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

Hoy en día se sabe que el deslizamiento real que se presenta en el interior de los cristales no se realiza por un movimiento total y uniforme de los átomos ubicados en el plano de deslizamiento, sino que este tiene lugar por generación y desplazamiento paulatino de las dislocaciones.

Figura 2.8 Esquematización del mecanismo teórico del deslizamiento

Fuente: elaboración propia.

Las dislocaciones son defectos cristalinos lineales que se presentan en las estructuras cristalinas (tanto metálicas como cerámicas), clasificándose de manera básica en dislocaciones de borde y dislocaciones de hélice. El estudio de estos defectos reticulares es importante, ya que en virtud de su movimiento se presenta el deslizamiento real en los cristales.

La dislocación de borde se presenta cuando un plano de átomos no atraviesa completamente el interior de un cristal, lo cual origina una apreciable distorsión de la red cristalina alrededor de la línea atómica hasta la cual llega este plano. La dislocación de hélice recibe esta denominación, ya que la distorsión adyacente a la línea de dislocación posiciona a los átomos sobre una hélice alrededor de esta. En la figura 2.9se muestran esquemáticamente una dislocación de borde y una de hélice.

El deslizamiento en los cristales como se mencionó anteriormente, está gobernado fundamentalmente por el movimiento de las dislocaciones sobre la interfaz de planos de alta densidad en los metales, o sobre la interfaz de planos aniónicos y catiónicos en cerámicos iónicos (la interfaz se refiere al plano de deslizamiento). En la figura 2.10se esquematiza el proceso de generación y movimiento de una dislocación de borde, hasta que este culmina con la aparición de un escalón de deformación dentro de una estructura cúbica simple. Para que se presente el deslizamiento por el movimiento de una dislocación de borde o una de hélice, no es necesario que esta sea originada por el esfuerzo cortante inducido, sino que es suficiente con que este movilice una dislocación ya existente en el cristal. En el movimiento de una dislocación de hélice bajo la influencia de un esfuerzo cortante se obtendrá también como resultado final un escalón de deformación. La mayoría de las dislocaciones presentes en los cristales son el resultado de intersecciones de las líneas de dislocación de borde y de hélice, las cuales al movilizarse producen igualmente escalones de deslizamiento.

Figura 2.9 Esquemas de las dislocaciones de borde y de hélice

Fuente: elaboración propia.

Figura 2.10 Esquema de la generación y movimiento de una dislocación de borde

Fuente: elaboración propia.

El esfuerzo teórico calculado por la ecuación (2.1) es mayor que el esfuerzo real de deslizamiento en las aleaciones comunes de ingeniería, ya que este no se produce por el movimiento simultáneo de todos los átomos ubicados en el plano respectivo, sino que obedece al movimiento de las dislocaciones en dicho plano. El desplazamiento de una dislocación involucra el movimiento solo de algunos átomos, por lo que el esfuerzo necesario para producir este fenómeno es menor que el teórico.

De lo tratado hasta ahora acerca del deslizamiento, es válido deducir que un cristal que no posea dislocaciones presentará una alta resistencia a este, lo cual ha encontrado sustento experimental cuando se han ensayado probetas monocristalinas pequeñas con un alto control de calidad, en las cuales se han alcanzado valores del esfuerzo cortante necesario para producir el deslizamiento, muy cercanos a los teóricos.

El deslizamiento en polímeros termoplásticos se da cuando una o más macromoléculas se desplazan sobre otras (las moléculas están unidas entre sí por enlaces secundarios), bajo la acción de un esfuerzo cortante. Lo anterior se esquematiza en la figura 2.11.

Figura 2.11 Deslizamiento entre macromoléculas

Fuente: elaboración propia.

2.2.3.1.2. MACLAJE EN CRISTALES METÁLICOS Y CERÁMICOS IÓNICOS

Mediante este mecanismo de deformación plástica, una región de un cristal se desplaza respecto a otra que no lo hace, generándose una zona intermedia donde se concentra la deformación, denominada zona maclada. La zona maclada está delimitada respecto a las zonas no deformadas por planos de simetría cristalinos denominados planos de macla. Dentro de la zona maclada se presenta el movimiento de planos enteros de átomos, de manera paralela a los planos de macla y en una distancia proporcional a la separación entre cada uno de estos y el plano de macla. La región maclada corresponde a aquella zona del cristal que sufre la deformación de la red cristalina por la ocurrencia del maclaje. Una diferencia importante entre el deslizamiento y el maclaje radica en que este último presenta una mayor distorsión de la red cristalina. En la figura 2.12se aprecia esquemáticamente la forma final de la estructura cristalina, una vez ha ocurrido el maclaje.

Figura 2.12 Estado final de un cristal deformado plásticamente mediante maclaje

Fuente: elaboración propia.

Los metales con estructura de CC y CCC, cuando se deforman a temperatura ambiente, no tienden a presentar maclas, sobre todo en el caso de la estructura CCC, ya que la alta ductilidad de esta hace que predomine el deslizamiento. Las maclas en estas estructuras se presentan de manera importante a altas ratas de aplicación de la carga (impactos) o en ensayos mecánicos realizados a bajas temperaturas. En la estructura HC el mecanismo de deformación por maclaje es muy importante, ya que el deslizamiento está restringido por el número de sistemas de deslizamiento bajo y orientaciones de estos desfavorables.

El maclaje se puede formar en fracciones de tiempo muy cortas, las cuales pueden estar en el orden de los microsegundos, mientras que la formación de la estructura escalonada producto del deslizamiento puede demorar varias milésimas de segundo [ 5]. Las parejas de planos y direcciones más comunes de maclaje para las diferentes estructuras no son las mismas que para el deslizamiento. En la tabla 2.4se dan los planos y direcciones de maclaje más comunes para las estructuras de CC, CCC y HC.

Tabla 2.4 Planos y direcciones comunes de maclaje de las estructuras CC, CCC y HC [ 5]

La deformación total de una pieza producto del maclaje es pequeña cuando se le compara con la que resulta después del deslizamiento; sin embargo, el maclaje es importante dentro de la deformación de la mayoría de metales de estructura CC y HC, ya que reorienta regiones importantes de los cristales, colocando sistemas de deslizamiento en posiciones más favorables para continuar la deformación por este mecanismo. En general, se encuentra que el esfuerzo cortante crítico necesario para producir el maclaje es mayor que el que produce el deslizamiento, razón por la cual, este último tipo de deformación plástica predomina sobre el maclaje. El maclaje se producirá fácilmente en aquellas estructuras donde se encuentre restringido por alguna razón el deslizamiento (bajas temperaturas, alto endurecimiento por partículas de segunda fase, elevada velocidad de deformación, etcétera). El maclaje en cristales iónicos se da siempre y cuando en la formación de la zona maclada se desplacen planos aniónicos sobre catiónicos.