1 LICENCIATURA EN INGENIERÍA METALÚRGICA UEA: PROYECTO DE INTEGRACIÓN EN LA INGENIERIA METALÚRGICA I MODALIDAD; PROYECTO DE INVESTIGACIÓN " EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CABEZAL, DURANTE EL ENSAYO DE TENSIÓN IN SITU DE LA ALEACIÓN EUTÉCTICA SUPER PLÀSTICA Sn- %37Pb”. PRESENTA: JONNATHAN GARCIA QUINTANAR (2133000489) ASESOR DE PROYECTO: Dr. JUAN DANIEL MUÑOZ ANDRADE COASERORAS DE PROYECTO: DRA. ELIZABETH GARFIAS GARCIA DRA. MIRIAM AGUILAR SANCHEZ TRIMESTRE LECTIVO 20-I FECHA: 28 DE NOVIEMBRE DEL 2020 2 Declaratoria Yo, Juan Daniel Muñoz Andrade, declaro que aprobé el contenido del presente Reporte de Proyecto de Integración " EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CABEZAL, DURANTE EL ENSAYO DE TENSIÓN IN SITU DE LA ALEACIÓN EUTÉCTICA SUPER PLÀSTICA Sn-%37Pb”. Y doy mi autorización para su publicación en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco. Dr. Juan Daniel Muñoz Andrade Yo, Miriam Aguilar Sánchez declaro que aprobé el contenido del presente Reporte de Proyecto de Integración " EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CABEZAL, DURANTE EL ENSAYO DE TENSIÓN IN SITU DE LA ALEACIÓN EUTÉCTICA SUPER PLÀSTICA Sn-%37Pb”. Y doy mi autorización para su publicación en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco. Yo, Elizabeth Garfias García, declaro que aprobé el contenido del presente Reporte de Proyecto de Integración " EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CABEZAL, DURANTE EL ENSAYO DE TENSIÓN IN SITU DE LA ALEACIÓN EUTÉCTICA SUPER PLÀSTICA Sn-%37Pb”. Y doy mi autorización para su publicación en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco. Yo, JONNATHAN GARCIA QUINTANAR, doy mi autorización a la Coordinación de Servicios de Información de la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, para publicar el presente documento " EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CABEZAL, DURANTE EL ENSAYO DE TENSIÓN IN SITU DE LA ALEACIÓN EUTÉCTICA SUPER PLÀSTICA Sn-%37Pb”. En la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco. 3 TABLA DE CONTENIDO Portada ...................................................................................................................................................... 1 Declaratoria .............................................................................................................................................. 2 Tabla de contenido ………………………………………………………………………………………………………………………….3 Índice de figuras ........................................................................................................................................ 5 Índice de gráficos ...................................................................................................................................... 6 1-Introducción ……………………………………………………………………………………………………………………………………..7 2.-Antecedentes ……………………………………………………………………………………………………………………….……..8 3.- Justificación ……………………………………………………………………………………….……………………………………...9 4.-Objetivos……………………………………………………………………………………………………………………………………10 5.-Fundamentos teóricos ……………………………………………………………………………………………………………….12 5.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………………….12 5.2 Constitución de la materia …………………………………………………………………………………………...12 5.3 Estructuras cristalinas ………………………………………………………………………………………………....13 5.4 Dislocaciones………………………………………………………………………………………………………………..14 5.5Deslizamiento de borde de grano ………………………………………………………………………………….15 5.6 Endurecimiento por deformación plástica en frío. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano………………………………………………………………………………………………………...17 5.7 Curva esfuerzo- deformación………………………………………………………………………………………..19 5.8 Definición e historia de la super plasticidad ………………………………………………………………….20 5.9 Tamaño de grano …………………………………………………………………………………………………………22 5.10 Aplicaciones de la aleación eutéctica estaño- plomo…………………….…………………….……..23 6. Desarrollo experimental …………………………………………………………………………………………………………….24 6.1 Preparación de probetas ………………………………………………………………………………………………25 6.2 Sistema de referencia……………………………………………………………………………………………………25 6.3 Prueba de tensión en microscopio electrónico de barrido …………………………………………….26 6.4 Obtención del tamaño de grano por método de Intersección lineal………………………….……..….28 6.5 Ensayo de tensión en la Máquina de Tensión Universal Instron ………………………………..…………30 4 7.- Resultados ……………………………………………………………………………………………….………………………………....31 7.1 Microanálisis por EDS……………………………………………………….……………………………………...……..31 7.2 Obtención del tamaño de grano por líneas intersecas …………………………………………….….31 7.2 Ensayo de tensión unidireccional ……………………………………………………..………………………..32 7.3 Ensayo de tensión unidireccional in situ en el M.E.B.………………………………………………....35 8.- Análisis de resultados ………..…………………………………………….………………………………………………………….39 9.- Discusión de resultados ………………………………………………………………………………………………………………50 10.- Conclusión ………………..……………………………………………………………………………………………………………….52 11.- Bibliografía ……………………………………………………………………………………………………………………………….53 5 índice de figuras Figura 1.- Modelo representativo de átomos como esferas solidas simulando el enlace con líneas……………………………………………………………………………….…..12 Figura 2.- Diferencia entre el radio atómico del estaño versus plomo ………………12 Figura 3.- Redes de Bravais más comunes …………………………………………….13 Figura 4.- Deslizamiento de borde de grano……..……………………………………..16 Figura 5.- Curva de endurecimiento por deformación…………………………………16 Figura 6.- Endurecimiento por deformación plástica en frío…………………………..18 Figura 7.- Curva esfuerzo-deformación………………………………………………....18 Figura 8.- Esquema de material super plástico…………………………………………19 Figura 9.- Geometrías utilizadas en la medición del tamaño de grano…………….…22 Figura 10.- Probetas troquelas……………………………………………………………24 Figura 11.-Esquema del sistema de referencia…………………………………………25 Figura 12. Microscopio electrónico de barrido SUPRA 55VP………………………….26 Figura 13. Módulo de tensión Kammarth & Weiss………………………………………27 Figura 14.- Plantilla para método de Intersección (norma ASTM E-112)…………….27 Figura 15.-. Máquina de Tensión Universal Instron....................................................29 6 índice de gráficos Gráfico 1.- Curva típica de deformación real versus esfuerzo real de una probeta de Sn-%37Pb, ensayada unidireccionalmente a una velocidad de cabezal constante V1 =0.28 mm/min a temperatura ambiente………………………………………………………………………………...32 Gráfico 2.- Curva típica de deformación real versus esfuerzo real de una probeta de Sn-%37Pb, ensayada unidireccionalmente a una velocidad de cabezal constante V1 =0.56 mm/min a temperatura ambiente………………………………………………………………………………..33 Gráfico 3.- Curvas típicas de deformación real versus esfuerzo real a velocidades diferentes de cabezal…………………………………………………………………………………………..…39 Gráfico 4.- Esfuerzo máximo para cada velocidad …………………………………………..….40 Gráfico 5.- Esfuerzo de cedencia para cada velocidad …………………………………….…..40 Gráfico 6.- Módulo de resiliencia para cada velocidad ………………………………………….40 Gráfico 7.-Módulo elástico para cada velocidad …………………………………………………..40 Gráfico 8.- Módulo de resiliencia para cada velocidad ………………………………………....41 Gráfico 9.-Módulo elástico para cada velocidad …………………………………………………..41 Gráfica 9.- Rapidez de deformación versus deformación real a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente. ……………………………41 Gráfica 10.- Rapidez de deformación versus esfuerzo real a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente……………………………………….....41 Gráfica 11.- Energía de activación versus esfuerzo real a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente……………………………………………..42 Gráfica 12.- Energía de activación versus volumen activado a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente………………………………………….43 Gráfica 13.- Energía de activación versus rapidez de deformación a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente……………………………..43 Gráfica 14.- Energía de activación versus deformación real a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente………………………………………….44 Gráfico 15.- Mapeo del flujo policristalino para cada grano asociado a los pasos de deformación que fue sometido la aleación Sn-37%Pb a una velocidad V=38 mm/min…….....44 Gráfico 16.- Desplazamiento de un grano del sistema policristalino de la aleación Sn-37%Pb al ejercer deformación irreversible para V=0.038mm/s …………………………………………..49 7 1.-Introducción La súper plasticidad típicamente se define como la capacidad que tiene un material a alargarse en cientos o miles de porcentaje en veces1, principalmente se presenta en materiales metálicos por su unión atómica, los cuales a su vez forman celdas de átomos llamados granos. Siendo estos los principales actores en los mecanismos de deformación en los materiales. Durante los procesos de deformación irreversible se han establecido cuatro tipos de fenómenos importantes: deslizamiento de dislocaciones, recristalización dinámica, termo fluencia, transformaciones de fase e inclusive formación de maclas2. En los últimos años los avances científicos y tecnológicos, desde el descubrimiento de la súper plasticidad hasta la actualidad, han demostrado que el principal mecanismo que actúa durante el flujo súper plástico está relacionado con el deslizamiento de borde de grano, así como los mecanismos de reordenamiento de los granos. Diversas investigaciones destacan, los requisitos microestructurales, así como condiciones de flujo súper plástico en materiales metálicos que son los siguientes [1,2,3]:Tamaño de grano fino equiaxado y menor, a 10 μm, temperatura de deformación (0.4-0.5) Tf (Tf=temperatura del punto de fusión),rapidez de deformación entre 10−1s-1- 10−5s-1, sensibilidad a la rapidez de deformación entre (0.3≤1). El flujo super plástico en metales se caracteriza por extensiones de plástico extremadamente grandes (hasta 2000%) antes de la fractura. Los tamaños de grano tan pequeños generalmente no pueden ser mantenidos en aleaciones monofásicas a altas temperaturas y, en consecuencia, la super plasticidad suele ser observada en materiales de dos fases a menudo con eutéctica o composición eutectoide. En la literatura se mencionan dos ventajas importantes para el estudio de operaciones de conformado en metales súper plásticos [4], el primero consiste en poder lograr grandes deformaciones sin llegar a la fractura y el segundo, que el esfuerzo requerido sea el mínimo. En las últimas cuatro décadas, se han realizado investigaciones para reconocer la naturaleza de los mecanismos de deformación súper plástica, desarrollando varios métodos termo-mecánicos para hacer más eficientes las operaciones de conformado en metales. 8 El propósito de esta investigación es obtener a través de ensayos de tensión in situ, a diferentes velocidades los mecanismos de deformación en la aleación súper plástica Sn-37%Pb. 2.- Antecedentes La importancia en el estudio del conformado de materiales es de gran relevancia, ya que su estudio nos permite comprender de una manera más exacta los fenómenos que ocurren durante la deformación plástica irreversible de diferentes materiales. Anteriores investigaciones [1,2,3]: han demostrado que el principal mecanismo que actúa durante el flujo súper plástico está relacionado con el deslizamiento de borde de grano, así como los mecanismos de reordenamiento de los granos. La aleación Sn- Pb ha sido objeto de estudio [3,4] para encontrar los mecanismos y condiciones que favorecen el flujo súper plástico, afirmando que este comportamiento se presenta a temperatura ambiente en donde el alargamiento parece aumentar a medida que disminuyen tanto el tamaño de grano así como la velocidad de deformación inicial. Por último, se afirma que el mecanismo predominante durante la deformación es el deslizamiento del límite de grano. 9 3.-Justificación: Científico-técnica. Durante el último siglo, diversos investigadores han buscado la explicación de los principales mecanismos que actúan durante la deformación de materiales que reúnen las condiciones para presentar flujo súper plástico, ya que actualmente su producción va en aumento, se busca comprender de una manera más clara los diferentes mecanismos que operan durante el conformado de este tipo de materiales y así poder mejorar la producción y la eficacia de sus productos. Social Estimando que durante los últimos años el uso de la aleación eutéctica Sn – Pb ha incrementado debido a sus buenas propiedades para ser sometida a usos principalmente de soldaduras y recubrimientos. Se puede generar un avance para el mejor aprovechamiento beneficiando el uso humano. Ambiental. Mediante el conocimiento de los mecanismos de deformación presentes en esta aleación de gran relevancia se pueden generar o mejorar los procedimientos para el conformado de materiales y con ello optimizar la cantidad recursos necesarios para su producción, gracias a esto se pueden utilizar menos recursos naturales y satisfaciendo las necesidades de producción 10 4.-Objetivos: General: Evaluar el efecto de la velocidad de cabezal en el flujo granular durante el ensayo de tensión in situ de la aleación super plástica eutéctica Sn-%37Pb. Objetivos específicos Troquelar dos probetas de una lámina de la aleación eutéctica Sn-%37 Pb. Realizar la preparación metalográfica de la placa de la aleación eutéctica Sn – %37 Pb. Elaborar un sistema de referencia en forma de cruz en ambas probetas. Realizar 2 ensayos de tensión en el Microscopio electrónico de barrido (MEB) de la aleación eutéctica Sn-%37Pb a temperatura ambiente, con dos diferentes velocidades de cabezal. Tomar evidencias fotográficas de cada etapa de la deformación a diferentes escalas, durante el ensayo de tensión en el (MEB). Realizar el mapeo de flujo granular, mediante un sistema de referencia inscrito sobre la superficie de la muestra. Cuantificar los mecanismos de deformación existentes durante la deformación irreversible de la aleación súper plástica eutéctica Sn-%37Pb Analizar los mecanismos de deformación irreversible alcanzados durante los ensayos. Evaluar el efecto de la velocidad de la cabeza sobre el flujo granular, durante el ensayo de tensión in situ de la aleación super plástica eutéctica Sn -%37Pb Operativos Preparar dos probetas para ensayo de tensión, con sistema de referencia inscrito sobre la superficie de las probetas. Realizar 2 de ensayos de tensión con las siguientes velocidades 0.38 𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛 y 0.56 𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛 a temperatura ambiente. Tomar evidencia fotográfica de al menos 5 etapas de deformación previas a la fractura del material a diferentes escalas (60x 100x 200x 500x 1000x). 11 Realizar el mapeo del flujo granular asociado a cada prueba de tensión. Cuantificar los mecanismos que contribuyen a la deformación total. Analizar los resultados de la contribución de los mecanismos de deformación a la deformación irreversible total alcanzada durante el ensayo de tensión in-situ de la aleación súper plástica a 2 diferentes velocidades. Discutir los diferentes aspectos de la fenomenología y mecánica del flujo policristalino asociado al proceso de deformación irreversible bajo tensión unidireccional de la aleación súper plástica eutéctica Sn-Pb en función a sus velocidades de deformación. 12 5.-Fundamentos teóricos 5.1 Introducción En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos que se requieren analizar para poder entender el fenómeno de la super plasticidad, incluyendo los antecedentes históricos, así como los principales mecanismos que originan la super plasticidad. 5.2 Constitución de la materia El átomo es definido como la partícula fundamental que constituyente la materia a través de ellos existen agrupamientos que conforman una estructura cristalina, estas estructuras a su vez se convierten en celdas unitarias.5 Figura 1.- Modelo representativo de átomos como esferas solidas simulando el enlace con líneas. En el modelo de estructura de metales se entiende que los materiales están formados por átomos los cuales se comportan como esferas sólidas y que son de diferente naturaleza química lo que se refleja en su diferente tamaño. El tamaño de las esferas se define por su radio. Existe para cada elemento de la materia diferente tamaño radio como se observa a continuación ´ Figura 2.- Diferencia entre el radio atómico del estaño versus plomo 13 Los átomos se enlazan entre sí para dar cohesión al material. Las características del enlace son diferentes dependiendo del tipo de material (metales: enlace metálico, cerámicas: enlace iónico, polímeros: enlace covalente entre los átomos que forman las moléculas). El enlace metálico tiene naturaleza electrostática, lo cual significa que las fuerzas que mantienen unidos a los átomos son generadas por cargas eléctricas. Esto hace que el enlace que une a los átomos se comporte de manera elástica, es decir, al intentar separar los átomos el enlace que los une puede estirarse. La forma como los átomos se agrupan entre sí no es aleatoria en todos los materiales. Se tienen tres posibilidades: a. Los átomos se unen unos a otros sin seguir un orden o patrón definido. esta característica se les llama Materiales Amorfos. b. Los átomos se unen entre sí siguiendo un patrón definido en todo el material. El patrón de ordenamiento es repetitivo y regular, extendiéndose por todo el material. c. Algunos materiales pueden tener partes cristalinas (átomos ordenados siguiendo un patrón) y partes amorfas (átomos colocados de manera aleatoria). Cuando los metales se solidifican a partir de un estado líquido, los átomos se reorganizan en varias configuraciones ordenadas, llamadas, cristales. Este arreglo de los átomos en el cristal se conoce como estructura cristalina 5.3 Estructuras cristalinas Un cristal es un conjunto de átomos dispuestos periódicamente en el espacio, estos a su vez se distribuyen y forman una red cristalina la cual es un conjunto infinito átomos ordenados de corto y largo alcance6. En 1948, el físico francés Auguste Bravais demostró que tan solo existen 14 tipos de redes cristalinas en tres dimensiones, desde entonces, dichas redes son conocidas como redes de Bravais7. Entre las distintas redes de Bravais cabe citar la CS (cúbica simple), la CCC (cúbica centrada en el cuerpo) y la CCF (cúbica centrada en las caras): 14 Figura 3.- Redes de Bravais más comunes 5.4 Dislocaciones Una dislocación es un defecto de línea en la red cristalina esto debido a que los átomos han perdido su localización respecto a la red perfecta o libre de defectos8. Existen diferentes formas de crear una misma dislocación, sin embargo, la estructura y las propiedades de las dislocaciones no dependen de cómo se crearon. A partir de la línea de dislocación, un borde situado entre la parte desplazada y la no desplazada del plano de corte, podemos definir el ángulo característico como el ángulo entre dicha línea y el vector de desplazamiento. Atendiendo a dicho ángulo, podemos diferenciar tres tipos de dislocaciones: dislocaciones de cuña o arista (0o), dislocaciones helicoidales o de tornillo (90o) y dislocaciones mixtas (0o-90o). Deslizamiento de las Dislocaciones Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación puede romper los enlaces de los planos atómicos contiguos, estos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y en sentido contrario para reestablecer sus enlaces atómicos, esta combinación hace que la dislocación se desplace, finalmente el material queda deformado9. Importancia del deslizamiento de las dislocaciones El deslizamiento de las dislocaciones principalmente se ve afectado por que la resistencia mecánica de cada material es diferente. El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de deformación). De no existir deslizamiento, el material sería frágil (enlace iónico y covalente puro). Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir impurezas, defectos, solidificación, etc.) permite controlar las propiedades mecánicas del material. 5.5 Deslizamiento del borde de grano El deslizamiento del borde de grano (GBS) es un proceso que se produce durante la fluencia atómica en ocasiones a alta temperatura en especial para el flujo súper plástico de materiales policristalinos y en el que un grano se desliza sobre otro grano bajo la acción de un esfuerzo de corte 15 El estudio sistemático del flujo súper plástico policristalino durante la prueba de tensión de láminas metálicas, es posible aplicando la técnica de marcado para obtener el mapeo del flujo policristalino, durante la prueba de tensión axial. El desarrollo se basa principalmente utilizando una técnica de marcador de líneas[,2] inscritas en la superficie pre pulida antes del ensayo de deformación. Por lo general, se utilizan pequeñas líneas de marcador en orden. Para aumentar la precisión de las mediciones de las compensaciones de la línea de marcador en los límites de grano, causado por el deslizamiento de límite de grano (GBS) durante la deformación. De acuerdo al estudio deslizamiento cooperativo de borde de grano se observan las siguientes características en materiales policristalinos sometidos a tensión cumpliendo las condiciones y requerimientos ya mencionados para obtener flujo súper plástico [10]. 1.-Deslizamiento de los grupos de grano. 2.- Se han observado dos sistemas de rastros en la superficie 3.- La orientación de las superficies tiene un ángulo específico con respecto al eje de tracción. Los últimos datos han mostrado que este fenómeno es condicionado por la acción de un mecanismo específico de deformación-cooperativa de deslizamiento del borde de grano, como se mencionó en la parte anterior cabe mencionar que este mecanismo de deformación no se relaciona con el arreglo cristalino y las dislocaciones, solo depende de la longitud del área y de la estructura de los límites de grano. Figura 4.- Deslizamiento de borde de grano de una aleación Sn-37%Pb. 16 5.6 Endurecimiento por deformación plástica en frío. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano. El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por el cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado plásticamente, este fenómeno sucede de la siguiente forma:11 1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina. 2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. 3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en número. 4. Al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento. 5. Al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido. Producto de ellos se refleja en la curva esfuerzo – deformación unitaria del material: Figura 5.- Curva típica esfuerzo vs deformación verdadera Recuperación. Durante la recuperación, alguna de la energía interna guardada en la deformación de la estructura cristalina es liberada a causa del movimiento de las dislocaciones (las cuales se mueven sin esfuerzos externos aplicados) como resultado de la difusión atómica. Existe alguna reducción en el número de dislocaciones y la configuración de estas cambian de modo que poseen bajas energías de deformación. 17 Recristalización dinámica. Aun cuando en la recuperación ha sido completada, los granos de la estructura cristalina todavía se encuentran en un estado de elevada energía de deformación. La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos libres de deformación con baja densidad de dislocaciones y característicos de la condición previa al trabajo en frío. La fuerza que produce esta nueva estructura de granos es la diferencia en la energía interna entre el material deformado y no deformado. Los granos nuevos se forman de un núcleo pequeño y crecen hasta que reemplazan completamente a los granos deformados originales, proceso que requiere difusión de corto alcance. Durante la recristalización, las propiedades mecánicas que fueron cambiadas como resultado del trabajo en frío son restauradas a sus valores previos a la deformación plástica, es decir, el metal se vuelve más suave, más débil y dúctil. La recristalización dinámica es un proceso cuya extensión depende tanto del tiempo como de la temperatura a la que son expuestos el material. El grado o fracción de recristalización aumenta con el tiempo al que el material está expuesto a la temperatura elevada. La recristalización de una aleación metálica en particular algunas veces se especifica en términos de la temperatura de recristalización, la cual se define como la temperatura a la cual el proceso de recristalización finaliza en 1 hora. Generalmente la temperatura de recristalización se encuentra entre un tercio y la mitad de la temperatura de fusión absoluta del metal o aleación, y depende de varios factores incluidos la cantidad de trabajo en frío y la pureza de la aleación. Crecimiento del grano. Después que la recristalización se ha completado, los granos libres de deformación continuarán creciendo si el metal se mantiene a la temperatura elevada. Este fenómeno es llamado crecimiento del grano. El fenómeno del crecimiento del grano ocurre debido a que a medida el grano crece, disminuye el área total de las fronteras de los granos, disminuyendo por tanto la energía total almacenada en el material. 18 Figura 6.- Endurecimiento por deformación plástica en frío. 5.7 Curva esfuerzo-deformación El ensayo de tensión es ampliamente usado para proporcionar información sobre la resistencia de los materiales y como una prueba aceptable para la especificación de materiales. En la prueba de tensión una probeta está sujeta a un continuo aumento de fuerza de tensión uniaxial, siendo simultáneamente observado el alargamiento de la probeta. Una curva de esfuerzo- deformación se construye a partir de las medidas de carga-alargamiento. Figura 7.- Curva esfuerzo-deformación La curva esfuerzo-deformación y las propiedades de flujo y fractura derivadas de la prueba de tensión son fuertemente dependientes de la temperatura a la cual son hechas las pruebas. En general, la resistencia decrece y la ductilidad se incrementa conforme la temperatura de la prueba se incrementa. Sin embargo, los cambios estructurales tales como la precipitación, deformación o recristalización pueden 19 ocurrir a ciertos intervalos de temperatura que alteren este comportamiento en general. Los procesos de activación térmica asisten la deformación y reducen el esfuerzo a elevadas temperaturas. 5.8 Definición e historia de la super plasticidad Observaciones de grandes deformaciones fueron realizadas a finales de los años 20´s del siglo pasado, primero en un laboratorio por Bengough en 1912, al lograr que un latón alcanzara una deformación de 163% a 700ºC12, sin embargo, la primera evidencia fotográfica del fenómeno fue obtenida hasta 1928 por Jenkis, quien alcanzó elongaciones de 300% en aleaciones eutécticas Pb-Sn y Cd-Zn Otra de las observaciones más espectaculares de la súper plasticidad es la reportada por Pearson en 1934, de una aleación de Sn-Bi donde se sometió a casi 2000% de elongación. También afirmó entonces, por primera vez, que el deslizamiento de borde de grano (GBS por sus siglas en inglés) era el principal mecanismo responsable de la deformación súper plástica13. En el mundo occidental, también había interés en estas observaciones, años mas tarde, estudios llevados a cabo en la URSS, descubrieron el mismo fenómeno, y el termino super plasticidad fue inventado por Bochvar y Sviderskaya en 1945, para describir la amplia ductilidad observada en aleaciones de Zn-Al. El termino súper plasticidad según Bochvar[14]y Sviderskaya[15], en 1945, se refiere a la propiedad que posee un material policristalino de experimentar grandes alargamientos (cientos o miles porcentaje en veces) de manera isotrópica, sin llegar a la fractura, cuando está sometido a esfuerzos de tracción mecánica. Figura 8.- Esquema de material super plástico Tipos de superplasticidad Básicamente, pueden diferenciarse dos tipos de comportamiento super plástico en materiales metálicos. El primero suele denominarse superplasticidad por esfuerzos internos o ambiental y se refiere a las grandes deformaciones alcanzadas en ciertos 20 materiales metálicos en condiciones en las que se producen altas tensiones internas durante el transcurso de la deformación16. El segundo tipo se denomina superplasticidad estructural y se refiere a las grandes deformaciones alcanzadas en aleaciones metálicas que poseen un tamaño de grano muy fino. Superplasticidad por esfuerzos internos o ambiental Un material metálico puede ser sometido a ciertas condiciones de ensayo que generen tensiones internas. En este caso, la fluencia plástica del material se ve acelerada como consecuencia de la contribución aditiva de las tensiones internas y externas. Dichas condiciones ambientales pueden darse sometiendo el material a una: • variación cíclica de la temperatura en un intervalo de temperaturas en el que el material presente anisotropía de dilatación lineal. • variación cíclica de la temperatura por encima y por debajo de la correspondiente a una transformación de fase. • irradiación con neutrones. En todos estos casos, para obtener las grandes deformaciones típicas de un comportamiento super plástico, es necesario aplicar una pequeña tensión externa. Superplasticidad estructural La superplasticidad estructural se refiere a los grandes alargamientos que se logran en aleaciones metálicas que poseen un tamaño de grano muy fino, generalmente de 5-15 µm. Tales aleaciones suelen ser supe plásticas a temperaturas comprendidas entre 0.4 y 0.7 de la temperatura absoluta de fusión En el caso de la superplasticidad estructural, la deformación está asociada con un deslizamiento de bordes de grano. Si colocáramos antes del ensayo super plástico un retículo impreso en una probeta observaremos como sufre un deslizamiento después de un ensayo super plástico en tensión. Esto sugiere la existencia de un deslizamiento del borde de grano que se extiende de la parte superior derecha a la parte inferior izquierda. 21 La superplasticidad estructural ha sido mucho más estudiada y tiene actualmente mucha más importancia tecnológica de la superplasticidad por esfuerzos internos. A continuación, se tratarán los mecanismos de deformación que controlan este tipo de superplasticidad. Requisitos para la super plasticidad. a) El material debe tener un tamaño de grano uniforme. (menor a 10 μm) b) El material debe tener una elevada sensibilidad a la velocidad de deformación. (0.3≤1). c) La rapidez de deformación debe ser baja. (entre10−1s-1- 10−5s-1) El requisito de un tamaño se grano uniforme, estable y muy fino sólo se logra mediante un procesamiento termo mecánico controlado. Esto se consigue por medio de secuencias apropiadas de trabajo en caliente, trabajo en tibio y trabajo en frío, con pasos intermedios de recocido por recristalización en el caso de productos forjados. 5.8 Tamaño de grano Método estándar para la determinación del tamaño de grano. La norma ASTM E-112 describe distintos métodos para la medición del tamaño de grano, los cuales se clasifican de acuerdo con diferentes procedimientos: paramétrico, comparación, de intercepción lineal y circular. Procedimiento de Comparación: involucra la comparación de la estructura de grano con una serie de imágenes graduadas. Procedimiento Planimétrico: involucra el conteo del número de granos dentro de un área determinada. Procedimiento de Intersección: involucra el conteo de los granos interceptados por una línea de ensayo o el número de intersecciones de la línea con los bordes de grano. Procedimiento de Intersección La figura 9 muestra las distintas geometrías utilizadas en la medición del tamaño de grano mediante el procedimiento de intersección. Las cuatro líneas rectas de la figura corresponden al método de Heyn. El método de Hilliard utiliza una circunferencia generalmente de 100, 200 o 250 mm de perímetro. Las tres circunferencias de la Figura corresponden al método de Abrams (entre las tres suman una longitud de 500mm). 22 Figura 9.- Geometrías utilizadas en la medición del tamaño de grano 5.9 Aplicaciones de la aleación eutéctica estaño- plomo Estas aleaciones se utilizan generalmente para estañado, para falsa soldadura. En general, se conoce con el nombre da falsa soldadura de los metales, a la unión de dos metales lograda por la interposición de otro metal o aleación de más bajo punto de fusión. Metal de soldadura, o metal infiltrante. El Sn forma soluciones sólidas con la mayor parte de los metales; de tal modo que en la superficie de contacto entre una aleación de soldadura Pb – Sn y el metal base se produce una difusión parcial que permite una unión que resiste a la tracción entre 2 y 5 Kg/mm2. Como es lógico, los metales soldados con estaño, estañados, no es conveniente trabajen a tracción. Pero, en cambio, para otro tipo de uso, la unión entre ambos metales por soldadura al estaño es muy buena. Se distinguen dos tipos de Pb – Sn para soldadura: uno de ellos, el empleado para solidificación “franca”, también conocido con el nombre de soldadura al estaño, es el tipo cuya composición química corresponde a la eutéctica; es decir: 62 % de Sn y el resto Pb, Lo mejor de todo el sistema Pb – Sn, es que tiene el punto de fusión más bajo. Sin embargo, debido a la gran diferencia de precio entre el Sn y el Pb, se utilizan a veces aleaciones de 50 % de Sn, e incluso menos Sn, para este tipo de aplicación. 23 6.-Desarrollo experimental Para realizar el proyecto se requirió de los siguientes materiales y equipos los cuales se encuentran dentro de las instalaciones de la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco. Material Probetas planas de la aleación “Sn-%37Pb.” Papel abrasivo 600 y 1200. Paño para pulir aleaciones no ferrosas. Escobetilla Jabón líquido. Alúmina de 0.1μm y 0.03μm . Agua destilada Alcohol isopropílico Ácido clorhídrico Equipo Troqueladora Taladro mecánico. Broca de 13/16”. Secadora Micro durómetro Vickers. Desbastadora. Pulidora metalográfica. Microscopio óptico. Vaso de precipitados. Equipo de Ultrasonido. Microscopio Electrónico de Barrido MEB SUPRA 55VP Módulo de tensión Kammarth & Weiss. Máquina Universal de Ensayos Instron. 24 6.1 Probetas planas A partir de una placa de la aleación Sn-%37Pb se laminó hasta conseguir el espesor de 0.05cm posteriormente se cortaron tiras de un metro las cuales fueron troqueladas para obtener las probetas de la Figura 10. Con las siguientes dimensiones 7.3 mm de largo, 3.4 mm de ancho y espesor de 0.5 mm en promedio. Figura 10.- Probetas troqueladas Una vez obtenidas las probetas se maquinaron los puntos de sujeción con ayuda de un taladro y una broca. Metalografía. Para poder visualizar la microestructura de la aleación se requirió realizar el siguiente procedimiento: 6.1.1. Desbaste: El desbaste es típicamente el emparejamiento de la superficie además del refinamiento de rugosidades y de la corteza del material, debido a que la placa es muy delgada el desbaste se realizó por partes. Debido a la naturaleza de dicho material posee una dureza baja así que se inició el desbaste fino con papel abrasivo del 600 GRIT, con el fin de desaparecer rayas superficiales producidas por la laminación, y después a 1200 GRIT. 6.1.2. Pulido: El pulido se realizó a 250 rpm con alúmina del 0.3 um y 0.01 um con un paño único hasta lograr obtener una imagen tipo espejo de la probeta. Posterior al pulido la probeta se limpió con alcohol y se secó con una secadora. 25 6.1.3. Ataque químico: Se sumergió la placa en 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos. hasta revelar la microestructura. 6.2. Sistema de referencia Una vez que se visualizó la microestructura del material, se realizó el sistema de referencia en forma de cruz en el centro de la probeta, esto debido a que esta zona esta preparada para sufrir el mayor desgaste durante la deformación. este sistema se realizó haciendo microidentaciones a distancias iguales con ayuda de un micro durómetro Vickers con identador de punta diamante en forma piramidal con una carga 10 Kgf , teniendo una área de cuatro cuadrantes se seleccionó uno el cual será sujeto a estudio. Figura 11.-Esquema del sistema de referencia 6.3 Prueba de tensión en microscopio electrónico de barrido El microscopio electrónico de barrido (figura12) cuenta con un módulo de tensión Kammarth & Weiss (figura13 )el cual cuenta con carga máxima de 50N este módulo es introducido al MEB durante el ensayo de tensión donde se obtienen fotomicrografías del cuadrante trabajado durante la deformación. 26 Figura 12. Microscopio electrónico de barrido SUPRA 55VP Ficha técnica Carga máxima 50N Rapidez máxima; 0.74mm/min Peso del módulo 2.6kg Dimensiones Largo: 250mm, ancho: 160mm, altura: 50mm Motor de tensión 20W Primero se tomó la secuencia de fotomicrografías testigos registrando tanto la distancia en mm y la carga en N, una vez fijada la velocidad del ensayo se aplicó la carga hasta obtener un desplazamiento de 2mm, por ensayo. De esta forma se volvió a tomar la secuencia de fotomicrografías de acuerdo con las zonas ya observadas inicialmente. Se repitió el mismo procedimiento hasta que la probeta se fracturó. 27 Figura 13. Módulo de tensión Kammarth & Weiss 6.4 Obtención del tamaño de grano por método de Intersección lineal La imagen de abajo muestra las distintas geometrías utilizadas en la medición del tamaño de grano mediante el procedimiento de intersección. Las cuatro líneas rectas de la imagen corresponden al método de Heyn. Figura 14.- Plantilla para método de Intersección (norma ASTM E-112) Reglas de conteo: Se denomina intercepción aun segmento de la línea de ensayo que pasa sobre un grano. Una intersección es el punto donde la línea de ensayo es cortada por un borde de grano. Cualquiera de los dos puede contarse con idénticos resultados en un material monofásico. Cuando se cuentan intercepciones, los segmentos al final de la línea de ensayo que penetran dentro de un grano, son anotados como media intercepción. Cuando se cuentan intersecciones, los puntos extremos de la línea de ensayo no son intersecciones y no son contados excepto cuando tocan exactamente un borde de grano, entonces debe anotarse ½ intersección. Una intersección coincidente con la unión de tres granos debe anotarse como 1 1/2. 28 Una vez realizado el conteo se hace el uso de las siguientes ecuaciones y se calcula el número de grano con la ecuación 1. 𝑁 𝐿= 𝑁1 𝐿 𝑀⁄ ……………………………………………….Ecu.1 Donde 𝑁1= Numero de intersecciones totales L= Longitud de las líneas M= Magnificación Para calcular el tamaño de grano se utiliza la siguiente expresión. G = (6.643856 + Log10NL) – 3.288……………………………..Ecu.2 6.5 Ensayo de tensión en la Máquina de Tensión Universal Instron Se realizo el ensayo de tensión en la Máquina de Tensión Universal Instron, como muestra la Figura 13, bajo las mismas condiciones de velocidad V1=0.19 mm/min, V2=0.37 mm/min, hasta la fractura procesando los datos de carga y elongación. 29 Figura 15.-. Máquina de Tensión Universal Instron 30 7.-Resultados 7.1Microanálisis por EDS (Espectroscopía por Dispersión de Energía) Mediante la técnica de EDS acoplada al MEB fue posible obtener el análisis químico elemental de la aleación de estudio. O 2.18 16.44 Sn 60.91 62.02 Pb 37 21.53 Tabla 1. - Análisis químico puntual por EDS para una aleación de Sn-%37Pb. 7.2 Obtención del tamaño de grano por método de intersecciones Realizado el conteo de intercesiones y aplicando las ecuaciones 1 y 2 se calculó el Numero de granos y numero de tamaño de grano bajo la norma ASTM E-112, obteniendo los siguientes datos para cada deformación tomando en cuenta tres áreas distintas a 250X. AREA 1 Núm. deformación NL (Numero de granos/ mm) Tamaño de grano (um) 0 49.5 20.20 2 51 19.61 4 52.5 19.05 6 55 18.18 8 56 17.86 10 65 15.38 12 66.5 15.04 Tabla 2.- Núm. de deformaciones número de granos y tamaño de grano área 1 AREA 2 Núm. deformación NL (Numero de granos/ mm) Tamaño de grano (um) 0 42.5 23.53 2 55 18.18 4 56 17.86 6 57.5 17.39 8 59 16.95 10 64 15.63 12 69.5 14.39 Tabla 3.- Núm. de deformaciones número de granos y tamaño de grano área 2 31 AREA 3 Núm. deformación NL (Numero de granos/ mm) Tamaño de grano (um) 0 46 21.74 2 51 19.61 4 58 17.24 6 60 16.67 8 61 16.39 10 67.5 14.81 12 71 14.08 Tabla 4.- Núm. de deformaciones número de granos y tamaño de grano área 3 7.3 Ensayos de tensión unidireccional Se ensayaron 2 probetas, a velocidades de cabezal constante, a V1 =0.38 mm/min, y V2= 0.56 mm/min, en la Máquina Universal Instron donde se adquirió los datos de extensión y carga de cada probeta que fueron tratados para obtener las curvas típicas de deformación real versus esfuerzo real para cada velocidad representadas en las gráficas 1 y 2 . 32 Gráfica 1.- Curva típica de deformación real versus esfuerzo real de una probeta de Sn-%37Pb, ensayada unidireccionalmente a una velocidad de cabezal constante V1 =0.38 mm/min a temperatura ambiente. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Es fu e rz o r e al σ ( M P a) Deformación real, (mm/mm) Esfuerzo vs deformacion (real) 0.38 mm/min 33 Gráfica 2.- Curva típica de deformación real versus esfuerzo real de una probeta de Sn-%37Pb, ensayada unidireccionalmente a una velocidad de cabezal constante V1 =0.56 mm/min a temperatura ambiente. 0 5 10 15 20 25 30 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Es fu e rz o r e al σ ( M P a) Deformación real, (mm/mm) Esfuerzo vs deformacion (real) V=0.56mm/s 34 7.4 Ensayo de tensión unidireccional in situ en el MEB. En este ensayo se captó de manera secuencial por medio de fotomicrografías a cada deformación, con velocidad de 0.56mm/s, y en diferentes aumentos del MEB el comportamiento microestructural de la aleación. Se obtuvieron fotomicrografías a 35X, 250X, 500X y 1000X de cada deformación observando el sistema de referencia (microidentaciones sobre la superficie en forma de cruz), hasta 12 deformaciones, por medio de estas se observa la evolución microestructural de la aleación Sn-%37Pb al ejercerle una tensión a la velocidad de cabezal constante de 0.38 mm/min en una zona específica del sistema de referencia. Por otro lado, también se muestra el cambio microestructural del sistema de referencia inicial y final. Los cuales brindan información sobre el desplazamiento de la superficie de dicha aleación. Fotomicrografía 1. Sistema de referencia testigo de una aleación Sn-%37Pb a 35X, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos. 35 Fotomicrografía 2. Sistema de referencia después de 3 pasos de deformación de una aleación Sn-%37Pb 35X, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos Fotomicrografía 3. Sistema de referencia después de 6 pasos de deformación de una aleación Sn-%37Pb a 35X, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos 36 Fotomicrografía 4. Sistema de referencia después de 11 pasos de deformación de una aleación Sn-%37Pb a 35X, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos Fotomicrografía 5.- Superficie testigo de la aleación Sn-%37Pb a 1000x, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos tamaño de grano de 21 µm. 37 Fotomicrografía 6.- Superficie de la 3° deformación de la aleación Sn-%37Pb a 1000x, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos tamaño de grano de 18.5 µm. Fotomicrografía 7.- Superficie de la 6° deformación de la aleación Sn-%37Pb a 1000x, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos tamaño de grano de 17.9 µm. 38 Fotomicrografía 8.- Superficie de la 9° deformación de la aleación Sn-%37Pb a 1000x, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos tamaño de grano de 17 µm fragmentación de granos. Fotomicrografía 9.- Superficie de la 12° deformación de la aleación Sn-%37Pb a 1000x, ataque con 100ml de H2O, HCl 10 ml por 3 segundos tamaño de grano de 15 µm emergencia de granos, superficie recristalizada. 39 8.- Análisis de resultados Mediante los resultados obtenidos en el ensayo de tensión en la máquina universal de tensión Instron se trabajaron 2 probetas de la aleación Sn-37%Pb ensayadas a dos velocidades ( V1= 0.38mm/s y 0.56mm/s ) de las cuales se obtuvieron gráficas de esfuerzo versus deformación real para ambas además de los siguientes parámetros : Resiliencia Módulo de Young, Esfuerzo de cedencia, esfuerzo máximo, Energía de activación . Se ensayaron 2 probetas a diferentes velocidades de cabezal en donde se obtuvo la curva esfuerzo real (σ) versus deformación (ξ) Gráfico 3.-Efecto de la velocidad de cabezal sobre las propiedades mecánicas asociadas ala curva esfuerzo verdadero vs deformación verdadera. A partir de ambas gráficas se determinó: Esfuerzo de cedencia, esfuerzo máximo, la rapidez de deformación (ξ) el módulo elástico, módulo de resiliencia, la tenacidad, y el trabajo plástico homogéneo todo representado en las siguientes gráficas. 40 Gráfico 4.- Esfuerzo máximo para cada velocidad Gráfico 5.- Esfuerzo de cedencia para cada velocidad Gráfico 6.- Módulo de resiliencia para cada velocidad Gráfico 7.-Módulo elástico para cada velocidad 27 27.2 27.4 27.6 27.8 28 28.2 28.4 28.6 0.38mm/min 0.56mm/min Es fu er zo m áx im o ( M P a) Velocidades Esfuerzo máximo , 24.35 24.4 24.45 24.5 24.55 24.6 24.65 24.7 24.75 24.8 24.85 0.38mm/min 0.56mm/min Es fu er zo d e ce d en ci a, ( M P a) Velocidades Esfuerzo de cedencia, (MPa) 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 0.38mm/min 0.56mm/min M ó d u lo d e R es ili en ci a, M Pa Velocidades Módulo de Resiliencia, MPa 27.43 27.89 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6 27.7 27.8 27.9 28 0.38mm/min 0.56mm/min M o d u lo e la st ic o ( G P a) Velocidades Modulo elàstico 41 Gráfico 8.-Trabajo plástico homogéneo para cada velocidad Gráfico 9.-Tenacidad para cada velocidad Gráfica 10.-Deformacion real vs rapidez de deformación a velocidad de cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente. 0 2 4 6 8 10 12 0.38mm/min 0.56mm/min Tr ab aj o p la st ic o h o m o ge n eo ( J) Velocidades Trabajo plastico homogeneo 0 2 4 6 8 10 12 0.38mm/min 0.56mm/min Te n ac id ad ( J/ m m ^3 ) Velocidad Tenacidad 42 Gráfica 11.- Esfuerzo real vs rapidez de deformación a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente. Para el cálculo de la energía de activación Q, para inducir el proceso de deformación irreversible asociado con las dislocaciones dinámicas y en el proceso de acomodo durante el proceso de tensión, se utilizará la siguiente ecuación. 𝑄┴ = −𝐾𝑇𝑙𝑛 ξ┴λ┴ 𝐶 ……………………………….Ecu.3 Donde: Q┴ =Energía de activación (KJ/mol) k= Constante de Boltzman = 8.617x10-5 eV/K = 1.38x10-23J/K Tp= Temperatura de Planck después del Big Bang = 1.010285625x1030 K λ┴=Vector de Burguers = 3.5x10-10 m ξ┴=La rapidez de deformación (s-1) c= Velocidad de la luz= 299 792 458 m/s 43 Gráfica 12.- Energía de activación versus esfuerzo real a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente. Gráfica 13.- Energía de activación versus volumen activado a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente. 57.5 58 58.5 59 59.5 60 60.5 61 61.5 0 5 10 15 20 25 30 En e rg ía d e A ct iv ac ió n , Q (K J/ m o l) Esfuerzo real, (MPa) V=0.56mm/s V=0.28mm/s 44 Gráfica 14.- Energía de activación versus rapidez de deformación a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente. Gráfica 15.- Energía de activación versus deformación real a velocidad del cabezal constante de una aleación de Sn-37%Pb a temperatura ambiente 45 8.1 Mapeo de flujo granular Durante el ensayo de tensión unidireccional se encuentra las evidencias de los cambios microestructurales y trayectoria de la aleación Pb-Sn con las fotomicrografías obtenidas del MEB durante este ensayo a velocidad de 0.038mm/s Para el estudio del flujo policristalino se realizó un seguimiento a 15 granos elegidos al azar, las referencias que se eligieron fueron las identaciones cercanas. Fotomicrografía 10.-. Aleación Sn-37%Pb testigo, mapeo de 15 granos cercanos al sistema de referencia, 46 Fotomicrografía 11.-. Aleación Sn-37%Pb 2ª deformación, mapeo de 15 granos cercanos al sistema de referencia, Fotomicrografía 12.- Aleación Sn-37%Pb a la 8° deformación, mapeo de 15 granos cercanos al sistema de referencia, 47 Fotomicrografía 13.- Aleación Sn-37%Pb a la 10° deformación, mapeo de 15 granos cercanos al sistema de referencia, Fotomicrografía 14.-. Aleación Sn-37%Pb a la 12° deformación, mapeo de 15 granos cercanos al sistema de referencia, 48 Gráfico 16.- Mapeo del flujo policristalino para cada grano asociado a los pasos de deformación que fue sometido la aleación Sn-37%Pb a una velocidad V=0.38 mm/min 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 350 400 D es p la za m ie n to d e lo s gr an o s en Y ( µ m ) Desplazamiento en X, dirección del ensayo de tensión (µm) Mapeo de flujo granular j I H K L M N O P Q R S V U T 49 Gráfico 17.- Deslizamiento de granos en un sistema policristalino de la aleación Sn-37%Pb al ejercer deformación irreversible para V=0.38mm/min 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 170 190 210 230 250 270 290 D es p la za m ie n to e n y , d ir ec ci ó n d el e n sa yo d e te n si ó n ( µ m ) Desplazamiento en X, dirección del ensayo de tensión (µm) Seguimiento de un grano 50 9. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS • Se obtuvieron las curvas esfuerzo deformación típicas de una deformación plástica en frio para cada velocidad (gráfico 1 y 2), en donde se observó , a menor velocidad de cabezal, se obtuvo mayor deformación, así como los valores más bajos en la zona elástica (gráfico 7) y esfuerzo de cedencia (gráfico5). Además de observo que a esta velocidad mínima se aumentó el esfuerzo máximo y la resiliencia de la aleación estudiada. • Se observo mayor trabajo plástico homogéneo en la menor velocidad ya que fue la que tubo mayor porcentaje de deformación de la misma manera mayor tenacidad. • En las curvas esfuerzo deformación se observa el efecto de Portevin- LeChatelier este efecto se caracteriza por generar un aserramiento en la zona plástica con una variedad de picos. El periodo y la amplitud de la aserración son constantes en las 2 curvas lo que indica que existe el inicio y propagación de bandas de corte. Las fluctuaciones del esfuerzo de flujo se deben a que cuando hay un arrastre de alguna fase (soluto)y hay una tensión aplicada. La tensión aplicada hace que la materia aumente la velocidad de las dislocaciones esto hace que se alejen de la fase arrastrada y se disminuya la tensión. Cuando las dislocaciones vuelven a alcanzar estas fases vuelven a aumentar la tensión lo que hace que el proceso se repita. • Estos cambios producen estrías que se observan muy notoriamente en las fotomicrografías 7, 8 y 9 cuando el material está en la región plástica de la curva esfuerzo-deformación. También otra de las características visibles de este fenómeno es que la deformación que se produce no es homogénea por lo que el acabado de la superficie de la pieza se observa comúnmente rugoso. • En la curva rapidez de deformación versus deformación real, (grafica 3) se puede apreciar que al disminuir la rapidez de deformación aumenta la deformación Por otro lado, se observa a menor rapidez de deformación el esfuerzo generado es de mayor valor ya que durante el ensayo de tensión unidireccional se da tiempo a la microestructura de acoplarse a los cambios. • En el gráfico 12 se observa la energía de activación versus esfuerzo real, en donde conforme aumenta el esfuerzo real disminuye la energía de activación esto debido al aniquilamiento de dislocaciones. 51 • En la gráfica 13, que representa la energía de activación versus el volumen, se observa que conforme aumenta el volumen activado disminuye la energía de activación, siguiendo el mismo efecto que en la gráfica esfuerzo real versus energía de activación. • En el gráfico energía de activación versus rapidez de deformación (grafico 14), se observa que a menor rapidez de deformación la energía de activación disminuye con un comportamiento hiperbólico. • En el mapeo de flujo granular para la velocidad de 38mm/s se observó el seguimiento de 15 granos, como resultado se obtuvo un comportamiento similar en los 15, cabe mencionar que, se observa un desplazamiento cuasi lineal empezando desde el punto original sin tensión y hasta los 3 primeros pasos de deformación; y ya para las etapas 5º y 6º de deformación, existe un mayor rango de separación comparado con los pasos anteriores, si se observa el gráfico 17 se nota el cambio microestructural a cada paso ya que existe separación de granos y entre la separación empieza a recristalizar dinámicamente el material asimismo, • Además, se observa la formación de bandas de deformación, y en algunos puntos triples la formación cavidades en donde emergen nuevos granos cuando sucede esto existe un mayor desplazamiento de granos con lo que podemos asociar directamente a la recristalización de los granos, además del mecanismo de refinamiento de grano ya que en un inicio la microestructura tenía un tamaño de grano de 21 µ𝑚 y bajo hasta 14µm • También se observó que entre más alejado se encuentre el grano del sistema de referencia mayor será el desplazamiento, esto lo podemos observar en el gráfico 14 en los granos este comportamiento es debido a que existe endurecimiento por deformación al hacer las indentaciones con el micro durómetro. 52 10. CONCLUSIONES • Se observó mayor deformación en la velocidad más baja 0.038mm/min esto debido a que se tuvo mayor tiempo para recuperación del material lo que aumento la deformación plástica previa a la fractura. • Para la menor velocidad se obtuvo el máximo esfuerzo de tensión y el mínimo esfuerzo de cedencia esto por el alargamiento de la zona plástica. • Se obtuvo que a menor velocidad se requiere mayor energía de activación y se tiene mayor volumen activado debido a que se tiene mayor tiempo para que se la microestructura se recupere. • Por otro lado, a menor rapidez de deformación se requiere menor esfuerzo para deformar la aleación, por lo que para aumentar la deformación irreversible se requerirá mayor energía de activación para mover las dislocaciones. • En la deformación se generó la fragmentación de los cristales para dar lugar a subsecuentes mecanismos de deformación como son: la recristalización dinámica con un amplio refinamiento de grano de 21 um a 14 um, el deslizamiento de borde de grano y la emergencia de cristales del interior del volumen hacia la superficie, esto principalmente a partir de cavidades, todos mecanismos presentes de un material super plástico. • Durante el mapeo de flujo granular a velocidad de 38mm/min se observó un comportamiento similar en el desplazamiento, de granos con un comportamiento cuasi lineal, posterior a la 5ª y 6ª deformación de observa una mayor separación. 53 11.- Bibliografía [1] Mohamed Farghalli .A., Micro grain super plasticity: Characteristics and utilization, Materials (2011) pp. 1194-1223. 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