Ciencia de Materiales

Deformaciones plásticas y elásticas de los materiales

Las tensiones aplicadas a un material provocan que este se deforme, estas deformaciones pueden ser elásticas o plásticas. Cuando la deformación es elásticas al retirarse la carga desaparece la deformación, y cuando la deformación es plásticas, se conservan las deformaciones incluso después de retirada la carga.

Por muy pequeña que sea la tensión aplicada, produce una deformación; las deformaciones iniciales son siempre elásticas y su magnitud es directamente proporcional a la tensión. En la curva que se muestra en la imagen 1, la deformación elástica está caracterizada por la línea OA y su prolongación (de trazos).

Deformación dependiendo de la tensión

Por encima del punto A la tensión produce ya no sólo una deformación elástica, sino también una deformación remanente (plástica), y que no desaparece al retirar la carga. Su magnitud es igual al segmento horizontal que va desde la línea de trazos hasta la curva continua.

Deformación elástica

Entre las deformaciones elástica y plástica existe una profunda diferencia física. En la deformación elástica, por la acción de las fuerzas extremas varía la distancia que hay entre los átomos en la red cristalina. Cuando se quita la carga se elimina la causa que promovió la variación de la distancia interatómica, los átomos vuelven a ocupar los puestos que antes tenían y la deformación desaparece.

Deformación plástica

La deformación plástica es un proceso completamente distinto y mucho más complejo. En la deformación plástica una parte del cristal se desplaza con respecto a la otra. Si se retira la carga, la parte desplazada del cristal no retorna a la posición inicial; es decir, la deformación se conserva. Estos desplazamientos se descubren en el análisis microestructural.

Además, la deformación plástica va acompañada de una división de los bloques del mosaico dentro de los granos, y si los grados de deformación son considerables, se observa también un cambio notable en la forma de los granos y de su distribución en el espacio, produciéndose grietas entre los granos (y a veces dentro de ellos).

La representación OAB de la figura 1, entre la tensión (σ) aplicada desde fuera y la deformación relativa (e) que produce, caracteriza las propiedades mecánicas de los metales:

  • La forma en la que se inclina la recta OA indica la rigidez del metal o es característica de cómo la carga aplicada desde fuera hace que varíen las distancias interatómicas, que en primera aproximación caracterizan las fuerzas de atracción entre los átomos. La tangente del ángulo de inclinación de la recta OA es proporcional al módulo de elasticidad (E), el cual es igual numéricamente al cociente de dividir la tensión por la deformación elástica (e) relativa (E = σ/e); la tensión σA corresponde al instante en que aparece la deformación plástica.

La tensión máxima σB corresponde a la carga máxima alcanzada en el ensayo de tracción.

La magnitud de la deformación plástica que precede a la rotura y que se determina como la variación relativa de la longitud (o de la sección transversal) llamada alargamiento relativo δ (o estricción relativa ψ), caracteriza la plasticidad del metal; el área de la superficie que hay debajo de la curva OAB es proporcional al trabajo que hay que gastar para romper el metal. Este índice, determinado por diversos procedimientos (principalmente por golpe sobre una probeta con entalladura), caracteriza la tenacidad del metal.

Formas típicas de curvas de deformación (por tracción)

La curva de la deformación figura 1 en dependencia de múltiples factores (naturaleza del material ensayado, estado de tensión, velocidad y temperatura a que se hace el ensayo, etc.), tiene distinta forma, y analizando ésta puede obtenerse mucha información valiosa.

graficos-tensión-deformación

(Figura 2, a) – Para ciertos metales blandos es característica la existencia de un tramo horizontal (o un diente) de fluencia. Se distingue un límite de fluencia físico σf (cuando existe tramo horizontal) y un límite de fluencia convencional σ0.2 (cuando no existe dicho tramo), los cuales se designan de distinto modo.

(Figura 2, b) – La aparición del estrechamiento (estricción) local durante el alargamiento de la probeta ocasiona una disminución de la tensión convencional –σ = P/F0 (F0 es el área inicial de la sección transversal) se representa con línea de trazo continuo, y un aumento de la efectiva -S=P/F (Fx es la sección transversal de la probeta en el instante dado) en la figura se representa con línea de trazos. El punto B, máximo de la curva σ – e se llama limite de rotura y se designa por σB.

(Figura 2, c) Toda la curva se puede dividir en dos trozos por el punto B, el cual caracteriza el instante en que aparece una grieta capaz de desarrollarse, lo que conduce a la rotura (es decir, a la división en dos partes de la probeta).

En el comportamiento del metal después del punto B pueden ocurrir dos casos diferentes. Si después de formarse la grieta su propagación requiere cierto trabajo, la rotura se llama tenaz y se caracteriza por una forma determinada de fractura. También es posible el caso intermedio: la rotura al principio es tenaz y después, frágil.

Mecanismo de las deformaciones elástica y plástica

Deformación elástica

La deformación elástica es una variación de las distancias entre los átomos por la acción de fuerzas exteriores. Por esto la tensión es una variación de las distancias interatómicas y puede medirse por métodos radiográficos. Es evidente que si se eliminan las causas que produjeron el desplazamiento de los átomos, es decir, la carga, aquéllos retornarán a sus posiciones. En otras palabras, la deformación elástica no provoca en el material ninguna consecuencia. Cuanto menor sea la deformación que produzca la tensión, tanto más rígido será el material. Por lo tanto, el módulo de elasticidad caracteriza la rigidez del material.

Hay dos tipos de módulo de elasticidad: el modulo normal de elasticidad (o módulo de Young) y el módulo tangencial de elasticidad (o módulo de Hooke). En el primer caso las fuerzas tienden a separar los átomos unos de otros, en el segundo, a desplazarlos. El módulo de Young (E) es 2,5 – 3 veces mayor que el de Hooke (G). En particular, para el hierro E = 2 * 104 kgf/mm² y G = 0,8 * 104 kgf/mm².

El valor de los módulos de elasticidad está determinado por las fuerzas de la interacción entre los átomos y es una constante del material. Así, por ejemplo, el módulo normal de elasticidad para el

  • Aluminio es 0,8 * 104 kgf/mm²
  • Hierro, 2 * 104 kgf/mm²
  • Molibdeno, 3 * 104 kgf/mm².
  • El material menos rígido es la goma, cuyo módulo E 0,00007 * 104 kgf/mm²,
  • El más rígido es el diamante, con E = 12 * 104 kgf/mm². Esta característica mecánica es insensible a la estructura, es decir, el tratamiento térmico u otros procedimientos de variación de la estructura del metal no cambian prácticamente el módulo de elasticidad.

Al mismo tiempo, la elevación de la temperatura, que varía (aumenta) las distancias interatómicas, hace que varíe (disminuya) el módulo de elasticidad.

Todas las características mecánicas, a excepción del módulo de elasticidad, son sensibles a la estructura y varían en dependencia del tratamiento (o sea de la estructura) dentro de unos límites muy amplios, lo cual se analizará al tratar las propiedades de los diversos metales.

Deformación plástica

Es natural suponer que este proceso en el que todos los átomos de la parte del cristal que se encuentra sobre el plano de desplazamiento AA se desplazan al mismo tiempo por la acción de la fuerza P y pasan sucesivamente de la posición a, a la posición b y c.

El esfuerzo (σdesp) que hay que aplicar para efectuar este desplazamiento puede calcularse teóricamente. Este cálculo lo hizo J. Frenkel y la fórmula que utilizó fue:

\sigma = \frac{a}{b} \frac{G}{2\pi }

donde G, es el modulo de desplazamiento de Hooke

a – es la distancia interatómica en la dirección del deslizamiento.

b – es la distancia entre los planos

Para las redes metálicas densas la fracción a/b se aproxima a la unidad. De aquí se deduce que el esfuerzo teórico (resistencia teórica) para efectuar el desplazamiento (deformación plástica) es aproximadamente 6 veces menor que el módulo de desplazamiento. Para el hierro el límite teórico de fluencia debe ser igual a 1300 kgf/mm².

Para el hierro blando, es igual aproximadamente a 15 kgf/mm², es decir, casi 100 veces menor. Esta diferencia es tan considerable que al principio la ecuación de Frenkel, lo mismo que la idea acerca de la resistencia teórica, se consideraron erróneas. Para explicar esta discrepancia fue elaborada (por Taylor y al mismo tiempo por Orovan y Polani) la teoría de las dislocaciones. La teoría de las dislocaciones no alcanzo su reconocimiento total hasta que se logro obtener cristales sin dislocaciones, llamados cristales filiformes (whiskers).

Resistencia del cristal según la deformación de la red

LA imagen anterior permite llegar a la conclusión de que el proceso de desplazamiento se efectuará en el cristal con una facilidad tanto mayor, cuanto más dislocaciones haya en el metal. En un metal en que no haya dislocaciones, el desplazamiento sólo es posible a expensas del desplazamiento simultáneo de todas las partes del cristal.

Método de endurecimiento de metales

Existe otro procedimiento para endurecer los metales. Resulta que la resistencia real de los metales disminuye, al aumentar el número de dislocaciones, solamente al principio. Una vez alcanzado un valor mínimo con cierta densidad de las dislocaciones, la resistencia real empieza a aumentar de nuevo. El aumento de la resistencia real con el crecimiento de la densidad de las dislocaciones se explica porque en este caso aparecen no sólo dislocaciones paralelas entre sí, sino también dislocaciones en distintos planos y direcciones. Estas dislocaciones se estorban entre sí al trasladarse y la resistencia real del metal aumenta.

Desde hace mucho se conocen procedimientos para endurecer los metales, que conducen al aumento de la densidad útil de las dislocaciones; entre ellos figuran el endurecimiento por deformación en frío (acritud), la disminución del grano y de los bloques del mosaico, el tratamiento térmico, etc. Además se conocen los métodos de aleación (es decir, de introducción de átomos extraños en la red), que crean imperfecciones y deformaciones de todo tipo en la red cristalina y que también son métodos para crear obstáculos al libre desplazamiento de las dislocaciones (bloqueo de las dislocaciones). A este tipo pertenecen también los procedimientos de formación de estructuras con las llamadas fases. endurecedoras, que producen el endurecimiento por precipitación, y otros. No obstante, con todos estos procedimientos el endurecimiento no alcanza el valor teórico. Por consiguiente, en mayor o menor grado la existencia de dislocaciones en un cristal metálico real es causa de que su resistencia sea menor que la teórica y, al mismo tiempo, le comunica la propiedad de deformarse plásticamente.

¿Puede considerarse como un defecto del metal su capacidad para deformarse plásticamente?

La experiencia demuestra que la capacidad de un metal real para deformarse plásticamente es su propiedad más útil e importante. Esta propiedad se aprovecha en diversos procesos tecnológicos: trefilado, operaciones de doblado, recalcado, embutición, estampado, etc. También tiene gran importancia para asegurar la resistencia de las construcciones o la fiabilidad de las estructuras metálicas, de los elementos de las máquinas y de otros objetos de metal. La experiencia demuestra también que si el metal se encuentra en estado frágil, es decir, si su capacidad para la deformación plástica es baja, las piezas hechas con él son propensas a las roturas repentinas, llamadas frágiles, las cuales se producen frecuentemente cuando las cargas que soporta la pieza son incluso menores que las calculadas.

Referencia: Metalografía A.P. Guliaev

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