Importancia De Las Dislocaciones

 Importancia de las dislocaciones

El proceso de deslizamiento de las dislocaciones es de especial importancia para conocer el comportamiento mecánico de los metales.

En primera lugar, permite explicar el por qué el esfuerzo teórico necesario para deformar plásticamente (o permanentemente) un material, es mucho mayor que el valor necesario observado en la práctica. En efecto, el deslizamiento provocado por los movimientos de las dislocaciones, provoca una mayor facilidad de ruptura de uniones atómicas lo que implica una menor fuerza requerida para la deformación plástica del metal. Por tanto, la presencia de dislocaciones, facilita la deformación plástica de un metal y cuantos más sistemas de deslizamiento posea, mayor facilidad presentará.

En segundo lugar, el deslizamiento de las dislocaciones, confiere a un metal ductilidad, propiedad relacionada con el mecanismo antes expuesto.

Por último, se puede aumentar la resistencia de un metal, controlando el movimiento de sus dislocaciones. Un obstáculo introducido de forma voluntaria en el metal, impedirá que las dislocaciones se deslicen, a menos que se aplique mayor fuerza de deformación, lo que implica que el material sea más resistente. Las distintas formas de aumentar la resistencia de los metales y sus aleaciones, se basan en este hecho, aumentar el número de dislocaciones del material e impedir o anclar su deslizamiento.

Aunque en algunos materiales cerámicos y polímeros puede ocurrir deslizamiento, el proceso de deslizamiento es de particular utilidad para entender el comportamiento mecánico de los metales.

En primer término, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el valor predecible a partir del enlace metálico. Si ocurre el deslizamiento, sólo es necesario que se rompa en algún momento una pequeña fracción de todas las uniones metálicas a través de la interfase, por lo que la fuerza requerida para deformar el metal resulta pequeña.

Segundo, el deslizamiento le da ductilidad a los metales. Si no hay dislocaciones presentes, una barra de hierro sería frágil; los metales no podrían ser conformados utilizando los diversos procesos, que involucran la deformación para obtener formas útiles, como la forja.

En tercer lugar, controlamos las propiedades mecánicas de un metal o aleación al interferir el movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal impedirá que en una dislocación se deslice, a menos que apliquemos mayor fuerza. Si es necesario aplicar una fuerza superior, entonces el metal resulta ser más resistente. Estos obstáculos pueden ser defectos puntuales o borde de grano.

En cuarto lugar, se puede prevenir el deslizamiento de las dislocaciones achicando el tamaño de grano o introduciendo átomos de diferente tamaño, que son las aleaciones.

En los materiales se encuentran enormes cantidades de dislocaciones. La densidad de dislocaciones, o la longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, generalmente se utiliza para representar la cantidad de dislocaciones presentes.

El foco de Frank-Read

Supóngase que una dislocación de borde, que queda en el plano ABCD de la Figura, se conecta a otras dos dislocaciones de borde que corren verticalmente a la superficie superior del cristal. Las dos dislocaciones de borde verticales no se pueden mover bajo el esfuerzo de corte aplicado. (Sin embargo, se moverán bajo un esfuerzo cortante aplicando a la parte frontal y trasera del cristal). Como el segmento de dislocación xy es borde positivo, el esfuerzo SS tenderá a moverlo hacia la izquierda.

Foco de Frank-Read. El segmento de dislocación xy puede moverse en el plano ABCD bajo el esfuerzo aplicado. Sus extremos x y y, sin embargo, son fijos.

Causando que la línea forme un arco con los extremos en los puntos fijos x e y. Este arco está indicado en la siguiente figura por el símbolo a. Una posterior aplicación del esfuerzo ocasiona que la dislocación curvada se expanda a las sucesivas posiciones b y c. En c el anillo se intercepta por sí mismo en el punto m, pero como un segmento de intersección es helicoidal de mano izquierda y el otro es helicoidal de mano derecha, los segmentos se cancelan uno al otro en el punto de intersección.

Varios pasos en la generación de un anillo de dislocación en un foco de Frank-Read.

Cuando formas opuestas de dislocación quedan en el mismo plano de intersección siempre ocurre una cancelación. Este hecho puede ser demostrado fácilmente para el caso de las dislocaciones de borde positivas y negativas puesto que las intersecciones forman un plano reticular completo de dos planos incompletos. La cancelación de los segmentos de dislocación en el punto de contacto m rompe la dislocación en dos segmentos marcados d, uno de los cuales es circular y se expande hasta la superficie del cristal, produciendo un corte de una distancia atómica. El otro componente permanece como un borde positivo regenerado, que queda entre los puntos x e y donde está en posición de repetir el ciclo. En esta forma, muchos anillos de dislocación pueden ser generados sobre el mismo plano de deslizamiento, y puede ser producido un corte lo suficientemente grande para que explique el gran tamaño de las líneas de deslizamiento observadas. Un generador de dislocaciones de este tipo recibe el nombre de foco de Frank-Read.

Nucleación de dislocaciones

La evidencia experimental muestra que los focos de Frank-Read existen realmente en los cristales. No se conoce que tan importantes son estos generadores de dislocaciones en la deformación plástica de los metales, pero evidencia reciente muestra que las dislocaciones se pueden formar también sin la ayuda de focos de Frank-Read o similares. Si las dislocaciones no se forman por generadores de dislocaciones, entonces deben ser creadas por un proceso de nucleación. Como en todos los fenómenos de esta naturaleza, las dislocaciones pueden ser creadas en dos formas: homogénea o heterogéneamente. En el caso de las dislocaciones, la nucleación homogénea significa que éstas se forman en una red perfecta por la acción de un esfuerzo simple, no requiriéndose otro medio más que el esfuerzo. La nucleación heterogénea, por otra parte, significa que las dislocaciones se forman con la ayuda de defectos presentes en el cristal, posiblemente partículas de impurezas. Los defectos hacen que la formación de dislocaciones sea más fácil por una disminución del esfuerzo requerido para formarlas. Se asume que la nucleación homogénea de las dislocaciones requiere esfuerzos extremadamente altos, esfuerzos que teóricamente son del orden de 1/30 del módulo de corte de un cristal. Como el módulo de corte de un metal es usualmente alrededor de 106 a 107 lb/plg2, el esfuerzo para formar dislocaciones debe ser del orden de 105 lb/plg2. Sin embargo, el esfuerzo de corte real al cual comienzan a deformarse los cristales metálicos por deslizamiento es usualmente alrededor de 100

lb/plg2. Esta evidencia favorece ciertamente la opinión de que si las dislocaciones no se forman por los focos de Frank-Read, entonces deben ser nucleadas heterogéneamente.

Los cristales metálicos no son particularmente apropiados para una investigación del

fenómeno de nucleación. Cuando se les prepara por solidificación u otros medios, poseen de ordinario una densidad de dislocaciones relativamente elevada en la forma de una red más o menos al azar que se extiende a través de la probeta.

Como un punto de interés, los generadores de dislocaciones del tipo de Frank-Read son

considerados usualmente una parte de las dislocaciones que crecieron en el cristal. Nuestro interés presente no descansa en estas redes, sino en la creación de nuevos anillos de dislocación independientes. Sin embargo, una concentración elevada de dislocación de crecimiento interior complica la observación de fenómeno de nucleación.

Además, en los metales, el deslizamiento ocurre rápidamente de tal forma que una vez alcanzado el límite elástico aparente se forman al mismo tiempo, de ordinario, muchas dislocaciones. Estas dificultades experimentales casi se eliminan si se estudia la nucleación de la dislocación en cristales de fluoruro de litio , el cual es un sal iónica que cristaliza en la red cúbica simple (sal de roca). Este material puede ser preparado en forma de cristales simples con un elevado grado de perfección de manera que tenga una baja densidad de dislocaciones de crecimiento interior (≅ 5×104/cm2). Además, los cristales de LiF son lo suficientemente rígidos a temperatura ambiente para ser manejados sin distorsión, y sólo son ligeramente plásticos a esta temperatura. En esta forma, con una pequeña tensión (≅ 700 a 1000 lb/plg2) aplicada durante un corto periodo de tiempo, se pueden formar en ellos dislocaciones en corto número controlado.

Las grandes picaduras cuadradas del ataque químico en filas horizontales corresponden a dislocaciones formadas en el LiF a temperaturas ambiente, en tanto que las picaduras más pequeñas, con un espaciado más angosto, que se observan en filas curvadas, crecieron dentro del cristal cuando éste se fabricó.

Uno de los mejores y más simples medios de observar dislocaciones en los cristales, es por medio del uso de un reactivo de ataque, que forme una picadura sobre la superficie del cristal en cada punto donde una dislocación intercepte la superficie del cristal.

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