TP MatMet UTN

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

MATERIALES METÁLICOS

TP N° 1: “Estructura de los Materiales”

Apellido y Nombre: Vasapollo Luis Ignacio

N° de Legajo: 137.236-1

Curso: S2051

Día de Cursada: Lunes Turno Noche Anexo: Campus

Profesor: Ing. Gustavo Merlone

Ayudante: Ing. Mariano Sáenz / Ing. Carlos Crigna

Observaciones:

Vasapollo Luis Ignacio 137.236-1 S2051

MATERIALES METÁLICOS - Trabajo Práctico Nº 1: “Estructura de los Materiales”

TRABAJO PRÁCTICO Nº1UNIDAD 1: “Estructura de los Materiales”

AÑO 2011

1. ¿Qué es una aleación? ¿Por qué se utilizan? ¿Qué Propiedades determinan la selección de un material para un uso determinado? ¿Qué defectos son necesarios para formar aleaciones?

2. ¿Qué entiende por resistencia mecánica de un material? Dibuje y explique el diagrama tensión-deformación. Explique sus puntos característicos y el significado y la aplicación de la Recta de Hooke

3. ¿Qué es la ductilidad de un material?

4. ¿Qué es la rigidez? ¿De qué depende la rigidez de un metal, y su temperatura de fusión? Para responder, tener en cuenta la curva de energía potencial interatómica en función de la distancia entre los átomos. (Curvas de Condon-Morse). Graficar

5. ¿Qué es la Tenacidad o resiliencia? ¿Qué es la Tenacidad a la entalla?6. Concepto de Fracto-Tenacidad

7. ¿Qué es una celda unitaria y qué es el número de coordinación unitaria? ¿Cuántos átomos tiene una celda unitaria fcc, una bcc y una hc? ¿Cuáles son los sistemas cristalinos (redes de Bravais) que adoptan generalmente los metales? ¿Por qué?

8. Defina: defectos puntuales, defectos lineales o dislocaciones, dislocación de borde, dislocación de hélice, vacancia, intersticial. De dos ejemplos de propiedades sensibles a la estructura y otras dos propiedades no sensibles a la estructura de defectos.

9. Defina Defecto de Frenkel. ¿Cómo afecta el defecto de Frenkel a las propiedades de los metales?

10.¿Cómo varía la energía de borde de grano en función de la desorientación de los granos? ¿Por qué al atacar un policristal pulido se pueden ver los contornos de los granos?

11.¿Cuáles son los defectos Volumétricos? Confeccione una tabla comparativa entre los defectos y sus principales características y diferencias. ¿Cómo se ve afectada la tenacidad de un material por los defectos volumétricos?

12.¿Cuáles son las tensiones que producen el movimiento de las dislocaciones y cómo calcula el trabajo realizado para cada tipo de dislocación? Explique los mecanismos de trepado y deslizamiento cruzado. ¿En qué tipo de dislocaciones operan cada uno? ¿Cómo influye la temperatura?

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1) Una aleación es una solución sólida donde uno o más solutos aparecen disueltos en el solvente. Se emplean elementos aleantes en metales base para mejorar las propiedades físicas, químicas y/o tecnológicas.En la selección de un material para un uso determinado son varias las propiedades que se deben combinar. Pueden agruparse en propiedades en servicio y propiedades tecnológicas. Las primeras corresponden a la performance que debe alcanzar la pieza cuando esté solicitada a los esfuerzos para los que será diseñada y en las condiciones de trabajo proyectadas. Son las propiedades de rigidez, resistencia mecánica, tenacidad, resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y térmica, densidad, etc.Las propiedades tecnológicas son inherentes al proceso de fabricación y definen el costo de la pieza. Son las propiedades de conformabilidad (deformación plástica), moldeabilidad (fusión y moldeo), maquinabilidad (arranque de viruta) y soldabilidad (unión).Para la formación de aleaciones, en donde el soluto ingresa a la red del solvente como sustitucional (ocupa los nodos de la red), o como intersticial (ocupa los intersticios de la red), una serie de defectos deberán presentarse en la red para posibilitar esta maniobra. Definimos a un defecto cristalino como una falla en la repetición de la periodicidad de la red. Los defectos necesarios para generar las aleaciones son del tipo puntuales o cerodimensionales y se definen como: átomo sustitucional, átomo intersticial y vacancia. Estos defectos son termodinámicamente estables y disminuyen la energía del cristal, es por eso que podemos de que en más fácil obtener aleaciones que metales puros. El defecto de vacancia permitirá que los átomos del elemento aleante puedan distribuirse homogéneamente en la red del solvente, pues se irán moviendo por estos lugares mediante el mecanismo de difusión.

2) La resistencia mecánica es una propiedad buscada para cualquier pieza en servicio, pues nos permitirá resistir satisfactoriamente las solicitaciones con una disminución en la sección resistente, obteniendo mecanismos o estructuras más livianas. Se define como la resistencia que presenta el material a las deformaciones plásticas. La resistencia mecánica real (Re) no puede conocerse con exactitud, pues esto nos llevaría un tiempo enorme que no se justifica. Es por eso que se trabaja con un valor de resistencia mecánica ingenieril o convencional (Rp 0,X). El valor 0,X corresponde a el porcentaje de alargamiento (A%), sobre el cual se trazará en el diagrama de fluencia, paralela a la recta de Hooke, una recta auxiliar que en su intersección con el diagrama determinará la ordenada correspondiente a la resistencia mecánica. En materiales que no posean una zona proporcional de deformación, se deforma plásticamente hasta un punto B, se retira totalmente la carga hasta un punto A y vuelve a cargarse la probeta hasta el punto B. La curva de descarga desde B hacia a A es distinta que la de carga desde A hacia B, ambas forman un lazo denominado lazo de histéresis mecánica. La pendiente de la recta que pasa por A y B corresponde al módulo de Young. Se traza con otra recta auxiliar paralela a esta, en el valor 0,X de deformación y la ordenada en la intersección con el diagrama de fluencia representara la resistencia mecánica.

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3) La ductilidad es una propiedad de los materiales que representa la capacidad que posee para ser deformado plásticamente. Puede ser evaluado mediante un ensayo de tracción considerando el porcentaje de alargamiento (A%) o el porcentaje de estricción (Z%). Tecnológicamente, cuando el material para ser llevado a su forma comercial se debe conformar mediante deformaciones plásticas, la ductilidad es la propiedad que necesitamos, mide entonces en una buena parte, la conformabilidad del material.

4) La rigidez es la resistencia que opone el material a ser deformado elásticamente. En general se requerirá que la pieza en servicio tenga alta rigidez. El método más simple de evaluarla es mediante un ensayo de tracción. En el diagrama de fluencia que representa tensión vs. deformación, la rigidez viene dada por la pendiente de la recta de Hooke, que es el módulo elástico longitudinal o módulo de Young (E). La rigidez en un material tiene dos componentes, una está relacionada con la forma de la pieza, su geometría, y otra es intrínseca del mismo. Cuando tomamos un ensayo de tracción estamos evaluando entonces, rigidez intrínseca + rigidez de forma = rigidez estructural.La rigidez intrínseca depende únicamente de la energía de enlace entre átomos y de la posición que estos ocupan en el espacio, o sea de la estructura cristalina, al igual que la temperatura de fusión.La curva de Condon-Morse nos permite ver la posición de equilibrio entre dos átomos, nos define el parámetro de red. Sobre el eje de las ordenadas se representa el potencial electrostático de unión y sobre el eje de las abscisas la distancia. La curva surge como resultante de las curvas del potencial electrostático de atracción y repulsión. Posee un mínimo de energía y es la distancia a la que se va a situar un átomo respecto de otro situado en el origen de coordenadas.

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P

A%

P

A%0,X %0,X %

Rp 0,X

Rp 0,X

Material con zona proporcional Material sin zona proporcional

B

A



5) La tenacidad de un material es la capacidad que este posee para almacenar energía durante la deformación hasta la ruptura. Es una propiedad buscada para toda pieza en servicio. En un diagrama de fluencia, el área bajo la curva de fluencia representa la tenacidad, aunque la evaluación en éstas condiciones nos brindará información sobre la tenacidad estática del material, y para piezas que en servicio estén bajo cargas dinámicas no nos sirve de mucho. En estos casos necesitamos hallar la tenacidad a la entalla, se emplean entonces ensayos dinámicos de flexión por impacto con probetas Charpy (probeta simplemente apoyada), o Izod (probeta empotrada). Se denomina de esta manera porque a la probeta se le practica una entalladura que crea un estado de triaxialidad de tensión, que es un factor fragilizador que asegura la ruptura de la probeta, ya que al ser un ensayo destructivo necesitamos que esto ocurra. La tenacidad a la entalla se mide en unidad de energía. Si la asociamos a la sección de la probeta bajo la entalla, hablamos de resiliencia, y se mide en unidad de energía por unidad de superficie.

6) El concepto de fracto-tenacidad parte de un corolario que asume que por procesos de fabricación todos los materiales presentan microfisuras, que en servicio tendrán una velocidad de propagación que en casos tendrá mayor o menor relevancia. Ensayos muy costosos se emplean para la determinación de la vida residual de un componente para estimar cuánto tiempo puede seguir en servicio.

7) Los sólidos cristalinos están constituidos por un ordenamiento regular de átomos, moléculas o iones; este ordenamiento puede ser representado por una unidad que se repite llamada celda unitaria. Ésta es la mínima unidad que al repetirse muestra la simetría completa de la estructura cristalina. Posee toda la información del cristal para representar, por sucesivas rotaciones y traslaciones, al cristal. El número de coordinación representa el número de átomos que puede rodear a un átomo, y viene dado por la geometría de la estructura cristalina.

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Los metales poseen un alto número de coordinación por lo que adoptan generalmente las estructuras FCC (cúbica centrada en las caras), con 4 átomos por celda y número de coordinación 12, BCC (cúbica centrada en el cuerpo), con 2 átomos por celda y número de coordinación 8 y CPH (hexagonal compacta), con 2 átomos por celda y número de coordinación 12.

8) Se define defecto puntual al defecto cristalino cerodimensional que se presenta como la falla en la periodicidad de los nodos de la red.Se define como defecto lineal o dislocación al defecto cristalino unidimensional que se presenta sobre una fila de puntos de la red cristalina. Tienen lugar cuando un cristal se deforma a lo largo y en un entorno de una linea llamada línea de dislocación. Cumplen un rol fundamental en la deformación plástica de metales, pues de no existir estos defectos necesitaríamos mucha más fuerza para deformarlos. Se caracterizan por la aparición de planos de átomos incompletos, generados durante la solidificación o deformación plástica. Se distinguen dos tipos de dislocaciones: las dislocaciones de borde y las dislocaciones de hélice. Las primeras suceden cuando la dislocación se desplaza paralela a la dirección de aplicación de la tensión de corte y las segundas cuando se desplaza perpendicular.El defecto de vacancia se desarrolla cuando un nodo de la red se encuentra vacío. Es termodinámicamente estable.El defecto de átomo intersticial aparece cuando un átomo que no pertenece a la red del solvente ingresa en los intersticios de la misma. Si bien en los metales encontramos dos tipos de intersticios tetraédricos y octaédricos se verifica que los átomos intersticiales sólo ocupan los intersticios octaédricos. En general podemos distinguir dos tipos de comportamientos que poseen las propiedades de un material, que están diferenciados por su sensibilidad o insensibilidad ante la estructura de defectos caracterizada por algunos de los defectos enunciados anteriormente y más.Las propiedades sensibles a la estructura de defectos son principalmente mecánicas y eléctricas, citamos por ejemplo:

Resistencia mecánica. Conductividad eléctrica.

En cambio, las propiedades insensibles a la estructura de defectos son principalmente físicas y químicas, citamos por ejemplo:

Rigidez intrínseca. Calor específico.

9) El defecto de Frenkel es un defecto puntual que no es termodinámicame estable, aumenta la energía libre, por lo que no se produce de forma espontánea. Un átomo de la red cristalina deja el lugar en el nodo que ocupaba para ir a algún intersticio de la red. El defecto es el par autointersticial – vacancia. Este defecto se da durante la deformación elástica o plástica del material. Produce un aumento de la resistividad pues los electrones tienen un mayor recorrido por tener que rodear a los átomos intersticiales. Esto se aprovecha para la fabricación de instrumentos para la medición de deformación. 10)El defecto de borde de grano, se produce durante la solidificación del material y forma un sitio de alta energía por deformación elástica. Esta energía

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va en aumento en función a que las redes de los granos que se encuentran tengan también diferencias grandes de ángulo. En general tienen una diferencia de ángulo > 20 º. Un átomo en equilibrio termodinámico se da de forma que se tengan iguales ángulos.Al realizar un pulido metalográfico y atacar la superficie en estudio del material policristalino, podemos observar mediante un microscopio de reflexión que los contornos de los granos van a quedar bien definidos, porque la corrosión del ácido de ataque siempre será mayor en estos sitios.

11)Los defectos volumétricos más importantes que están constituidos por partículas sólidas, son las inclusiones y los precipitados. Estos son partículas de compuestos químicos con diferentes propiedades que el solvente y se forman durante la solidificación o por difusión en estado sólido.Las incluciones producen un importante descenso de la tenacidad, mientras que los precipitados lo hacen en menor medida.

Tabla comparativa entre defectos volumétricos: Inclusiones vs. Precipitados Característica Inclusiones Precipitados

Naturaleza Compuestos cerámicos Compuestos intermetálicosUnión con el metal Unión covalente (débil) Unión metálica (fuerte)

Interfase con el metal

IncoherenteCoherente, semicoherente o incoherente

(dependiendo del tamaño)

Origen

Se forman al combinarse impurezas con ciertos agregados, para que éstas no queden libres (origen endógeno), ó se

forman por la degradación del refractario de hornos y/o cucharas (origen exógeno)

Se forman por el agregado de elementos aleantes específicos en la última etapa de

fabricación.

Principales efectos en las propiedades mecánicas

Disminución de la ductilidad; Disminución de la tenacidad; Disminución de la resistencia a la

fatiga; La resistencia mecánica no se ve

afectada prácticamente.

Disminución de la ductilidad, * Disminución de la tenacidad, * Disminución de la resistencia a la

fatiga, * Aumento de la resistencia mecánica.

* Nota: En menor medida que las inclusiones, por no ser motivo de una anisotropía tan marcada.

12)Las tensiones que producen el movimiento de las dislocaciones son las tensiones de corte. Las mismas pueden ser representadas por un vector de Burgers, que es el vector deslizamiento que define su magnitud y dirección. Diremos que representa al trabajo realizado por cada dislocación. Las dislocaciones de borde se caracterizan por tener asociados vectores de Burgers perpendiculares a las líneas de dislocación, mientras que en las dislocaciones de hélice éstos son paralelos a las líneas de dislocación. Además de los movimientos principales, las dislocaciones poseen movimientos secundarios que son el trepado y el deslizamiento cruzado. Las dislocaciones de borde pueden moverse verticalmente hacia arriba o hacia abajo en el plano perpendicular al de deslizamiento, a esto se lo conoce como trepado. No ocurre a temperatura ambiente, por lo que para que se produzca hay que aportar energía. Las dislocaciones de hélice cuando se deslizan, si encuentran un obstáculo continúan por un plano secundario para sortearlo y luego vuelven al primario. A este mecanismo se lo conoce como deslizamiento cruzado y puede aparecer a temperatura ambiente.

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