Modelo de fractura frágil de Griffith

Fórmula de tensión: Durante la propagación de una grieta se produce lo que se denomina liberación de energía de deformación elástica; o sea, parte de la energía que es almacenada en el material cuando es deformado elásticamente. También se forman nuevas superficies en las caras de la grieta cuando esta se extiende, lo cual origina un incremento en la energía superficial del sistema. Griffith desarrolló un criterio para la propagación de una grieta elíptica.

Microestructura bainítica

Se compone de ferrita y cementita, y en su formación intervienen procesos de difusión. La bainita forma agujas o placas dependiendo de la temperatura de la transformación. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas de Fe₃C.

Obtención de bainita en un acero eutectoide

Depende del tiempo y de la temperatura, y se puede representar en un diagrama de transformación isotérmica a temperaturas inferiores a la formación de la perlita. En los procedimientos isotérmicos realizados entre 540-727 ºC se forma perlita, mientras que entre 215-540 ºC el producto de transición es la bainita.

Variantes de la bainita

• Bainita superior: Se forma en rangos de temperatura inmediatamente inferiores a los de la perlita; se compone de agujas o bastones de ferrita con cementita entre ellas.
• Bainita inferior: Se forma a temperaturas del orden de la martensita.

Propiedades mecánicas de las microestructuras de los aceros

Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas de Fe₃C en una matriz ferrítica; por ese motivo, exhiben una interesante combinación de resistencia y ductilidad.

Parámetro de Larson-Miller

Es una correlación entre la tensión de trabajo, la temperatura de trabajo y el tiempo de ruptura. Se usa para estudiar la vida útil de componentes industriales que operan a elevadas temperaturas. Por ejemplo, la tubería de una caldera.

Endurecimiento por reducción de tamaño de grano

El endurecimiento es consecuencia de que los bordes de grano actúan como una barrera infranqueable para el movimiento de las dislocaciones, y de que el número de dislocaciones dentro de un grano afecta a cómo estas pueden transmitir su efecto a granos vecinos a través de los bordes.

Relación entre límite elástico y tamaño de grano (Hall-Petch)

Fórmula: [FORMULA]

Revenido de la martensita

Se realiza calentando por debajo del eutectoide una martensita durante un periodo de tiempo específico. Normalmente, el revenido se realiza calentando entre los 250 y 650 ºC; sin embargo, las tensiones internas se pueden eliminar a temperaturas de unos 200 ºC.

Microestructura y propiedades del revenido

La microestructura de la martensita revenida consiste en partículas extremadamente pequeñas de cementita embebidas en una matriz ferrítica continua y uniformemente dispersas. Es una estructura parecida a la esferoidita, excepto en el tamaño, que es mucho más pequeño. La martensita revenida es casi tan dura y resistente como la martensita, pero mucho más dúctil y tenaz. Esto se explica por la gran superficie de límite de fase por unidad de volumen que existe en las numerosas y diminutas partículas de cementita.

Fragilidad del revenido

Existen algunos aceros en los cuales, en determinados intervalos de la temperatura de revenido, la tenacidad, en vez de aumentar, disminuye. A este fenómeno se lo conoce como fragilidad del revenido. Se distinguen dos tipos:

• Fragilidad de revenido entre 250 y 400 ºC: Es debida a la formación de una delgada capa de cementita en los contornos de la martensita.
• Fragilidad de revenido entre 450 y 550 ºC: Se presenta en aceros que contienen pequeñas cantidades de cromo y níquel.

Deslizamiento de monocristales

Las dislocaciones de cuña, helicoidales y mixtas se mueven en respuesta a la cizalladura aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y en una dirección de deslizamiento.

Tensión de cizalladura resuelta

Las tensiones de cizalladura resuelta son aquellas existentes cuando se aplica un esfuerzo, ya sea de tracción o compresión, en un monocristal donde sus magnitudes dependen no solo de la tensión aplicada, sino también de la orientación del plano y de la dirección de deslizamiento en este plano. Se calcula de la siguiente forma: [FORMULA].

Tensión de cizalladura resuelta crítica

Es aquella cizalladura mínima que se requiere para iniciar el deslizamiento. El monocristal se deforma plásticamente o cede cuando τ_R(máx) = τ_crss, y la magnitud de la tensión aplicada requerida para iniciar la fluencia (o sea, el límite elástico) es: [FORMULA]. La tensión mínima necesaria para producir la fluencia ocurre cuando un monocristal está orientado de manera que ϕ = λ = 45º.

Proceso de recristalización

Consiste en la formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales y libres de deformación que tienen baja densidad de dislocaciones, los cuales son característicos de la condición previa al trabajo en frío. Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que reemplazan completamente al material matriz.

Temperatura de recristalización

La temperatura de recristalización es la temperatura a la que se produce la recristalización en una hora. Depende del porcentaje de trabajo en frío y de la pureza de la aleación. Si aumenta el porcentaje en frío, aumenta la velocidad de recristalización y disminuye la temperatura de recristalización. La recristalización ocurre más rápido en metales puros que en aleaciones. Al alear un material, aumenta la temperatura de recristalización.

Factores que afectan la temperatura de recristalización

Generalmente, la temperatura de recristalización se encuentra entre un tercio y la mitad de la temperatura de fusión del material o aleación, y su valor varía atendiendo a varios factores, entre ellos el trabajo en frío y la pureza de la aleación. Existe un grado crítico de trabajo en frío por debajo del cual la recristalización no puede ocurrir, el cual está comprendido entre el 2 % y el 20 % de trabajo en frío.

Tratamiento de esferoidización

Si una aleación de acero que tiene una estructura perlítica o bainítica se calienta y se mantiene a una temperatura inferior a la eutectoide por un periodo suficientemente largo (por ejemplo, a 700 ºC aproximadamente entre 18-24 horas), se forma la esferoidita.

Microestructura y fuerza impulsora de la transformación

La fase Fe₃C aparece como partículas esferoidales embebidas en una matriz continua de fase α. Los aceros esferoidizados son extremadamente dúctiles, mucho más que los de perlita fina o gruesa. Además, son notablemente tenaces porque las grietas solo encuentran una pequeña fracción de partículas de cementita frágil para propagarse a través de la dúctil matriz ferrítica.

Aplicaciones del tratamiento

Se aplica en aceros de medio y alto contenido en carbono, cuya microestructura, consistente en perlita gruesa, puede llegar a ser demasiado dura para ser mecanizada.

Cinética de las reacciones de estado sólido

Durante el proceso de formación de una nueva fase existen dos etapas claramente diferenciadas:

1. Nucleación: Comprende la aparición de partículas muy pequeñas o núcleos de la nueva fase que tienen la capacidad de crecer.
2. Crecimiento: Durante esta etapa, los núcleos aumentan su tamaño, lo que conduce a la desaparición de parte o de toda la fase de partida.

La transformación finaliza si se permite que el crecimiento de las partículas de la nueva fase prosiga hasta que alcance la fracción de equilibrio.

Ecuación de Avrami

La curva de transformación sigue la ecuación: y = 1 – exp(-ktⁿ), donde k y n son constantes de la reacción independientes del tiempo.

Velocidad de las reacciones activadas térmicamente

Los procesos cuya velocidad depende de la temperatura algunas veces se denominan activados térmicamente. Asimismo, una ecuación de velocidad que tiene una dependencia exponencial con respecto a la temperatura se denomina ecuación de velocidad de Arrhenius.

Defectos puntuales en materiales cristalinos

• Vacantes: Se trata de un lugar normalmente ocupado por un átomo que, en este caso, está ausente. Todos los sólidos cristalinos contienen vacantes. La necesidad de que existan se explica por los principios de la termodinámica: su presencia aumenta la entropía del cristal.
• Átomos sustitucionales: Cuando un átomo diferente al original sustituye a un átomo de la red ocupando su lugar, recibe el nombre de átomo sustitucional.
• Átomos intersticiales: Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina (intersticios).

Dependencia del número de defectos con la temperatura

El número de vacantes aumenta exponencialmente con la temperatura: a medida que T aumenta en la ecuación N_v = N exp(-Q_v/kT), también aumenta la expresión exponencial.

Reglas de Hume-Rothery

1. Factor de tamaño atómico: La diferencia de los radios atómicos entre soluto y disolvente no debe ser mayor al 15 %.
2. Estructura cristalina: Las estructuras cristalinas de los metales deben ser las mismas.
3. Electronegatividad: Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad, mayor es la posibilidad de formar un compuesto intermetálico en lugar de una disolución sólida.
4. Valencias: Un metal tiene más tendencia a disolver a otro de valencia más elevada que a uno de valencia menor.

Regla de las fases de Gibbs

Representa un criterio para el número de fases que coexisten en equilibrio: [FORMULA].

• P: Número de fases presentes.
• F: Grados de libertad.
• C: Componentes del sistema.
• N: Número de variables de la composición.

Fallo por fatiga

Forma de rotura que ocurre en estructuras sujetas a esfuerzos dinámicos y fluctuantes. La fractura puede ocurrir a un nivel de esfuerzo considerablemente menor que la resistencia a la tracción o el límite elástico estático. La fatiga es catastrófica e insidiosa, pues ocurre súbitamente.

• Límite de fatiga: Nivel de esfuerzo por debajo del cual no ocurrirá la rotura.
• Resistencia a la fatiga: Nivel de esfuerzo en el cual ocurrirá la rotura en un número especificado de ciclos.
• Vida a fatiga: Número de ciclos para causar la rotura a un nivel especificado de esfuerzos.

Factores de dispersión: La fabricación de la probeta, preparación de la superficie, variables metalúrgicas, alineamiento en el ensayo, esfuerzo medio y frecuencia.

Transformación de fases e independencia temporal

El progreso de una transformación se divide en nucleación y crecimiento. Las reacciones no ocurren instantáneamente y presentan una dependencia temporal debido a los obstáculos que existen para el desarrollo de la reacción, finalizando cuando se alcanza la fracción de equilibrio.