En la ciencia de los materiales , el concepto de atmósfera de Cottrell fue introducido por AH Cottrell y BA Bilby en 1949 [1] para explicar cómo los intersticiales de boro , carbono o nitrógeno fijan las dislocaciones en algunos metales .
Las atmósferas Cottrell se encuentran en materiales cúbicos centrados en el cuerpo (BCC) y cúbicos centrados en las caras (FCC), como hierro o níquel, con pequeños átomos de impurezas, como boro, [2] carbono, [3] o nitrógeno. [ cita requerida ] Como estos átomos intersticiales distorsionan ligeramente la red, habrá un campo de tensión residual asociado que rodea al intersticial. Este campo de tensión puede ser relajado por el átomo intersticial que se difunde hacia una dislocación [ cita requerida ], que contiene un pequeño espacio en su núcleo (ya que es una estructura más abierta), vea la Figura 1. Una vez que el átomo se ha difundido en el núcleo de dislocación, el átomo permanecerá. Normalmente, solo se requiere un átomo intersticial por plano de celosía de la dislocación. [ cita requerida ]
Una vez que se ha inmovilizado una dislocación, se requiere una gran fuerza para desenganchar la dislocación antes de que ceda, por lo tanto, a temperatura ambiente, la dislocación no se desenganchará. [4] Esto produce un punto de fluencia superior observado en un gráfico de tensión-deformación . Más allá del límite de rendimiento superior, la dislocación anclada actuará como fuente Frank-Read para generar nuevas dislocaciones que no están ancladas. Estas dislocaciones pueden moverse libremente en el cristal, lo que da como resultado un límite de fluencia más bajo posterior, y el material se deformará de una manera más plástica.
Dejar que la muestra envejezca, manteniéndola a temperatura ambiente durante unas horas, permite que los átomos de carbono se vuelvan a difundir a los núcleos de dislocación, lo que da como resultado un retorno del límite de rendimiento superior.
Las atmósferas de Cottrell conducen a la formación de bandas de Lüders y grandes fuerzas para embutición profunda y formación de láminas grandes, lo que las convierte en un obstáculo para la fabricación. Algunos aceros están diseñados para eliminar el efecto de la atmósfera de Cottrell eliminando todos los átomos intersticiales. Los aceros como el acero libre intersticial se descarbura y se añaden pequeñas cantidades de titanio para eliminar el nitrógeno.
Fenómenos similares
Si bien la atmósfera de Cottrell es un efecto general, existen otros mecanismos relacionados que ocurren en circunstancias más especializadas.
Efecto Suzuki
El efecto Suzuki se caracteriza por la segregación de solutos a defectos de falla de apilamiento. Cuando las dislocaciones en un sistema FCC se dividen en dos dislocaciones parciales, se forma una falla de apilamiento hexagonal compacta (HCP) entre los dos parciales. H. Suzuki predijo que la concentración de átomos de soluto en este límite diferiría de la masa. Por lo tanto, moverse a través de este campo de átomos de solutos produciría un arrastre de dislocaciones similar al de la atmósfera de Cottrell. [5] Suzuki observó posteriormente tal segregación en 1961. [6]
Efecto Snoek
El efecto Snoek se caracteriza por el orden de los átomos de soluto en un campo de tensión de dislocación. En los metales BCC, los sitios intersticiales de una red no tensada son igualmente favorables. Sin embargo, una vez que se aplica una tensión en la celosía, como la formada por una dislocación, 1/3 de los sitios se vuelven más favorables que los otros 2/3. Por lo tanto, los átomos solutos se moverán para ocupar los sitios favorables, formando un orden de solutos de corto alcance inmediatamente dentro de la vecindad de la dislocación. [7] Por lo tanto, se requiere más energía para romper una dislocación de este orden.
Referencias
- ^ Cottrell, AH; Bilby, BA (1949), "Teoría de la dislocación del rendimiento y envejecimiento por deformación del hierro", Actas de la Sociedad Física , 62 (1): 49–62, Código Bibliográfico : 1949PPSA ... 62 ... 49C , doi : 10.1088 / 0370-1298 / 62/1/308
- ^ Blavette, D .; Cadel, E .; Fraczkiewicz, A .; Menand, A. (1999). "Imagen de escala atómica tridimensional de la segregación de impurezas a defectos de línea". Ciencia . 286 (5448): 2317–2319. doi : 10.1126 / science.286.5448.2317 . PMID 10600736 .
- ^ Waseda, Osamu; Veiga, Roberto GA; Morthomas, Julien; Chantrenne, Patrice; Becquart, Charlotte S .; Ribeiro, Fabienne; Jelea, Andrei; Goldenstein, Helio; Pérez, Michel (marzo de 2017). "Formación de atmósferas de carbono Cottrell y su efecto en el campo de tensión alrededor de una dislocación de borde". Scripta Materialia . 129 : 16-19. doi : 10.1016 / j.scriptamat.2016.09.032 . ISSN 1359-6462 .
- ^ Veiga, RGA; Goldenstein, H .; Pérez, M .; Becquart, CS (1 de noviembre de 2015). "Monte Carlo y simulaciones de dinámica molecular del bloqueo de la dislocación del tornillo por atmósferas de Cottrell en aleaciones bajas en carbono de Fe-C". Scripta Materialia . 108 : 19-22. doi : 10.1016 / j.scriptamat.2015.06.012 . ISSN 1359-6462 .
- ^ Suzuki, Hideji (1 de enero de 1952). "Interacción química de átomos solutos con dislocaciones" . Informes científicos de los institutos de investigación de la Universidad de Tohoku. Ser. A, Física, Química y Metalurgia (en japonés). 4 : 455–463.
- ^ Suzuki, Hideji (15 de febrero de 1962). "Segregación de átomos solutos a fallas de apilamiento". Revista de la Sociedad de Física de Japón . 17 (2): 322–325. Código bibliográfico : 1962JPSJ ... 17..322S . doi : 10.1143 / JPSJ.17.322 . ISSN 0031-9015 .
- ^ Hosford, William F. (2005). Comportamiento mecánico de materiales . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-84670-6. OCLC 56482243 .