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TEMA V: PLASTICIDAD. FLUENCIA A ALTA TEMPERATURA
5.1 Introduccin. 5.2 Caractersticas fundamentales de la fluencia
a alta temperatura. 5.3 Ensayos de deformacin plstica a alta
temperatura. 5.4 Fluencia en monocristales: subida de
dislocaciones. 5.5 Mecanismos de fluencia en policristales sin fase
intergranular. 5.6 Mecanismos de fluencia en policristales con fase
intergranular. 5.7 Superplasticidad.
5.1 INTRODUCCIN.
Como vimos en el tema anterior, la deformacin plstica a baja
temperatura de los slidos cristalinos se
asocia, fundamentalmente, al movimiento y multiplicacin de
dislocaciones bajo la accin de tensiones
mecnicas. Todo proceso de deformacin plstica lleva asociados
cambios microestructurales que, a
temperaturas suficientemente bajas, son irreversibles. En
monocristales, por ejemplo, el cambio microestructural
asociado al movimiento de dislocaciones consiste,
fundamentalmente, en un aumento de la densidad de estos
defectos en los planos de deslizamiento, formndose
intersecciones que dificultan su movimiento y producen el
endurecimiento por deformacin del cristal. Bajo estas
condiciones, la deformacin depende exclusivamente de
la tensin aplicada y se produce de forma prcticamente
instantnea.
La situacin en condiciones de alta temperatura es distinta. A
estas temperaturas generalmente por encima de un 40% de la
temperatura de fusin, 0.4Tf, para cermicos, 0.3-0.4Tf para metales
y entorno a la temperatura
de transicin vtrea, Tg, para polmeros, los cambios
microestructurales asociados al proceso de deformacin son
parcialmente compensados por procesos de restauracin
microestructural de naturaleza difusional. En
consecuencia, la principal diferencia entre los procesos de
deformacin a baja y a alta temperatura es que, en este
ltimo caso, los procesos de difusin desempean un papel
fundamental. Estos procesos de restauracin evitan
el agotamiento o desactivacin del mecanismo de deformacin y, por
tanto, una determinada tensin provoca la
deformacin del material indefinidamente, hasta que cesa su
aplicacin o el material se rompe. De esta forma, la
deformacin no depende ahora exclusivamente de la tensin
aplicada, sino tambin del tiempo y, por supuesto,
de la temperatura a la que tenga lugar el ensayo.
Por ejemplo, los procesos difusionales modifican de manera
esencial el deslizamiento de dislocaciones ya
que posibilitan que puedan moverse fuera de su plano de
deslizamiento por movimiento de subida. Por tanto, el
descenso de movilidad de las dislocaciones existentes al
cruzarse entre s conforme aumenta su densidad es
menos pronunciado a alta temperatura y el endurecimiento por
deformacin es menor. Bajo determinadas
condiciones, la disminucin de movilidad de las dislocaciones por
efecto de su acumulacin al aplicar una
tensin externa es exactamente igual al ritmo al que esta
movilidad aumenta por activacin del movimiento de
subida u otros mecanismos de restauracin. En tal caso no hay
endurecimiento, y el material se deforma (fluye) a
un ritmo (esto es, a una velocidad de deformacin) constante.
Segn lo anterior, en estos procesos de fluencia estacionaria, el
mecanismo de deformacin (llamado
tambin mecanismo principal o primario), que es el responsable de
la deformacin del slido, debe estar
acomodado por un proceso simultneo que relaje las tensiones
internas generadas. En trminos sencillos, el
mecanismo de deformacin marca cunto se deforma el slido (es
decir, su ductilidad), mientras que el mecanismo de acomodacin
marca a qu velocidad lo hace (es decir, su resistencia a la
fluencia). En general, existe ms de un mecanismo de acomodacin de
las tensiones internas (multiacomodacin). En tal caso, el
mecanismo que controla la velocidad de deformacin es el ms lento
de ellos.
El estudio del comportamiento de los materiales a temperaturas
elevadas y, en particular, de la plasticidad a
estas temperaturas es muy importante, puesto que en muchas
ocasiones los materiales operan bajo estas
condiciones (por ejemplo, en turbinas, motores, tuberas de alta
presin en petroqumicas, centrales nucleares,
etc.) y en ese caso sus propiedades de fluencia determinan su
vida til. Si el material se ve sometido a unas
condiciones donde su resistencia a la fluencia es baja, puede
dejar de comportarse adecuadamente y fallar de
modo prematuro (un ejemplo es el derrumbamiento de las torres
gemelas en Nueva York).
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5.2 CARACTERSTICAS FUNDAMENTALES DE FLUENCIA A ALTA
TEMPERATURA.
Consideremos un slido al que, a una temperatura T
suficientemente elevada, se le aplica una tensin en compresin; si
la carga se aplica durante un tiempo suficientemente grande, se
observa entonces una
deformacin plstica del material que vara en el tiempo; este
proceso se denomina fluencia. La curva ideal
deformacintiempo de un material a alta temperatura se muestra en
la figura. En general, en el estudio de la plasticidad a alta
temperatura es ms til representar la fluencia de los materiales en
una grfica velocidad de
deformacindeformacin tambin denominada curva de fluencia.
En ambas curvas se distinguen tres regmenes de deformacin:
5.2.1 Rgimen primario o transitorio.
En este rgimen la deformacin aumenta con el tiempo de una forma
no lineal. En general, el rgimen
primario se caracteriza porque la velocidad de deformacin
disminuye montonamente con el tiempo. Este
rgimen est precedido de la deformacin elstica instantnea del
material. Las causas del rgimen transitorio
son diversas. En monocristales, por ejemplo, est asociado a
cambios microestructurales que limitan el
deslizamiento de las dislocaciones. En estos sistemas, adems, si
la densidad inicial de dislocaciones es
extremadamente baja, el rgimen primario presenta una
caracterstica peculiar: la velocidad de deformacin
aumenta inicialmente con la deformacin debido a la multiplicacin
de dislocaciones. En policristales, este
periodo transitorio puede estar asociado a procesos de
densificacin, crecimiento de grano, reordenamiento de la
estructura de granos o, incluso, al movimiento viscoso de la
fase secundaria en policristales fabricados con fases
vtreas. En cualquier caso, la aparicin y caractersticas del
rgimen primario dependen de la composicin de los
materiales y de las condiciones a las que se deformen.
5.2.2 Rgimen secundario o estacionario.
En este rgimen la deformacin vara linealmente en el tiempo. Aqu,
la velocidad de deformacin es
constante, y es la magnitud que se utiliza para describir este
rgimen y, por extensin, el proceso de fluencia en
general. El rgimen estacionario surge como consecuencia del
balance entre el cambio microestructural asociado al mecanismo
de
deformacin y la acomodacin de tensiones (o restauracin
microestructural) mencionada anteriormente. Como en el
rgimen
primario, las caractersticas del estacionario (en particular,
su
extensin y la velocidad de deformacin caracterstica)
dependen
del material y de las condiciones en las que tenga lugar la
deformacin. En particular, como puede apreciarse en las
figuras
que se muestran a continuacin, depende fuertemente de la
temperatura y de la tensin aplicada (ver figuras).
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Como ya se ha mencionado, en los estudios de fluencia, la
magnitud ms importante a determinar es,
precisamente, la velocidad de deformacin caracterstica del
estado estacionario. El motivo es que los procesos
cinticos que tienen lugar en el rgimen primario son muy variados
y complejos, lo que hace difcil su
identificacin mientras que en el secundario pueden identificarse
con relativa facilidad. La velocidad de
deformacin en rgimen estacionario, como se aprecia en la figura
anterior, depende de la tensin aplicada forma
potencial (la pendiente de dichas rectas sera el exponente,
notar escala bilogartmica), pero tambin de la
temperatura de ensayo, y por supuesto de caractersticas
microestructurales y ambientales. En general, se suele
describir su comportamiento mediante la siguiente expresin:
RT
Q
np edSA
)(
donde A(S) es una funcin de los parmetros microestructurales y
ambientales (forma de los granos, porosidad,
caractersticas de las posibles segundas fases presentes,
atmsfera del ensayo, etc.), d es el tamao de grano, la tensin
aplicada y T la temperatura absoluta. Los parmetros p (exponente de
tamao de grano), n (exponente
de tensin) y Q (energa de activacin) se denominan genricamente
parmetros de fluencia del material, y
caracterizan la variacin de la velocidad de deformacin con el
tamao de grano, la tensin y la temperatura,
respectivamente. La obtencin de los parmetros de fluencia a
partir de las curvas velocidad de deformacin
frente a deformacin es inmediata, como veremos ms adelante.
NOTA: Esta expresin recuerda claramente a la primera Ley de Fick
de la difusin ( RTQ
eDD
0 ), lo que
no es de extraar teniendo en cuenta que ste fenmeno juega un
papel primordial en la fluencia.
Tambin conviene notar la similitud de esta expresin con la
ecuacin de flujo Newtoniano que
vimos en el tema de viscoelasticidad: RTQ
Ae (basta hacer n=1 y despejar).
Los valores de estos parmetros de fluencia, junto con el anlisis
microestructural adecuado, permiten
identificar los mecanismos de deformacin activos. En efecto,
cada mecanismo de deformacin est
caracterizado por una dependencia con la tensin aplicada y la
temperatura (y en el caso de policristales, tambin
con el tamao de grano), de modo que el conjunto de parmetros de
fluencia proporciona una informacin
preliminar acerca de los mecanismos activos. Sin embargo, el
anlisis microestructural es necesario por dos
motivos fundamentales: en primer lugar, porque un mismo conjunto
de parmetros de fluencia puede ser
compatible con ms de un mecanismo y, en segundo lugar, porque en
el transcurso de la deformacin pueden
ocurrir otros procesos inducidos por la exposicin a altas
temperaturas o tensiones (crecimiento de grano,
transformaciones de fase, procesos de oxidacin y degradacin,
etc.) que afectan a los resultados y que, por
tanto, han de ser tenidos en cuenta en la interpretacin de los
resultados de un ensayo de fluencia.
5.2.3 Rgimen terciario o acelerado.
En este rgimen la deformacin aumenta rpidamente con el tiempo
hasta la rotura del material. En general,
el rgimen terciario aparece para altas deformaciones (es decir,
por acumulacin de deformacin) o bien en
condiciones experimentales en las que el mecanismo principal
deja de estar acomodado, a temperaturas o
tensiones excesivamente altas. Como consecuencia de esta falta
de acomodacin aparece un deterioro
microestructural y se produce inestabilidad mecnica en el
material (de forma similar a lo que suceda en el
-
fenmeno de estriccin). Una forma tpica en que esto sucede es
mediante un fenmeno de cavitacin o
formacin de cavidades incontrolado (existen otros mecanismos),
segn se aprecia en el esquema de la figura:
5.3 ENSAYOS DE DEFORMACIN PLSTICA A ALTA TEMPERATURA.
El mtodo experimental ms comn para estudiar la fluencia a alta
temperatura es
la realizacin de ensayos uniaxiales (que se denominan ensayos de
fluencia),
complementados con un estudio microestructural orientado a
identificar los mecanismos
de deformacin en estado estacionario. El dispositivo
experimental es similar a otros
ensayos uniaxiales, pero se usan pesos muertos para garantizar
una carga constante
durante los ensayos y es preciso utilizar extensometra (tanto
para longitud como para
seccin) para obtener resultados fiables. El conjunto muestra +
pistones reintroduce en
un horno y, opcionalmente, en un dispositivo adecuado para
controlar la atmsfera del
ensayo. En los ensayos de fluencia se registra en funcin del
tiempo la deformacin de la
muestra; y a partir de ella se calcula por derivacin numrica la
velocidad de
deformacin, que se representa en funcin de la deformacin para
dar la curva de
fluencia del material en las condiciones del ensayo. A partir de
este tipo de curvas se
determinan los parmetros de fluencia n, p y Q que relacionan la
velocidad estacionaria
con la tensin aplicada, el tamao de grano y la temperatura,
respectivamente.
Consideremos un ensayo a temperatura T en el que la muestra se
deforma bajo una tensin i; una vez alcanzado el estado
estacionario, la velocidad de
deformacin correspondiente ser i , que se relaciona con
i en la forma n
ii STA ),(
donde A(T, S) es un parmetro que incluye la dependencia
de la velocidad de la deformacin con las variables
independientes de . A una cierta deformacin arbitraria (pero en
estado estacionario), = i, se cambia la tensin de i a f, de modo
que, de nuevo, tras el rgimen transitorio aparece el estado
estacionario de deformacin caracterizado
por una velocidad f que verifica: n
ff STA ),(
Si el ensayo tiene lugar a temperatura constante, y si se
extrapola la velocidad de deformacin f al valor de la deformacin a
la que tiene lugar el cambio de tensin, las constantes A(T, S)
anteriores son iguales, de
modo que, dividindolas, se obtiene: n
i
f
i
f
DEFORMACIN (u.a.)
VE
LO
CID
AD
DE
DE
FO
RM
AC
IN
(u.a
.)
T constante
i f > i
i
f
i
.
.
-
de donde,
ii
f
i
f
ST
n
ln
ln
ln
ln
,
El valor de n obtenido corresponde al valor de la deformacin al
que tiene lugar el
cambio. En general, los cambios de tensin son del orden del 20
%, y se realizan a intervalos regulares de deformacin de
aproximadamente 3-5 %.
Tambin se puede calcular el exponente de tensin n, midiendo el
valor de la
velocidad de deformacin estacionaria a un valor fijo de
deformacin para distintos
valores de la tensin aplicada. Si se representa, en escala
logartmica, la velocidad de
deformacin frente a la tensin (ver figura) se obtiene una lnea
recta cuya pendiente es
el exponente de tensin. Este mtodo, al contrario que el
anterior, requiere disponer de
un nmero de muestras relativamente grande; adems, es necesario
preparar
cuidadosamente las muestras en condiciones idnticas ya que, en
rigor, la velocidad de
deformacin estacionaria no debe medirse a deformacin constante
sino a estado
microestructural constante. Por eso, en general, es preferible
el primer mtodo que se
denomina comnmente mtodo diferencial.
El clculo de la energa de activacin se realiza de
modo anlogo, como se esquematiza en la figura de la
derecha, segn la ecuacin:
iif
i
f
S,
TT
R/T)(
RQ
11
ln
1
ln
El nico parmetro que no es susceptible de ser
calculado segn el mtodo diferencial es el exponente de
tamao de grano, porque esta magnitud no puede
modificarse en el transcurso de un ensayo de fluencia. Para
determinar este parmetro, es necesario ensayar, en
idnticas condiciones de temperatura, tensin aplicada y
deformacin final (dentro del estado estacionario)
muestras distintas con distintos tamaos de grano, y representar
la velocidad de deformacin estacionaria frente
a d; la pendiente de la recta de mejor ajuste a los puntos
experimentales en escala logartmica es el exponente p.
Para conocer cual es el mecanismo primario de deformacin y cual
es el mecanismo de acomodacin que
gobierna la fluencia del material ensayado es preciso
complementar los ensayos mecnicos con estudios de la
evolucin microestructural en el transcurso de los ensayos
mediante tcnicas de microscopa. Este estudio
microestructural complementario es necesario porque, un mismo
conjunto de parmetros de fluencia puede
corresponder a ms de un mecanismo de deformacin y por otro,
mecanismos con parmetros caractersticos
distintos a priori pueden dar lugar a los mismos valores
aparentes si concurren otros procesos. Las tcnicas
utilizadas son fundamentalmente la microscopa electrnica de
barrido (SEM) y de transmisin (TEM). El SEM
permite identificar posibles mecanismos intergranulares en la
deformacin de policristales y describir
mesoscpicamente la microestructura de los materiales. Es
particularmente til para identificar procesos de
crecimiento de grano y, si el microscopio dispone de los
detectores adecuados, cambios en la composicin o la
estructura de las fases presentes. La microscopa electrnica de
transmisin se utiliza generalmente en estudios
de deformacin de monocristales y de los mecanismos
intragranulares en policristales (estructura de
dislocaciones, maclas, etc.).
A continuacin estudiaremos los diferentes mecanismos de
deformacin primarios y de acomodacin que
pueden activarse en cada tipo de material.
DEFORMACIN (u.a.)
VE
LO
CID
AD
DE
DE
FO
RM
AC
IN
(u.a
.)
constante
Ti Tf > Ti
f
i
.
.
i
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5.4 FLUENCIA EN MONOCRISTALES: SUBIDA DE DISLOCACIONES.
En monocristales, el mecanismo primario de deformacin a alta
temperatura sigue siendo el deslizamiento
de dislocaciones. Una particularidad del proceso de
deslizamiento a alta temperatura es que, en general, en estas
condiciones existe un mayor nmero de sistemas de deslizamiento,
debido a que la tensin que opone la red al
movimiento de las dislocaciones (la tensin de Peierls y, en
consecuencia, la tensin de cizalladura resuelta
crtica) vara, disminuye, con la temperatura. La variacin no es
la misma para todos los sistemas de
deslizamiento de manera que puede ocurrir que un sistema de
deslizamiento que nunca se activara en
condiciones normales a baja temperatura, pase a ser activo a
alta temperatura. De esta manera, a alta
temperatura es mucho ms comn el fenmeno deslizamiento mltiple,
es decir, la activacin simultnea de
ms de un sistema de deslizamiento.
Por otra parte, como ya vimos, a alta temperatura las
dislocaciones (en arista) pueden moverse fuera de su
plano de deslizamiento, en un movimiento denominado subida
(climb). Consideremos una dislocacin en arista en la posicin A de
un cristal (ver figura), y supongamos que la fila de tomos que pasa
por A y es
perpendicular al plano de la figura se elimina. En tal caso, la
dislocacin pasa a situarse un plano de tomos por
encima de su posicin A original: este proceso se denomina subida
positiva. Si, por el contrario, se aade una
fila adicional de tomos al cristal, entonces la dislocacin se
sita por debajo de su localizacin original, y se
habla entonces de subida negativa.
En el caso de subida positiva, es claro
que eliminar la fila de tomos en A da
requiere vacantes que se muevan hacia la
dislocacin o creacin de defectos
intersticiales que se alejen; anlogamente, la
subida negativa requiere la migracin de
intersticiales hacia la dislocacin o de
vacantes que se alejen. Debido a esta
caracterstica, el proceso de subida de
dislocaciones se denomina movimiento no
conservativo. Adems, dado que el
movimiento de defectos puntuales es de
naturaleza difusional, la subida slo puede
darse en condiciones de temperatura
suficientemente elevada.
El proceso descrito en los prrafos anteriores corresponde al
movimiento de subida de una dislocacin
completa. En general, la eliminacin de la fila de tomos en A no
es completa, y, en subida, se forman codos en
la dislocacin (kinks o jogs, dependiendo, respectivamente de que
se formen o no en el plano de deslizamiento). El proceso de subida
est controlado por la facilidad de movimiento de estos codos de
dislocacin.
Consideremos entonces el proceso de deformacin plstica a alta
temperatura ideal de un monocristal por
deslizamiento de dislocaciones en arista. Al aplicar una tensin,
y tras la deformacin elstica instantnea inicial,
las dislocaciones existentes en el cristal (suponiendo que no
hay multiplicacin) se mueven segn el (los)
sistema de deslizamiento activo hasta abandonar el cristal o
hasta encontrar un obstculo a su movimiento. Estos
obstculos pueden ser defectos puntuales o precipitados
macroscpicos, aunque, en general, es la interaccin con
otras dislocaciones (por ejemplo, la formacin de una dislocacin
ssil, de poca movilidad, o jog como
consecuencia de la interseccin de dos dislocaciones en
deslizamiento) la que limita en mayor grado el
deslizamiento. Estos obstculos se denominan trmicos, porque
pueden ser vencidos por fluctuaciones de
temperatura. Las fronteras de grano, que provocan el apilamiento
de dislocaciones, por el contrario son
obstculos atrmicos. Si la temperatura es baja, el proceso que se
ha descrito da lugar al endurecimiento del
cristal. En cambio, si la temperatura es lo suficientemente
alta, la dislocacin en arista anclada puede abandonar
el plano de deslizamiento original por subida a un plano de
deslizamiento libre de obstculos, continuando as el
proceso de deformacin.
La subida de dislocaciones es el principal mecanismo de
acomodacin (restauracin) en la fluencia a alta
temperatura de monocristales puros: se habla, en tal caso, de
que el comportamiento del material es el de
fluencia restauracin. Para este proceso se han propuesto varios
modelos que relacionan la velocidad de
-
deformacin estacionaria con la tensin y la temperatura. Estos
modelos predicen un exponente de tensin
n = 4.5 y una energa de activacin Q igual a la energa de
autodifusin de las especies qumicas involucradas en
el proceso. La subida de dislocaciones se produce
simultneamente, en general, al deslizamiento cruzado de
dislocaciones helicoidales pero en cualquier caso, es la subida
el mecanismo que controla la velocidad de
deformacin, puesto que conlleva mayores energas de activacin y
por tanto es el proceso ms lento.
Adems de la subida, existe otro proceso comnmente identificado
como mecanismo de acomodacin en la
fluencia de monocristales de baja pureza. Si existe un elevado
nmero de defectos puntuales, es decir, una
sobresaturacin de vacantes o bien de tomos intersticiales en el
caso de soluciones slidas, aparece un
mecanismo combinado de deslizamiento + subida de dislocaciones
pero controlado por el arrastre de la
nube de defectos (Atmsfera de Cottrell) existente alrededor de
las dislocaciones que tiende a dificultar su
deslizamiento. En tal caso, se obtiene un exponente de tensin n
= 3, y la energa de activacin se relaciona con
la difusin de defectos en el cristal.
5.5 MECANISMOS DE FLUENCIA EN POLICRISTALES SIN FASE
INTERGRANULAR.
En el caso de los policristales, su comportamiento mecnico a
alta temperatura est ntimamente
relacionado con la existencia de fronteras de grano, como tambin
sucede a baja temperatura. Sin embargo,
mientras que a temperaturas bajas las fronteras de grano enduren
el material, al constituir barreras atrmicas para
el deslizamiento de dislocaciones y producir el apilamiento de
dislocaciones. A alta temperatura, sin embargo,
las fronteras de grano son las regiones donde tiene lugar
preferentemente la deformacin plstica de los
policristales. Esto se debe a que, a estas temperaturas, tienen
lugar reacciones en estado slido en las fronteras de
grano, que dan lugar a nuevos mecanismos primarios de
deformacin. En efecto, la energa interfacial asociada a
la existencia de estas regiones es alta de modo que, en general,
las fronteras de grano son lugares preferentes
para procesos de difusin y reacciones en estado slido. En el
estudio de la fluencia a alta temperatura en
policristales, cabe distinguir entre los denominados mecanismos
intragranulares y los intergranulares.
5.5.1 Deslizamiento de dislocaciones (mecanismo
intragranular).
El deslizamiento de dislocaciones, principal mecanismo de
fluencia en monocristales, sigue siendo posible
en policristales y constituye el primer tipo de mecanismo
intragranular que vamos a estudiar. No obstante, el
deslizamiento de dislocaciones, acomodado tambin por movimientos
de subida de las dislocaciones, presenta
una serie de caractersticas propias en policristales por la
presencia de las fronteras de grano. En primer lugar, las
fronteras de grano constituyen regiones donde se produce
preferentemente el apilamiento de dislocaciones; en
consecuencia, estos defectos constituyen obstculos atrmicos para
el deslizamiento. Adems, las ligaduras
geomtricas en las zonas de contacto entre granos producen nuevas
y ms complejas formas de deslizamiento de
dislocaciones en el interior de los granos. Adems, las fronteras
pueden ser, de hecho, fuentes de dislocaciones.
Desde el punto de vista macroscpico, este mecanismo
intragranular puede identificarse porque est asociado a
exponentes de tensin n > 2 (en general, n 5 o n 3) y, adems,
porque la fluencia es entonces independiente del tamao de grano (p
= 0) debido a que se generan nuevas subjuntas de grano por
apilamiento de dislocaciones
y, por tanto, el tamao de grano inicial es irrelevante.
La evolucin de la microestructura durante la deformacin
consiste, principalmente, en la formacin de
subgranos debido al apilamiento de dislocaciones. El tamao de
los subgranos es inversamente proporcional a la
tensin aplicada. Adems, los granos se deforman en igual medida
que el policristal, de modo que es tambin
caracterstico de este tipo de mecanismos un alargamiento de los
granos en las direcciones de traccin. Estos
mecanismos son dominantes generalmente en la deformacin plstica
de policristales metlicos, aunque tambin
se han identificado en algunos cermicos (por ejemplo, Al2O3 o
ZrO2) bajo determinadas condiciones.
5.5.2 Fluencia difusional (mecanismo intra o intergranular).
El mecanismo de fluencia difusional se basa en el hecho de que,
bajo la accin de una tensin mecnica, la
concentracin de defectos puntuales vara en zonas de las
fronteras de grano con distinta orientacin con
respecto al eje de tensin. En particular, en regiones de los
granos sometidas a traccin, la concentracin de
vacantes es mayor que en regiones sometidas a compresin. El
gradiente de concentracin de defectos hace que,
-
a alta temperatura (cuando los coeficientes de difusin son
suficientemente grandes), se produzca la difusin de
estos defectos, que es equivalente a un transporte neto de
materia en sentido contrario. Este transporte de
materia da lugar a la deformacin plstica de los granos y, por
tanto, del policristal.
Si la difusin de defectos puntuales tiene lugar por el interior
del grano
(intragranular), el mecanismo se denomina fluencia Nabarro
Herring. En este caso, la velocidad de deformacin estacionaria
depende de la energa de activacin asociada a la
difusin de la especie qumica de menor movilidad por el interior
del grano, Qvol. Adems,
depende inversamente del cuadrado del tamao de grano, d -2
. En general, la fluencia
Nabarro Herring se observa en policristales de tamao de grano
grande (d 1 m) en condiciones de alta temperatura y a tensiones
bajas (por debajo de las tensiones que
inducen el deslizamiento de fronteras de grano).
Por el contrario, si la difusin tiene lugar a lo largo de las
fronteras de grano, el
mecanismo se denomina fluencia Coble (intergranular). Ahora, la
velocidad de
deformacin estacionaria depende de la energa de activacin
asociada a la difusin de la
especie qumica de menor movilidad pero a lo largo de las
fronteras de grano, Qfro, y la
dependencia con el tamao de grano es d -3
. En general, la fluencia Coble es predominante
sobre la fluencia Nabarro Herring en policristales de tamao de
grano pequeo (< 1 m), y a temperaturas ligeramente menores.
En general, a alta temperatura, las tensiones necesarias para
activar mecanismos intragranulares en
policristales son muy superiores a las que se requieren para que
la deformacin se produzca por un mecanismo
intergranular, de modo que son stos los ms frecuentes en el
estudio de los sistemas policristalinos. En
particular, la mayor parte de los materiales cermicos
policristalinos se deforma, a alta temperatura, por algn
mecanismo intergranular.
En los procesos de fluencia difusional, el cambio de
forma macroscpico del material se debe al cambio de forma
de los granos que lo forman. Debido a este cambio de forma,
en el transcurso de la deformacin, los granos deformados
deben deslizar unos sobre otros a fin de asegurar la cohesin
del cristal. Este efecto se ilustra en la figura. El
deslizamiento de los granos a lo largo de sus fronteras que
se muestra en la figura contribuye, en este caso, a la
acomodacin del mecanismo principal. En este sentido, es
distinto del mecanismo de deslizamiento de granos que
describiremos ms adelante.
En algunos casos, el mecanismo de fluencia difusional puede ser
acomodada tambin por difusin de
defectos a travs de las fronteras de grano. Se habla entonces de
fluencia difusional acomodada por reaccin en
la intercara. En este caso, la velocidad de deformacin
estacionaria tambin depende de la energa de activacin
asociada a la difusin de la especie correspondiente, pero la
dependencia con el tamao de grano es d -1
, y la con
la tensin es 2.
La figura muestra los dominios de tensin y temperatura
controlados por cada uno de los mecanismos que
acabamos de estudiar que son los ms importantes en metales
(aluminio en este caso)
-
5.5.3 Deslizamiento de fronteras de grano (mecanismo
intergranular).
Uno de los principales mecanismos de deformacin plstica a alta
temperatura de policristales cermicos
(recientemente tambin se ha observado en metales con tamao de
grano nanomtrico), es el deslizamiento en
fronteras de grano (Grain Boundary Sliding, GBS). En este
mecanismo, la deformacin tiene lugar porque los
granos cambian de vecinos durante el proceso de deformacin, sin
que los propios granos se deformen. Este
proceso se esquematiza en la figura:
Durante el deslizamiento, se generan tensiones internas en los
puntos donde la frontera de grano no es
plana, fundamentalmente en los puntos triples de la estructura.
Estas tensiones deben ser relajadas para que la
deformacin tenga lugar en condiciones estacionarias y, en
consecuencia, es el mecanismo de relajacin de
tensiones internas el que controla la velocidad de deformacin.
Existen varios mecanismos de acomodacin para
el GBS. Por ejemplo, la distorsin elstica de los propios granos
contribuye a la relajacin de tensiones, aunque,
en general, su efecto es pequeo. La mayor parte de la relajacin
es proporcionada por procesos difusionales,
aunque existen condiciones en la que el deslizamiento de
dislocaciones por el interior de los granos contribuye
tambin a la acomodacin del mecanismo.
El ms importante proceso de GBS es el acomodado por difusin. El
modelo comnmente invocado para
este mecanismo de deformacin es el debido a Ashby y Verral, que
acepta la hiptesis de que, durante el
deslizamiento, unidades bsicas formadas por cuatro granos
adoptan una forma intermedia de cuello (como en la
figura anterior). En este caso, la velocidad de deformacin
estacionaria est controlada por los procesos difusin
en volumen y en las fronteras de grano. La fluencia Ashby Verral
se caracteriza por n = 1 y una energa de activacin efectiva que es
un promedio de las energas asociadas a la difusin en volumen y a lo
largo de las
fronteras de grano. Adems, existe una tensin umbral, por debajo
de la cual no existe deslizamiento de
fronteras de grano como mecanismo principal de deformacin, sino
fluencia difusional acomodada por
deslizamiento de grano.
El GBS tambin puede estar acomodado por reaccin en la intercara
(modelo de Artz y Ashby). En tal caso,
el exponente de tensin es n = 2, y el exponente de tamao de
grano es p = 1 o 2. Adems, dependiendo del
material y de las condiciones experimentales, pueden existir
otros mecanismos de acomodacin como, por
ejemplo, el deslizamiento de dislocaciones.
5.6 MECANISMOS DE FLUENCIA EN POLICRISTALES CON FASE
INTERGRANULAR.
Estos sistemas se caracterizan porque, en
las fronteras de grano, existe una fase secundaria
que aparece como consecuencia del proceso de
fabricacin. En la figura se esquematiza la
estructura de las fronteras de grano en presencia
de una fase vtrea intergranular.
Si la fase intergranular es cristalina, los
mecanismos de deformacin del policristal son,
esencialmente, los ya descritos anteriormente,
con la salvedad de que ahora la difusin a lo
largo de las fronteras de grano tiene lugar en la
fase secundaria y, por tanto, depende de los
coeficientes de difusin en esta fase.
Fase secundaria
-
Desde el punto de vista del comportamiento mecnico a
temperaturas altas, es ms interesante el caso en
que la fase secundaria es vtrea, porque su viscosidad puede
disminuir hasta niveles prximos a la de los
lquidos. La presencia de esta fase secundaria afecta a los
procesos de deformacin, bsicamente, de tres formas.
En primer lugar, la fase vtrea constituye una trayectoria de
mayor difusividad, lo que facilita el transporte de
materia con respecto al caso en que las fronteras de grano estn
secas. En segundo lugar, las fronteras de grano constituyen, en
presencia de una fase vtrea, una localizacin preferente para la
formacin de cavidades que, en
determinadas ocasiones, pueden generar un estado de deformacin
estacionaria. Por ltimo, la fase vtrea puede
actuar como lubricante en el proceso GBS: el movimiento viscoso
de la fase secundaria facilita la rotacin y
deslizamiento de los granos. Atendiendo a estos tres factores,
los mecanismos de deformacin en policristales
con fase vtrea intergranular son disolucin precipitacin,
cavitacin y fluencia viscosa.
5.6.1 Mecanismo de disolucinprecipitacin
Es similar al proceso de fluencia difusional aunque con
ciertas
particularidades. Este mecanismo implica tres procesos que
tienen
lugar secuencialmente: En primer lugar, se produce la disolucin
de
material cristalino de los granos en las fronteras sometidas
a
compresin; en segundo lugar, el material disuelto se difunde en
la
fase intergranular hasta que, finalmente, precipita en fronteras
de
grano sometidas a traccin (ver figura). Debido a que estos
procesos ocurren a la vez, el ms lento de ellos es el que
controla la
velocidad de deformacin; as, se habla de disolucinprecipitacin
controlado por difusin (si el proceso ms lento es la difusin a
lo
largo de la fase vtrea) o bien controlado por reaccin en la
interfase (si los procesos ms lentos son las reacciones de
disolucin o precipitacin).
Los distintos modelos propuestos para el mecanismo de
disolucinprecipitacin controlado por difusin predicen n = 1; en
caso de que la velocidad est controlada por reaccin en la
interfase, es n = 2. En cuanto a la
energa de activacin, no es sencillo, en general, relacionarla
con los procesos cinticos, puesto que stos ocurren
secuencialmente. El mecanismo de disolucinprecipitacin ha sido
identificado, como mecanismo primario, en la fluencia de algunos
policristales con fases vtreas (como el nitruro de silicio). No
obstante, en general,
participa del proceso de fluencia como mecanismo de acomodacin
de, por ejemplo, GBS.
5.6.2 Mecanismo de cavitacin
Como ya se ha mencionado, la fase intergranular constituye un
lugar preferente para la aparicin de
cavidades. En general, la cavitacin constituye un paso previo a
la fractura a alta temperatura de los materiales;
de hecho, suele aparecer como consecuencia de la falta de
acomodacin del mecanismo principal y,
normalmente, en regiones de la curva de fluencia prximas al
rgimen terciario. No obstante, en policristales con
fase intergranular sometidos a traccin, la cavitacin puede
constituir un mecanismo de deformacin
relativamente estable.
En efecto, la fase secundaria se distribuye, bien a lo largo de
las fronteras de grano o bien en bolsas
(pockets) o puntos triples de la estructura de granos. Si se
aplica al policristal una traccin externa, estos pockets
estn sometidos a una tensin hidrosttica, que tiende a hacerlos
aumentar de tamao. Si no se abren cavidades,
entonces el crecimiento de las bolsas est limitado por la
cantidad de fase secundaria disponible. Ahora bien: si
se abre una cavidad en una bolsa, se relajan las tensiones
generadas, de modo que esta bolsa contiene ahora una
zona libre de tensiones conectada a otras bolsas sometidas a
tensiones hidrostticas. Por tanto, se produce un
flujo de fase vtrea desde la regin que contiene la cavidad, a
fin de satisfacer la demanda de material vtreo por
parte de los dems pockets (succin); en otras palabras, la
cavidad generada crece, y la dilatacin de los canales
intergranulares y bolsas sin cavidades es acomodada por el
movimiento de rotacin y deslizamiento de los
granos.
En el mecanismo de cavitacin que acabamos de describir, la
velocidad de deformacin estacionaria
depende de forma exponencial con la inversa de la tensin
aplicada y la energa de activacin est relacionada
con la de la viscosidad de la fase secundaria (recordar relacin
entre viscosidad y temperatura: RTQ
Ae ).
-
Adems, en este modelo, la velocidad de deformacin es
independiente del tamao de grano. Por supuesto,
adems de ser en ocasiones el mecanismo principal de deformacin,
la formacin controlada de cavidades puede
tambin ayudar relajar las tensiones generadas durante el GBS,
actuando como mecanismo de acomodacin.
5.6.3 Mecanismo de fluencia viscosa
En este mecanismo la deformacin plstica tiene lugar por la
expulsin de la fase secundaria de su posicin
intergranular. En general, este proceso tiene un carcter
transitorio, ya que slo est activo cuando existe una
cantidad apreciable de fase intergranular. Si toda la fase
secundaria ha sido expulsada de las fronteras de grano,
la deformacin no puede proseguir por este mecanismo y debe
activarse otro mecanismo que d lugar a un
estado estacionario. La mxima deformacin plstica que un material
puede experimentar por flujo viscoso est
relacionada con la fraccin volumtrica de fase secundaria
presente y, en general, esta deformacin no excede
del 2 %. An cuando se observan deformaciones mayores por
fluencia viscosa, esto no corresponde a un
verdadero estado estacionario, sino a un estado transitorio
extendido. En cambio, en mltiples ocasiones el flujo viscoso
constituye un eficiente mecanismo de acomodacin para el
deslizamiento en fronteras de grano.
5.7 SUPERPLASTICIDAD.
Por ltimo, comentaremos brevemente acerca del fenmeno de la
superplasticidad. Se entiende por
superplasticidad un comportamiento mecnico de algunos materiales
que se da bajo determinadas condiciones, y
que consiste en que dichos materiales exhiben una gran
tolerancia a la deformacin plstica (i.e. una gran
ductilidad), siendo capaces de deformar mucho ms all de su
habitual deformacin a rotura, alcanzndose
deformaciones generalmente superiores al 200% e incluso al 1000%
(ver figura) bajo tensiones de traccin.
En general, para alcanzar este estado superplstico deben
verificarse una serie de condiciones:
- La temperatura debe ser alta, por encima de 0.5 T f.
- El material ha de ser un metal o cermico policristalino.
- Su tamao de grano debe ser pequeo ( 5 m, pero sin llegar a ser
nanomtricos) y estable (los granos no deben crecer en dicho rango
de temperaturas)
- Debe existir en el material algn mecanismo inhibidor del
fenmeno de cavitacin.
De este modo se consigue que el material deforme mediante un
mecanismo de deslizamiento en frontera de
grano (GBS) acomodado, generalmente, por difusin en frontera de
grano y que dicha deformacin sea muy
estable, reducindose su seccin de manera uniforme, sin que
aparezcan estricciones que conduciran a su
fractura. De esta forma, se prolonga el estado estacionario y se
alcanzan grandes deformaciones antes de la
rotura. Otra caracterstica de los materiales superplsticos, que
puede apreciarse es la figura anterior, es una
fuerte dependencia de la elongacin mxima con la velocidad de
deformacin (a mayor velocidad, menor
deformacin).
-
Aunque materiales amorfos como el vidrio o algunos polmeros
pueden exhibir a altas temperaturas
deformaciones plsticas enormes, no se consideran materiales
superplsticos ya que su deformacin sucede
mediante mecanismos de flujo viscoso o Newtoniano en una
estructura que se asemeja ms a un lquido que a un
slido.
La superplasticidad tiene importantes aplicaciones prcticas,
especialmente para el conformado de piezas
metlicas mediante la aplicacin de herramientas o gases a presin
y con la ayuda de moldes. Ejemplos de esta
prctica son los conformados superplsticos de Al o Ti para
aplicaciones en industria aeroespacial o automocin.
Lamentablemente, en cermicos este tipo de conformado nunca se ha
conseguido llevar a buen trmino debido a
que en estados de tensin ms complejos que la traccin uniaxial la
estructura sigue siendo muy frgil.
