Utilizando la deformación paradigmática, los materiales no solo se pueden procesar hasta darles la forma requerida, sino que también se pueden mejorar las propiedades de los materiales metálicos. Las propiedades mecánicas macroscópicas de los materiales metálicos relacionadas con la deformación normal a menudo se caracterizan por la curva tensión-deformación de los experimentos de tracción. Hay varias formas de deformación metálica: el entrelazado es otra forma importante de deformación de cristales. Al igual que el deslizamiento, la macla también provoca cizallamiento del cristal. El corte gemelo también ocurre a lo largo de ciertos planos y direcciones del cristal, que se denominan planos gemelos y direcciones gemelas, respectivamente. Hay una gran diferencia entre hermanamiento y deslizamiento. Durante el deslizamiento, el movimiento relativo se concentra en unas pocas caras atómicas, y la cantidad de movimiento en cada cara puede alcanzar muchas veces el espaciamiento de la red. Sin embargo, durante la deformación gemela, el corte se distribuye uniformemente en cada plano atómico en la región gemela. Como resultado, las dos partes adyacentes del cristal adquieren una relación de simetría especular (Figura 4), lo que se denomina macla. la región gemela El movimiento absoluto de un plano atómico es proporcional a la distancia del plano al plano de simetría, es decir, los desplazamientos relativos de todos los planos atómicos adyacentes son iguales e iguales a una cierta fracción del espaciamiento de la red.
La deformación gemela generalmente requiere un mayor esfuerzo cortante que la deformación por deslizamiento, por lo que la macla ocurre sólo cuando el deslizamiento no es fácil de realizar. Por ejemplo, los metales hexagonales compactos tienen pocos sistemas de deslizamiento y producirán gemelos cuando la orientación no sea adecuada para el deslizamiento. Los metales cúbicos centrados en el cuerpo son propensos a maclarse a bajas temperaturas o a altas velocidades de deformación. Los metales cúbicos centrados en las caras sólo pueden producir gemelos cuando se deforman a temperaturas extremadamente bajas. Los gemelos a menudo ocurren a velocidades extremadamente rápidas. En este momento, debido a un aumento repentino en la deformación, se producirán fluctuaciones irregulares en la curva tensión-deformación. El proceso de generación de gemelos también puede explicarse por el mecanismo de movimiento de las dislocaciones. Sin embargo, dado que los gemelos provocan cambios en la orientación del cristal, las dislocaciones que generan los gemelos deberían ser dislocaciones incompletas. Deslizamiento de monocristal: Para estudiar el proceso microscópico de deformación normativa de materiales metálicos, a menudo se utilizan experimentos de tracción de monocristal. La principal forma de deformación normal de los cristales metálicos es el deslizamiento, es decir, las partes adyacentes del cristal se mueven relativamente a lo largo de un determinado plano cristalino y una determinada dirección del cristal bajo la acción del esfuerzo cortante (Figura 1a). respectivamente, se denomina superficie de deslizamiento y dirección de deslizamiento. Durante el deslizamiento, aparecen algunas huellas lineales en la superficie del cristal, que se denominan líneas de deslizamiento. De hecho, son escalones en la superficie del cristal causados por el movimiento relativo de los cristales a ambos lados de la superficie de deslizamiento (Figura 1b). El plano de deslizamiento es a menudo el plano empaquetado de átomos más cercano, y la dirección de deslizamiento es siempre la dirección empaquetada de átomos más cercana. Una superficie de deslizamiento y una dirección de deslizamiento en la superficie juntas se denominan sistema de deslizamiento. El metal cúbico centrado en la cara tiene cuatro superficies de deslizamiento equivalentes {111}. Cada superficie de deslizamiento contiene tres direcciones de deslizamiento diferentes <110>, formando 12 sistemas de deslizamiento (ver estructura cristalina).
Deformación normal Deformación paramétrica
Los experimentos de tracción de monocristales también muestran que solo cuando la tensión de corte en un determinado sistema de deslizamiento alcanza un cierto valor crítico, el sistema comienza a actuar. Este esfuerzo más bajo se llama esfuerzo cortante crítico. Según el límite elástico de tracción y la orientación del sistema de deslizamiento con respecto al eje de tracción del monocristal, se pueden medir los valores críticos de tensión de corte para metales puros comunes, que son aproximadamente de 10 a 10 μ (μ es el corte). módulo del material). La composición del cristal, la temperatura y la velocidad de deformación tienen efectos significativos sobre el esfuerzo cortante crítico. Cuando se estira un monocristal, el sistema de deslizamiento cuyo esfuerzo cortante alcanza el valor crítico primero comienza a deslizarse. Sin embargo, a medida que avanza el deslizamiento, el par adicional actúa sobre el cristal, lo que hace que el sistema de deslizamiento gire más cerca de la dirección del eje de fuerza, lo que provoca que el esfuerzo cortante en los otros sistemas de deslizamiento cambie en consecuencia, de modo que más sistemas de deslizamiento participar.
A diferencia de la deformación elástica, la distribución de la deformación normativa en el cristal es desigual. El fenómeno de la línea de deslizamiento muestra claramente que la deformación normal del cristal en realidad sólo se debe al deslizamiento en algunos planos del cristal. No sólo eso, incluso en un plano cristalino, el deslizamiento comienza localmente y luego expande gradualmente el área de deslizamiento de pequeña a grande. Desde una perspectiva atómica, el mecanismo del proceso de deslizamiento se reduce en última instancia al movimiento de dislocaciones a lo largo del plano de deslizamiento (ver defectos del cristal). Sobre esta base, se puede imaginar que la fuerza requerida para la deformación normativa debería usarse para superar los obstáculos encontrados en la generación, proliferación y movimiento de las dislocaciones, mientras que la velocidad de deformación está determinada por el número de dislocaciones por unidad de volumen y la dislocación. La velocidad de movimiento del propio error.
Dado que los átomos cercanos a la dislocación se han movido fuera de la posición de equilibrio de la red, provocando que la dislocación avance una distancia atómica, la distancia de movimiento requerida de los átomos es muy pequeña, y con el movimiento de La dislocación, mientras que la energía potencial de algunos átomos aumenta, la energía potencial de otros átomos disminuye y la energía total cambia muy poco. Por lo tanto, el cristal se desliza gradualmente a través del mecanismo de movimiento de dislocación, que es mucho menor que la fuerza requerida para. Deslizamiento relativo rígido de un cristal completo sin dislocaciones. En el último caso, todos los átomos de la superficie de deslizamiento se mueven a posiciones de alta energía al mismo tiempo. Sin embargo, las dislocaciones deben superar barreras potenciales antes de poder avanzar. Esta resistencia que se origina en la estructura periódica del cristal se llama resistencia reticular. La resistencia de la red está estrechamente relacionada con la naturaleza de los enlaces entre los átomos. La razón fundamental por la que los cristales metálicos son significativamente diferentes de la mayoría de los cristales valentes y de la mayoría de los cristales iónicos en sus propiedades típicas es que la resistencia reticular es pequeña. Varios defectos en el cristal, como defectos puntuales, otras dislocaciones, límites de grano, partículas de la segunda fase, etc., también crean resistencia al movimiento de las dislocaciones. Para mejorar la capacidad de los metales para resistir la deformación normal (que se manifiesta macroscópicamente como un aumento de la resistencia reológica), el método principal es utilizar racionalmente estos factores para crear obstáculos al movimiento de las dislocaciones.
Si hay muy pocas dislocaciones originales en el cristal, o las dislocaciones originales no son fáciles de mover debido a su estructura especial o están firmemente fijadas por átomos de impurezas, el inicio del deslizamiento será más difícil. es** *La causa fundamental del fenómeno de que los cristales de valencia y los metales cúbicos centrados en el cuerpo tengan límites de fluencia superior e inferior (consulte la caracterización de las propiedades mecánicas del metal). Por el contrario, la fluencia de los metales cúbicos centrados en las caras es relativamente suave. El comienzo de la deformación macroscópica indica que han aparecido muchas dislocaciones móviles en el cristal; luego, a medida que la deformación se desarrolla aún más, las dislocaciones proliferarán en grandes cantidades; Por ejemplo, una fuerte deformación dimensional puede aumentar la densidad de dislocaciones en metales del orden de 10 cm a 10 cm. Durante la deformación normal, junto con el movimiento y la proliferación de dislocaciones, se producen interacciones complejas entre ellas. Estos procesos se reflejan en diversos grados en la curva tensión-deformación de un solo cristal.
La figura 2 es una curva de tracción típica de un monocristal metálico cúbico centrado en la cara. La ordenada de la figura es el esfuerzo cortante τ y la abscisa es la deformación cortante γ. Según el cambio del coeficiente de endurecimiento por deformación, la curva se puede dividir en tres etapas, que se denominan zona de fácil deslizamiento (I), zona de endurecimiento lineal (II) y zona de endurecimiento parabólico o zona de recuperación dinámica (III).
La teoría basada en la observación de cristales deformados con un microscopio electrónico de transmisión como principal base experimental cree que en la etapa I, la densidad de dislocaciones en el cristal es baja y pueden moverse largas distancias. sus planos de deslizamiento e interactúan con otros. Hay poca interferencia de dislocación, por lo que la tasa de endurecimiento por deformación es pequeña. Cuando la deformación ingresa a la segunda etapa, la densidad de dislocaciones aumenta a un grado moderado y gradualmente forma un estado de distribución casi uniforme, es decir, una cantidad relativamente densa y grande de dislocaciones se entrelazan entre sí para formar paredes celulares, dividiendo el cristal en densidad de dislocación interna Tejido celular relativamente escaso (Fig. 3a). A lo largo de la segunda etapa, a medida que aumenta la cantidad de tensión, las dislocaciones continúan proliferando y moviéndose, se forman continuamente nuevas paredes celulares en la célula y el tamaño de la célula disminuye, pero las características de distribución de las dislocaciones permanecen sin cambios, lo que resulta en estrés. y tensión. Hay una relación lineal. Finalmente, el tamaño de la célula se reduce hasta el punto en que no se forma una nueva pared celular dentro de la célula y el tamaño de la célula es básicamente estable, por lo que comienza la etapa III. En cuanto a la duración relativa de las tres etapas, está relacionada con factores como la composición del cristal, la orientación, la densidad de dislocación inicial y la temperatura a través de la influencia en la proliferación, el movimiento y la interacción de las dislocaciones (Figura 3b). La deformación paradigmática de otros cristales también muestra procesos similares.
Deslizamiento de policristales: En la gran mayoría de los casos, los metales se utilizan en forma policristalina. Los policristales están compuestos por una gran cantidad de pequeños cristales llamados granos. Cada grano tiene una orientación diferente a la de sus granos adyacentes, lo que hace que el metal se comporte macroscópicamente isotrópico bajo la acción de fuerzas externas. Cuando ocurre una deformación policristalina, la deformación de un grano debe coordinarse con la deformación de los granos adyacentes, de lo contrario no se mantendrá la continuidad del material. El análisis teórico señala que para que los policristales produzcan una deformación continua y sin destrucción por deslizamiento, deben existir al menos cinco acciones independientes del sistema de deslizamiento en cada grano. Los experimentos han demostrado que incluso con deformaciones pequeñas, los granos individuales aparentemente se deslizan en varios sistemas de deslizamiento, especialmente en regiones cercanas a los límites de los granos. Debido a la obstrucción del deslizamiento por los límites de grano y la interferencia mutua de las dislocaciones en múltiples sistemas de deslizamiento, la velocidad de endurecimiento por deformación de los materiales policristalinos es muchas veces mayor que la de los monocristales, y su curva tensión-deformación no es tan obvia como la de los cristales. monocristales de etapas.
Durante el proceso de deformación típico de los policristales, cada grano cambia de forma y gira al mismo tiempo.
Después de una gran deformación, una determinada dirección cristalina de cada grano se concentra gradualmente en la dirección del eje de fuerza. Este estado se denomina orientación preferida y la estructura resultante se denomina textura. La textura de deformación del metal tiene diferentes tipos según el método de procesamiento. Una vez que un policristal tiene textura, sus propiedades muestran anisotropía hasta cierto punto. Dependiendo de dónde se utilice el material, esta anisotropía puede ser perjudicial o beneficiosa. Los cristales pueden sufrir una deformación dimensional desigual debido a la torsión. La Figura 5 muestra la banda de torsión producida cuando un cristal de cadmio se somete a compresión axial. La orientación del cristal en la banda cambia mucho y el cristal se dobla en una red. En la deformación por difusión direccional, cuando la temperatura es lo suficientemente alta y se aplica tensión al cristal, bajo la acción del campo de tensión y la activación térmica, los átomos intersticiales y los átomos del soluto sustitucional más grandes que los átomos de la matriz migrarán desde la parte comprimida del cristal. cristal a la parte expandida; por el contrario, las vacantes y los átomos de soluto sustituidos más pequeños que los átomos de la matriz migrarán de la parte expandida del cristal a la parte comprimida. El resultado de una gran cantidad de migraciones atómicas puede causar deformación macroscópica, lo que se llama deformación por difusión direccional. En el caso de los cristales metálicos, en la mayoría de los casos la deformación por difusión está relacionada con el flujo direccional de las vacantes. Por un lado, las vacantes desaparecen en determinadas dislocaciones, límites de grano y superficies cristalinas y, al mismo tiempo, pueden migrar fácilmente a otras dislocaciones. Se generan interfaces y superficies cristalinas para mantener un flujo continuo (Figura 6), y el efecto del flujo de vacantes es equivalente al flujo atómico inverso. Dado que las dislocaciones pueden servir como fuentes y sumideros de vacantes y átomos intersticiales, continuarán creándose y destruyéndose a lo largo de la línea de dislocación, lo que resultará en el alargamiento o acortamiento del plano sobrante de medio átomo de la dislocación, los cuales hacen que la dislocación salir de su superficie de deslizamiento original. Cuando las dislocaciones encuentran obstáculos en la superficie de deslizamiento, la escalada de dislocaciones puede ayudarlas a sortear los obstáculos y continuar deslizándose más. Este mecanismo juega un papel importante en la deformación por fluencia a alta temperatura. Deslizamiento de los límites de los granos: la unión entre los límites de los granos policristalinos se debilita a altas temperaturas y los granos adyacentes pueden deslizarse entre sí a lo largo de los límites de los granos bajo la acción del esfuerzo cortante. Las velocidades de deslizamiento de los límites del grano son lentas y, por lo tanto, son importantes sólo en condiciones de fluencia, es decir, a altas temperaturas y bajas tensiones. Cuanto menor sea el tamaño del grano, es decir, cuanto mayor sea el área del límite del grano por unidad de volumen, mayor será la contribución del deslizamiento del límite del grano a la deformación total. Generalmente es necesario tener algún movimiento de dislocación dentro del grano para cooperar con el deslizamiento de los límites del grano. Esto se debe a que la mayoría de las formas de los granos son irregulares cuando se produce el deslizamiento de los límites del grano, la forma del grano debe cambiar en consecuencia; es la forma principal de cumplir este requisito, pero la deformación por difusión también puede ayudar. En algunos casos, los materiales pueden deformarse hasta un 1000% sin romperse debido al deslizamiento relativo entre los granos, lo que da como resultado la llamada superplasticidad, que requiere granos muy pequeños y límites estrictos en la temperatura y la velocidad de deformación. Algunas aleaciones también exhiben superplasticidad cuando se deforman cerca de su temperatura de transformación de fase.
Si hay tiempo para recuperarse y recristalizar al mismo tiempo que la deformación, eliminando así el endurecimiento por deformación y restaurando la capacidad de deformación normal, el material también puede alcanzar un alto grado de deformación. La tecnología de procesamiento térmico ampliamente utilizada en la práctica utiliza principalmente este proceso.