Édgar Espejo Mora - Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

En materiales metálicos y cerámicos iónicos este deslizamiento se presenta cuando hay movimiento relativo de planos atómicos dentro de un cristal, en el cual estos se desplazan unos sobre otros bajo la acción de esfuerzos cortantes. Como resultado de los diferentes estudios realizados, se ha encontrado que el deslizamiento tiene lugar preferentemente entre los planos de mayor densidad atómica y siempre en la dirección más compacta, ya que estas dos situaciones ofrecen la menor resistencia al movimiento. De acuerdo con lo anterior, se denomina sistema de deslizamiento al conjunto formado por un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento dentro de un cristal. En la figura 2.6se muestra el interior de un grano con una estructura cúbica simple, donde se esquematizan dos orientaciones en las que se podría producir el deslizamiento. Observando este gráfico se puede deducir que el deslizamiento se dará más fácilmente entre los planos horizontales que entre los diagonales, ya que existe una mayor densidad lineal (átomos por unidad de longitud ρL), la cual a su vez implica una mayor distancia interplanar.

Figura 2.6 Orientación del deslizamiento en una estructura cúbica simple

Nota. Obsérvese que la distancia interplanar a es mayor que la b.

Fuente: elaboración propia.

En la tabla 2.1se muestran los planos de mayor densidad atómica y direcciones cristalográficas más compactas para las estructuras cristalinas ideales cúbica centrada en el cuerpo (CC), cúbica centrada en las caras (CCC) y hexagonal compacta (HC). La estructura cúbica centrada en el cuerpo no presenta grandes variaciones de densidad entre los planos de mayor y menor valor de esta, lo que hace que el deslizamiento pueda ocurrir en los planos {110}, {112} o {123}, pero siempre en la dirección ⟨111⟩. La estructura CCC es más compacta que la CC, y muestra importantes diferencias entre las densidades de los diferentes planos, lo que conduce a que la familia de planos {111} y las direcciones ⟨110⟩ sean particularmente densas, haciendo que el deslizamiento en esta estructura se dé siempre en este sistema. En la estructura HC predomina el deslizamiento en la familia de planos {0001}, pero para algunos materiales en los cuales los planos más densos no están en contacto, se puede presentar deslizamiento en las familias {10-10} y {10-11}, conservándose eso sí, para todos los casos, la dirección de deslizamiento ⟨1120⟩ [ 4].

Tabla 2.1 Familias de planos y direcciones de mayor densidad de las estructuras

Nota. Estructura cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta, donde se da preferentemente el deslizamiento en cristales metálicos.

Fuente: elaboración propia.

Si se calcula el número de sistemas de deslizamiento para las estructuras CC, CCC y HC, de acuerdo con las posibles combinaciones de familias de planos y de direcciones de deslizamiento, se obtienen los resultados mostrados en la tabla 2.2. Con los datos de este cuadro se puede ver que, en general, hay más sistemas de deslizamiento en la estructura CC, que en la CCC y HC, lo cual sugiere, en primera instancia, que la estructura CC es más dúctil que las otras dos (propensa a deformarse plásticamente), y que las estructuras CCC y HC tienen una ductilidad similar. Sin embargo, el número de sistemas de deslizamiento no es el único criterio para determinar la ductilidad de una estructura cristalina, ya que también se debe tener en cuenta la distribución espacial de dichos sistemas; es decir, se debe evaluar si para cualquier sentido de ataque de un esfuerzo cizallante, se encuentran o no alineados con este, sistemas de deslizamiento sobre los cuales pueda ocurrir el desplazamiento atómico. Teniendo en cuenta lo anterior, se encuentra que, aunque la estructura de CC tiene un gran número de sistemas de deslizamiento, sus orientaciones no están distribuidas uniformemente alrededor del cristal, mientras que los sistemas de la estructura CCC sí lo están. La estructura HC presenta además de un bajo número de sistemas de deslizamiento, una mala orientación de estos.

A partir de lo discutido anteriormente, se puede asegurar que en general (porque hay excepciones), para sólidos cristalinos el orden descendente de ductilidad para las estructuras es CCC, CC y HC. En la tabla 2.3se relacionan los metales de uso común, que presentan las estructuras CCC, CC y HC, donde se nota además el orden de ductilidad.

Tabla 2.2 Sistemas de deslizamiento de las estructuras

Nota. Estructura cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta.

Fuente: elaboración propia.

Tabla 2.3 Ductilidad teórica de los metales en función de su estructura cristalina

Nota. Estructura cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta.

Fuente: elaboración propia.

A manera de resumen se puede decir que, para evaluar la ductilidad de un metal, a partir de la estructura cristalina que presenta, se deben considerar los siguientes aspectos: a) número de sistemas de deslizamiento y b) distribución espacial de dichos sistemas.

En el caso de los cristales cerámicos iónicos, el deslizamiento se da entre planos adyacentes de carga opuesta, es decir, entre planos aniónicos y catiónicos, lo cual hace que el número de sistemas de deslizamiento, en este caso, sea más limitado que para los metales, por lo que se disminuye, además, su cobertura espacial. Lo anterior hace que un cristal iónico sea en general menos dúctil que uno metálico, excepto en la dirección del sistema de deslizamiento, donde la ductilidad es similar. En la figura 2.7se muestra en un cristal iónico, el plano y dirección en el cual ocurre el deslizamiento, y un sistema en el cual este no puede ocurrir. En este caso el deslizamiento solo se da entre planos de carga opuesta, ya que siempre permanece la atracción electrostática, mientras que en otros planos el deslizamiento puede enfrentar iones de igual carga, que al repelerse, favorecen el agrietamiento.

Figura 2.7 Deslizamiento en un cristal iónico cúbico centrado en las caras

Fuente: elaboración propia.

El primer modelo teórico del mecanismo de deslizamiento en un cristal suponía que este se producía por un movimiento simultáneo de todos los átomos ubicados sobre el plano de deslizamiento, tal como se muestra en la figura 2.8. Este desplazamiento tenía lugar cuando el esfuerzo cortante inducido en el cristal hubiera sobrepasado el valor de la resistencia teórica al deslizamiento τmáx, la cual viene dada por la ecuación (2.1), donde G representa el módulo de rigidez.