01. Fortalecimiento de soluciones sólidas
Configuración
El fenómeno de la solución sólida de elementos de aleación en la matriz metálica, que provoca un cierto grado de distorsión de la red, mejora la resistencia de la aleación.
Principio
Los átomos de soluto que se disuelven en la solución sólida provocan una distorsión de la red, lo que aumenta la resistencia al movimiento de desplazamiento y dificulta el deslizamiento. Como resultado, aumentan la resistencia y dureza de la solución sólida de aleación. Este fenómeno de fortalecimiento del metal mediante la formación de una solución sólida mediante la disolución de un elemento soluto específico se conoce como fortalecimiento de la solución sólida.
Cuando la concentración de átomos de soluto es ideal, se puede mejorar la resistencia y dureza del material, pero su tenacidad y plasticidad disminuyen.
Factores de influencia
Cuanto mayor sea la concentración de átomos de soluto, más pronunciado será el efecto fortalecedor, especialmente en concentraciones bajas, donde el efecto es más significativo.
Cuanto mayor sea la diferencia de tamaño atómico entre el átomo de soluto y el metal de la matriz, más fuerte será el efecto fortalecedor.
Los átomos de soluto intersticiales tienen un efecto fortalecedor de la solución sólida más fuerte que los átomos de reemplazo. Además, la distorsión de la red causada por los átomos intersticiales en los cristales cúbicos centrados en el cuerpo es asimétrica, lo que da como resultado un efecto de fortalecimiento más fuerte que el de los cristales cúbicos centrados en las caras. Sin embargo, la solubilidad sólida de los átomos intersticiales es muy limitada, por lo que el efecto fortalecedor real también es limitado.
Cuanto mayor es la diferencia en el número de electrones de valencia entre el átomo de soluto y la matriz metálica, más pronunciado se vuelve el efecto fortalecedor de la solución sólida. En otras palabras, el límite elástico de la solución sólida aumenta a medida que aumenta la concentración de electrones de valencia.
El grado de fortalecimiento de la solución sólida depende principalmente de los siguientes factores:
(1) La diferencia de tamaño entre los átomos de la matriz y los átomos del soluto:
Cuanto mayor es la diferencia de tamaño, más se altera la estructura cristalina original y más difícil resulta el deslizamiento de las dislocaciones.
(2) La cantidad de elementos de aleación:
Cuanto mayor sea la cantidad de elementos de aleación añadidos, más fuerte será el efecto fortalecedor.
Si se añaden demasiados átomos, muy grandes o muy pequeños, se excederá la solubilidad. Esto da como resultado otro mecanismo de fortalecimiento conocido como fortalecimiento en fase de dispersión.
(3) El efecto fortalecedor de la solución sólida de los átomos de soluto intersticiales es mayor que el de los átomos de reemplazo.
(4) Cuanto mayor es la diferencia en el número de electrones de valencia entre el átomo de soluto y la matriz metálica, más pronunciado se vuelve el efecto fortalecedor de la solución sólida.
Está hecho
El límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza son más fuertes en comparación con los del metal puro.
En la mayoría de los casos, la ductilidad es menor en comparación con la del metal puro.
La conductividad eléctrica es significativamente menor en comparación con la del metal puro.
El refuerzo de solución sólida puede mejorar la resistencia a la fluencia o la pérdida de resistencia a altas temperaturas.
02. Endurecimiento del trabajo
definición D
A medida que aumenta la deformación en frío, la resistencia y la dureza de los materiales metálicos aumentan, pero la plasticidad y la tenacidad disminuyen.
Breve introducción
El fenómeno de aumento de resistencia y dureza de los materiales metálicos, acompañado de una disminución de la plasticidad y tenacidad durante la deformación plástica por debajo de la temperatura de recristalización, se conoce como endurecimiento por trabajo en frío.
La razón de esto es que durante la deformación plástica del metal, los granos se deslizan y las dislocaciones se enredan, provocando que los granos se alarguen, se rompan y se fibrosen, lo que resulta en una tensión residual dentro del metal.
El grado de endurecimiento por trabajo se expresa comúnmente como la relación entre la microdureza de la capa superficial después del procesamiento y la anterior al procesamiento, y la profundidad de la capa endurecida.
Desde la perspectiva de la teoría del desplazamiento:
(1) La intersección de dislocaciones impide su movimiento mediante la formación de dislocaciones de corte;
(2) La reacción entre desplazamientos crea desplazamientos fijos que impiden aún más su movimiento;
(3) La proliferación de dislocaciones conduce a un aumento en la densidad de las dislocaciones, lo que aumenta aún más la resistencia al movimiento de las dislocaciones.
Herir
El endurecimiento por deformación dificulta el procesamiento posterior de piezas metálicas.
Por ejemplo, durante el laminado en frío, la chapa de acero se volverá cada vez más dura hasta el punto de que ya no se podrá laminar. Por lo tanto, es necesario incluir un recocido intermedio en el proceso de procesamiento para eliminar el endurecimiento por calor.
Por ejemplo, en el proceso de corte, la superficie de la pieza de trabajo se vuelve quebradiza y dura, lo que provoca un desgaste acelerado de la herramienta, un aumento de la fuerza de corte, etc.
Beneficios
El endurecimiento por trabajo puede mejorar la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste de los metales, especialmente para los metales puros y algunas aleaciones que no pueden reforzarse mediante tratamiento térmico.
Los ejemplos incluyen alambre de acero de alta resistencia estirado en frío y resortes enrollados en frío, que utilizan la deformación por trabajo en frío para aumentar su resistencia y límite elástico.
Por ejemplo, las vías de los tanques y tractores, la placa de mandíbulas de las trituradoras y los revestimientos de las vías del ferrocarril también utilizan el endurecimiento para mejorar su dureza y resistencia al desgaste.
Papel en la ingeniería mecánica
La resistencia superficial de materiales, piezas y componentes metálicos se puede mejorar significativamente mediante estirado en frío, laminado y granallado (como se describe en fortalecimiento de superficies).
Cuando las piezas se someten a tensión, las tensiones locales en algunas áreas a menudo pueden exceder el límite elástico del material, lo que provoca deformación plástica. Sin embargo, el endurecimiento restringe el desarrollo continuo de la deformación plástica, mejorando así la seguridad de piezas y componentes.
Cuando se estampa una pieza o componente metálico, la deformación plástica va acompañada de un refuerzo, lo que da como resultado la transferencia de la deformación a la pieza circundante endurecida y sin trabajar.
Mediante acciones alternas repetidas, se pueden obtener piezas estampadas en frío con una deformación transversal uniforme y se puede mejorar el rendimiento de corte del acero con bajo contenido de carbono, facilitando la separación de virutas.
Sin embargo, el endurecimiento mecánico también dificulta el procesamiento posterior de piezas metálicas. Por ejemplo, el alambre de acero estirado en frío resulta difícil de estirar más debido al endurecimiento por trabajo, lo que requiere una cantidad significativa de energía e incluso puede romperse. Como resultado, se debe recocer para eliminar el endurecimiento antes de volver a estirarlo.
De manera similar, en el proceso de corte, hacer que la superficie de la pieza de trabajo se vuelva quebradiza y dura mediante el endurecimiento aumenta la fuerza de corte y acelera el desgaste de la herramienta durante el nuevo corte.
03. Fortalecimiento de los granos finos
definición D
El método para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos mediante el refinamiento del grano se conoce como fortalecimiento de grano fino.
En la industria, el refinado de granos se utiliza para mejorar la resistencia de los materiales.
Principio
Los metales suelen estar formados por muchos granos y se denominan policristales. El tamaño del grano se puede expresar en términos de número de granos por unidad de volumen, y un número mayor indica granos más finos.
Los experimentos muestran que los metales de grano fino tienen mayor resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad en comparación con los metales de grano grueso a temperatura ambiente. Esto se debe a que la deformación plástica causada por fuerzas externas en granos finos puede dispersarse en más granos, lo que lleva a una deformación plástica más uniforme y una concentración de tensiones reducida.
Además, cuanto más fino sea el grano, mayor será el área del límite del grano y más tortuoso se volverá el límite del grano, lo que dificultará la propagación de las grietas.
Por lo tanto, el método para aumentar la resistencia del material mediante el refinamiento del grano se conoce en la industria como fortalecimiento de grano fino.
Está hecho
Cuanto más fino es el grano, menos dislocaciones (n) presentes en el grupo de dislocaciones, lo que resulta en una menor concentración de tensiones y una mayor resistencia del material.
La ley de fortalecimiento de grano fino establece que cuantos más límites de grano estén presentes, más finos serán los granos.
Según la relación Hall-Petch, cuanto menor sea el tamaño medio de grano (d), mayor será el límite elástico del material.
El método de refinamiento del grano:
Los métodos para refinar granos metálicos deformados en frío incluyen:
- Aumento de la hipotermia
- Manejo de modificaciones
- Vibración y temblor
El tamaño del grano se puede controlar ajustando el grado de deformación y la temperatura de recocido.
04. Fortalecimiento de la segunda fase
definición D
En comparación con las aleaciones monofásicas, las aleaciones multifásicas contienen una segunda fase además de la fase matriz.
Cuando la segunda fase se dispersa uniformemente como partículas finas dentro de la fase de matriz, se produce un efecto de fortalecimiento significativo, denominado fortalecimiento de la segunda fase.
Clasificación
La segunda fase contenida en la aleación tiene los dos efectos siguientes sobre el movimiento de las dislocaciones:
(1) Efecto de fortalecimiento de partículas no deformables (mecanismo de derivación).
(2) Efecto de fortalecimiento de partículas deformables (mecanismo de corte).
Tanto el fortalecimiento por dispersión como el fortalecimiento por precipitación son casos especiales de fortalecimiento de segunda fase.
Está hecho
El fortalecimiento de la segunda fase se debe principalmente a la interacción entre la segunda fase y las dislocaciones, lo que evita el movimiento de las dislocaciones y aumenta la resistencia de la aleación a la deformación.
Conclusión
La resistencia de los materiales metálicos se ve afectada principalmente por su composición, microestructura y estado superficial.
El segundo factor es el estado de tensión, como la tasa de fuerza aplicada y el modo de carga, que pueden dar como resultado diferentes resistencias; por ejemplo, la resistencia a la tracción del acero de ultra alta resistencia puede disminuir cuando se prueba en una atmósfera de hidrógeno.
La forma geométrica y el tamaño de la muestra y del medio de prueba también tienen un impacto significativo y, en ocasiones, pueden ser decisivos.
Solo hay dos formas de fortalecer los materiales metálicos:
- Mejore la fuerza del enlace interatómico de la aleación y prepare cristales completos sin defectos como bigotes. Los bigotes de hierro tienen una resistencia cercana al valor teórico debido a la ausencia o al pequeño número de dislocaciones que no se multiplican durante la deformación. Sin embargo, su fuerza disminuye rápidamente a medida que aumenta su diámetro.
- Introducción de una gran cantidad de defectos cristalinos en el cristal, como dislocaciones, defectos puntuales, átomos heterogéneos, límites de grano, partículas muy dispersas o heterogeneidades (como la segregación). Estos defectos impiden el movimiento de las dislocaciones y aumentan significativamente la resistencia del metal. Ésta es la forma más eficaz de aumentar la resistencia del metal.
En los materiales de ingeniería, la resistencia generalmente se mejora mediante un efecto de refuerzo integral para obtener mejores propiedades generales.
