuras de grano con la misma composición química, se llama alotropía y es la que justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente, el poliformismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas El diamante y el grafito son polimorfismos del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son polimorfismos del hierro. En un elemento químico puro, esta propiedad se denomina alotropía. Por lo tanto, las diferentes estructuras de grano pueden modificarse, con lo cual se obtienen aceros con nuevas propiedades mecánicas, pero siempre manteniendo la composición química. Estas propiedades varían de acuerdo con el tratamiento que se le dé al acero, dependiendo de la temperatura hasta la cual se lo caliente y de cómo se enfría el mismo Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, residen en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman a los aceros, sin variar la composición química de los mismos.

44. A modo de ejemplo: se adjunta una figura que muestra cómo varía el grano a medida que el acero se calienta primero y luego se enfría. Los micro constituyentes a los que antes se hizo referencia son, en este caso, la perlita, la austenita y la ferrita. Este control se realiza en todas las etapas de la producción, teniendo en cuenta el control de calidad de los materiales iníciales, el control de los procesos tecnológicos del tratamiento térmico y el control de la producción del taller de tratamiento térmico.

45. Una gran cantidad de metales usados en la manufactura son aleaciones como el acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para su utilización en la industria metalmecánica.

46. el cromo tungsteno ma n g a n e so níquel vanadio cobalto mo l i b d e no cobre azufre fósfor o .

47. El tratamiento térmico en el material es uno d e l o s p a s o s funda m e n tal e s para qu e p ueda a l c a nzar las propiedades m ecán i cas para l a s cuales está creado . La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se produc e n e n el material, tanto en los acer o s co m o e n l a s aleaciones no férreas, y ocurren dur a nte el proceso cale n ta m ie n to de y enfria m ie n to d e las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil .

48. Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera. Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas. Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

49. C arbonitr u rac i ón: a l igual qu e l a c ianura c ión, introd u ce carbo n o y n i trógeno e n un a ca p a supe r f i cial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propan o; amoníaco (NH 3 ) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior. Cementación: aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el Cianuración: endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C Nitruración: al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. núcleo Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.

50. Endurecimiento del acero El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 y 830 °C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero, la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil. Tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio Los tratamientos térmicos básicos de mejora de propiedades de las aleaciones de aluminio son los tratamientos de precipitación. Constan de las etapas de puesta en solución, temple y maduración o envejecimiento. También se de real i z an trat am i en t o s recocido. Designación de los estados metalúrgicos del aluminio ‘T’ – Tratamiento térmico (esto es, para aleaciones endurecidas por maduración o envejecimiento) la “T” estará siempre seguida por uno o más dígitos. F - Estado bruto de fabricación T1 - Enfriado desde una alta temperatura durante el proceso de conformación y envejecido naturalmente. T2 - Enfriado desde una alta temperatura durante el proceso de conformación, trabajado en frío y envejecido naturalmente. T3 - Tratamiento térmico de solución, trabajado en frío y envejecido naturalmente. T4 - Tratamiento térmico de solución y envejecido naturalmente. T5 - Enfriado desde una alta temperatura durante el proceso de conformación y envejecido artificialmente. T6 - Tratamiento térmico de solución y luego envejecido artificialmente.

51. Bibliografía Gran parte de esta presentación se ha tomado de: http:// www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2004.pdf ASKELAND , Donald, FULAY, Pradeep P., WRIGHT, Wendelin J. Ciencia e Ingeniería de Materiales . 6ta edición. México: Cengage Learning , 2012. http:// www.iim.unam.mx/mbizarro/Difusion%20en%20solidos.pdf . http:// www.iim.unam.mx/mbizarro/Difusion%20en%20solidos.pdf . de las Cuevas, F., Ferraiuolo , A., Karjalainen , L. P., & Sevillano, J. G. (2014). Propiedades mecánicas a tracción y mecanismos de endurecimiento de un acero TWIP a altas velocidades de deformación: relación de Hall- Petch . Revista de Metalurgia, 50(4), 031. Fernández Columbié , T. (2011). Mecanismos de endurecimiento del acero AISI 1045 deformado por rodadura (Doctoral dissertation , Tesis presentada en opción al Grado Científico de Doctor en CienciasTécnicas .).