este modo de falla las piezas afectadas en servicio experimentan una distorsión de su geometría o deformación plástica permanente, consecuencia de sobrepasarse el esfuerzo límite elástico del material (σE) sin llegar a fractura, es decir, sin superar el esfuerzo último (σU) (figura 2.2 (e), figura 2.5). Este modo de falla, por lo tanto, es súbito y debido a una sobrecarga (para el material, geometría y apoyos involucrados), ya que con una sola vez que se sobrepase el esfuerzo límite elástico, la distorsión permanente aparecerá.
Figura 2.5 Comportamiento del esfuerzo versus el tiempo en las fallas por deformación plástica
Fuente: elaboración propia.
2.2.3.1 Mecanismos de la deformación plástica
La deformación plástica de los materiales se puede dar mediante los mecanismos básicos del deslizamiento, el maclaje, el cambio de ángulos de enlace de moléculas, o por combinación de estos. La deformación plástica puede ser generalizada en la pieza o estar localizada en ciertas zonas. En los siguientes numerales se describen los mecanismos básicos de la deformación plástica.
2.2.3.1.1. DESLIZAMIENTO
El deslizamiento se presenta cuando átomos o moléculas dentro de un material se desplazan unas sobre otras de manera permanente, bajo la acción de un esfuerzo cortante o cizallante (τ), sin que desaparezcan las fuerzas de enlace entre estas.
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 2.6 se 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 2.1 se 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.
| Estructura | Planos más densos | Direcciones más compactas |
| CC | {110} | ⟨111⟩ |
| CCC | {111} | ⟨110⟩ |
| HC | {0001} | ⟨1120⟩ |
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 2.3 se 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.
| Estructura | Metal | Ductilidad |
| CCC |
Cobre, aluminio,
|
