01. Fortalecimiento de solución sólida
Definición
El fortalecimiento de la solución sólida es el fenómeno en el que los elementos de aleación se disuelven en el metal base, provocando una distorsión de la red y aumentando la resistencia de la aleación.
Principio
Los átomos de soluto que se disuelven en la solución sólida crean una distorsión de la red, lo que aumenta la resistencia al movimiento de dislocación, lo que dificulta el deslizamiento. Como resultado, aumentan la resistencia y dureza de la solución sólida de aleación. Este mecanismo de fortalecimiento se basa en la disolución de los átomos del soluto para formar una solución sólida. Con una concentración adecuada de soluto, la resistencia y dureza del material mejoran, aunque su tenacidad y ductilidad pueden disminuir.
Factores que influyen
Cuanto mayor sea la fracción atómica de los átomos del soluto, más fuerte será el efecto fortalecedor, especialmente en concentraciones bajas.
Cuanto mayor sea la diferencia de tamaño entre los átomos del soluto y del metal base, más significativo será el fortalecimiento.
Los átomos de soluto intersticiales tienen un efecto fortalecedor más fuerte que los sustitucionales. En los cristales cúbicos centrados en el cuerpo-, los átomos intersticiales causan una distorsión asimétrica de la red, lo que resulta en un mayor fortalecimiento que en los cristales cúbicos centrados en la cara-. Sin embargo, la solubilidad de los átomos intersticiales es limitada.
Cuanto mayor sea la diferencia en el número de electrones de valencia entre los átomos de soluto y base, más fuerte será el efecto fortalecedor. El límite elástico aumenta con la concentración de electrones.
El grado de fortalecimiento depende de:
Diferencia de tamaño entre los átomos de soluto y base: una mayor discrepancia de tamaño aumenta la resistencia a la dislocación.
Cantidad de elementos de aleación: una mayor aleación=tiene un efecto más fuerte, pero cantidades excesivas pueden exceder el límite de solubilidad y requerir otros métodos de fortalecimiento como el fortalecimiento de segunda fase.
Los átomos intersticiales se fortalecen más que los átomos sustitucionales.
La diferencia de electrones de valencia entre el soluto y el metal de la matriz mejora el fortalecimiento.
Efectos
El límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza superan a los de los metales puros.
Generalmente menor ductilidad en comparación con los metales puros.
Menor conductividad eléctrica que los metales puros.
Resistencia a la fluencia mejorada y resistencia a altas-temperaturas.
02. Endurecimiento por trabajo (endurecimiento por deformación)
Definición
A medida que aumenta la deformación en frío, la resistencia y la dureza de un metal aumentan, mientras que la plasticidad y la tenacidad disminuyen.
Descripción general
Cuando los metales se deforman plásticamente por debajo de su temperatura de recristalización, se vuelven más fuertes y duros pero menos dúctiles y tenaces. También conocido como endurecimiento por trabajo en frío. Durante la deformación plástica, las dislocaciones se entrelazan, los granos se alargan, se rompen y se vuelven fibrosos. Se introduce tensión residual. El grado de endurecimiento generalmente se mide por la relación entre la microdureza de la superficie antes y después de la deformación y la profundidad de la capa endurecida.
Explicación de la teoría de la dislocación
Las dislocaciones se cruzan y forman escalones-como obstáculos al movimiento.
Las dislocaciones reaccionan para formar dislocaciones inmóviles que dificultan el movimiento.
La multiplicación de las dislocaciones aumenta la densidad, lo que impide aún más el movimiento.
Desventajas
El endurecimiento por trabajo complica el procesamiento posterior. Por ejemplo, el acero-laminado en frío se vuelve cada vez más duro e impracticable, y requiere un recocido intermedio para ablandarse. En el mecanizado, el endurecimiento de la superficie aumenta la fuerza de corte y el desgaste de la herramienta.
Beneficios
Mejora la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste del metal, especialmente para metales puros y aleaciones que no pueden reforzarse mediante tratamiento térmico (p. ej., alambres-estirados en frío de alta-resistencia, resortes-laminados en frío, vías de tanques, mandíbulas trituradoras, interruptores de ferrocarril).
Aplicaciones en ingeniería mecánica
El estirado en frío, el laminado y el granallado aumentan en gran medida la resistencia superficial de los materiales y componentes.
La deformación plástica localizada bajo tensión puede limitarse debido al endurecimiento por trabajo, lo que mejora la seguridad de los componentes.
En el estampado, las áreas endurecidas dirigen la deformación a regiones más blandas, permitiendo una deformación uniforme en todas las secciones.
Mejora la maquinabilidad de los aceros con bajo contenido de-carbono al facilitar la separación de las virutas. Sin embargo, aumenta el consumo de energía en el procesamiento posterior y el desgaste de las herramientas en el mecanizado.
03. Fortalecimiento del refinamiento de granos
Definición
El fortalecimiento del refinamiento del grano mejora las propiedades mecánicas al reducir el tamaño del grano.
Principio
Los metales son policristalinos. Los granos más pequeños (es decir, más granos por unidad de volumen) dan como resultado mayor resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad. Los granos más finos distribuyen la deformación de manera más uniforme, reducen la concentración de tensiones y dificultan la propagación de grietas. Por tanto, refinar los granos aumenta la fuerza.
Efectos
Los granos más finos reducen la tensión acumulada-de dislocación, lo que aumenta la resistencia.
Según la relación Hall-Petch, un tamaño de grano más pequeño ddd conduce a un mayor límite elástico.
Métodos para refinar granos
Aumentar el subenfriamiento.
Tratamiento de inoculación.
Vibración y agitación durante la solidificación.
En metales-deformados en frío: controlar el grado de deformación y la temperatura de recocido.
04. Fortalecimiento de la Segunda Fase
Definición
En las aleaciones multifásicas, además de la fase matriz, existe una segunda fase. Cuando las partículas de la segunda-fase finamente dispersas se distribuyen uniformemente en la matriz, fortalecen significativamente la aleación. Esto se conoce como fortalecimiento de la segunda-fase.
Tipos
Desde la perspectiva del movimiento de dislocación, las partículas de la segunda-fase se clasifican en:
Partículas no-deformables: refuerzo mediante mecanismo de derivación (mecanismo de Orowan).
Partículas deformables: refuerzo mediante mecanismo de corte.
El fortalecimiento dispersoide y el endurecimiento por precipitación son formas específicas de fortalecimiento de segunda-fase.
Efectos
Las partículas de la segunda-fase interactúan con las dislocaciones, lo que impide su movimiento y aumenta la resistencia de la aleación a la deformación.
Otros factores que afectan la fuerza
La composición, microestructura y estado de la superficie de la aleación.
Condición de carga: velocidad, modo (tracción versus cíclico).
Geometría de la muestra y entorno de prueba (por ejemplo, la fragilización por hidrógeno puede reducir drásticamente la resistencia).
Resumen de enfoques de fortalecimiento
Dos caminos principales para fortalecer los metales:
Aumenta la fuerza de enlace atómico y crea cristales-libres de defectos (p. ej., bigotes).
Introducir defectos (dislocaciones, átomos de soluto, límites de granos, etc.) para obstaculizar el movimiento de las dislocaciones - ha demostrado ser el método más eficaz.
Los materiales de ingeniería suelen depender de una combinación de mecanismos de refuerzo para lograr un rendimiento óptimo.
