El envejecimiento dinámico por deformación (DSA) es una inestabilidad en el flujo plástico de materiales, asociada con la interacción entre las dislocaciones en movimiento y la difusión de solutos. Aunque a veces el envejecimiento dinámico por cepa se usa indistintamente con el efecto Portevin-Le Chatelier (o rendimiento dentado), el envejecimiento dinámico por cepa se refiere específicamente al mecanismo microscópico que induce el efecto Portevin-Le Chatelier. Este mecanismo de fortalecimiento está relacionado con el fortalecimiento de la solución sólida y se ha observado en una variedad de aleaciones intersticiales y sustitucionales de fcc y bcc , metaloides como el silicio e intermetálicos ordenados dentro de rangos específicos de temperatura y velocidad de deformación.. [1]
Descripción del mecanismo
En los materiales, el movimiento de las dislocaciones es un proceso discontinuo. Cuando las dislocaciones encuentran obstáculos durante la deformación plástica (como partículas o dislocaciones del bosque), se detienen temporalmente durante un tiempo determinado. Durante este tiempo, los solutos (como partículas intersticiales o impurezas sustitutivas) se difunden alrededor de las dislocaciones fijadas, lo que refuerza aún más la sujeción de los obstáculos a las dislocaciones. Eventualmente, estas dislocaciones superarán los obstáculos con suficiente estrés y se moverán rápidamente al siguiente obstáculo donde se detienen y el proceso puede repetirse. [2] Las manifestaciones macroscópicas más conocidas de este proceso son las bandas de Lüders y el efecto Portevin-Le Chatelier. Sin embargo, se sabe que el mecanismo afecta a los materiales sin estas observaciones físicas. [3]
Modelo para DSA de soluto sustitutivo
En las aleaciones metálicas con elementos de soluto sustitutivos, como las aleaciones de aluminio y magnesio, el envejecimiento por deformación dinámica conduce a una sensibilidad a la velocidad de deformación negativa que provoca inestabilidad en el flujo de plástico. [4] La difusión de elementos solutos alrededor de una dislocación se puede modelar en función de la energía necesaria para mover un átomo de soluto a través del plano de deslizamiento de la dislocación. [5] Una dislocación del borde produce un campo de tensión que es compresivo por encima del plano de deslizamiento y tenso por debajo. [6] En las aleaciones de Al-Mg, el átomo de Mg es más grande que un átomo de Al y tiene menor energía en el lado de tensión del plano de deslizamiento de la dislocación; por lo tanto, los átomos de Mg en la vecindad de una dislocación de borde son impulsados a difundirse a través del plano de deslizamiento (ver figura). [5] [4] La región resultante de menor concentración de soluto por encima del plano de deslizamiento debilita el material en la región cercana a la dislocación clavada, de modo que cuando la dislocación se vuelve móvil nuevamente, la tensión requerida para moverla se reduce temporalmente. Este efecto puede manifestarse como estrías en la curva tensión-deformación (efecto Portevin-Le Chatelier). [4]
Debido a que la difusión de solutos se activa térmicamente, los aumentos de temperatura pueden aumentar la velocidad y el rango de difusión alrededor de un núcleo de dislocación. Esto puede resultar en caídas de tensión más severas, típicamente marcadas por una transición de estrías de Tipo A a Tipo C. [7]
Efectos de las propiedades materiales
Aunque las estrías en la curva tensión-deformación causadas por el efecto Portevin-Le Chatelier son el efecto más visible del envejecimiento dinámico de la deformación, pueden estar presentes otros efectos cuando no se observa este efecto. [3] A menudo, cuando no se ve un flujo dentado, el envejecimiento dinámico por deformación se caracteriza por una menor sensibilidad a la velocidad de deformación. Eso se vuelve negativo en el régimen de Portevin-Le Chatelier. [8] El envejecimiento por deformación dinámica también causa una meseta en la resistencia, un pico en la tensión de flujo [9] un pico en el endurecimiento por trabajo , un pico en la constante Hall-Petch y una variación mínima de ductilidad con la temperatura. [10] Dado que el envejecimiento por deformación dinámica es un fenómeno de endurecimiento, aumenta la resistencia del material. [10]
Efecto de los elementos de aleación en DSA
Se pueden distinguir dos categorías por la vía de interacción. La primera clase de elementos, como el carbono (C) y el nitrógeno (N), contribuyen al DSA directamente al difundirse lo suficientemente rápido a través de la red hasta las dislocaciones y bloquearlas. Dicho efecto se determina con la solubilidad del elemento, el coeficiente de difusión y la energía de interacción entre los elementos y las dislocaciones, es decir, la gravedad del bloqueo de la dislocación. Los elementos de la segunda categoría afectan a los DSA al alterar el comportamiento de los elementos de primera clase. Algunos átomos de soluto sustitutivos, como Mn, Mo y Cr, ordenan los pares intersticiales sustitutivos inducidos por el estrés y, por lo tanto, reducen la movilidad del carbono y el nitrógeno. Algunos elementos, por ejemplo, Ti, Zr y Nb introducen carburos, nitruros, etc., que luego desplazan la región DSA a una zona de temperatura más alta. [11]
Tipos de estrías DSA
Se pueden identificar al menos cinco clases de acuerdo con la apariencia de relación tensión-deformación de Serration.
Escribe un
Este tipo, que surge de la nucleación repetida de las bandas de cizallamiento y la propagación continua de las bandas de Lüders, consiste en estrías de bloqueo periódicas con un aumento brusco de la tensión de flujo seguida de una caída de la tensión por debajo del nivel general de la curva tensión-deformación. Por lo general, se ve en la parte de baja temperatura (alta tasa de deformación) del régimen de DS.
Tipo B
Resultan de la nucleación de bandas de cizallamiento estrechas, que se propagan de manera discontinua o no se propagan debido a los sitios de nucleación adyacentes y, por lo tanto, oscilan alrededor del nivel general de la curva de flujo. Ocurre a temperaturas más altas o tasas de deformación más bajas que el tipo A. También puede desarrollarse a partir del tipo A cuando se trata de una deformación más alta.
Tipo C
Causada por el desbloqueo de la dislocación, la caída de tensión del tipo C está por debajo del nivel general de la curva de flujo. Ocurre a una temperatura aún más alta y en comparación con la deformación más baja con el tipo A y B.
Tipo D
Cuando no hay endurecimiento por trabajo, se ve una meseta en la curva de tensión-deformación y, por lo tanto, también se denomina tipo de escalera. Este tipo forma un modo mixto con el tipo B.
Tipo E
El tipo E, que se produce a mayor tensión después del tipo A, no es fácil de reconocer.
Ejemplo específico de material de envejecimiento dinámico por deformación
Se ha demostrado que el envejecimiento dinámico por deformación está relacionado con estos problemas específicos de los materiales:
- Disminuya la resistencia a la fractura de las aleaciones de Al – Li. [1]
- Disminuir la vida de fatiga de ciclo bajo de aceros inoxidables austeníticos y superaleaciones en condiciones de prueba que son similares a las condiciones de servicio en reactores reproductores rápidos refrigerados por metal líquido en los que se utiliza el material. [12]
- Reducir la tenacidad a la fractura en un 30–40% y acortar la vida de fatiga del aire de los aceros RPC y puede empeorar la resistencia al agrietamiento de los aceros en entornos agresivos. La susceptibilidad de los aceros RPC a la creación asistida por el medio ambiente en agua a alta temperatura coincide con el comportamiento de DSA [13]
- Problemas específicos de PLC como la fragilidad del azul en el acero, la pérdida de ductilidad y los malos acabados superficiales de las aleaciones de aluminio y magnesio formadas. [14]
Ver también
Referencias
- ^ a b Mesarovic, Sinisa (1995) "Envejecimiento por deformación dinámica e inestabilidades plásticas". J. Mech. Phys. Sólidos 43 : 671–701 núm. 5
- ^ Van Den Beukel, A. (1975) "Teoría del efecto del envejecimiento dinámico por deformación en las propiedades mecánicas". Phys. Stat. Sol. a) 30 197 :
- ^ a b Atkinson, JD y Yu, J. (1997) "El papel del envejecimiento dinámico por deformación en el agrietamiento asistido por el medio ambiente observado en aceros para recipientes a presión". Ing. De Fractura por Fatiga. Mater. Struct. Vol.20 núm. 1 : 1–12
- ^ a b c Aboulfadi, H., Deges, J., Choi, P., Raabe, D. (2015) "Envejecimiento dinámico por deformación estudiado a escala atómica", Acta Materialia 86 : 34-42
- ^ a b Curtin, WA, Olmsted, DL, Hector Jr., LG (2006) "Un mecanismo predictivo para el envejecimiento por deformación dinámica en aleaciones de aluminio y magnesio", Nature Materials 5 : 875-880
- ^ Cai, W., Nix, WD (2016) "Imperfecciones en sólidos cristalinos", Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-12313-7
- ^ Pink, E., Grinberg, A. (1981) "Flujo dentado en un acero inoxidable ferrítico", Ciencia e ingeniería de materiales 51 iss. 1, p.1-8
- ^ Hahner, Peter (1996) "Sobre la física del efecto Portevin-Le Chatelier, parte 1: las estadísticas del envejecimiento dinámico por deformación" Ciencia e ingeniería de materiales A207 :
- ^ Mannan, SL (1993) "Papel del envejecimiento de la mancha dinámica en la fatiga de ciclo bajo". Ciencia de los materiales vol 16 no 5 : 561–582
- ^ a b Samuel, KG, Mannan, SL, Rodríguez, P (1996) "Otra manifestación del envejecimiento dinámico por deformación" Journal of Materials Science Letters 15 : 1697-1699
- ^ Sandra Cunninghham (1999), "Efecto de los elementos sustitutivos sobre el envejecimiento dinámico por deformación en acero", Universidad McGill.
- ^ 2) Mannan, SL, "Papel del envejecimiento de la tinción dinámica en la fatiga de ciclo bajo" Material Science vol 16 no 5 de diciembre de 1993 p561-582
- ^ Atkinson, JD y Yu, J. "El papel del envejecimiento dinámico por deformación en el agrietamiento asistido por el medio ambiente observado en aceros para recipientes a presión" Fatigue Fractur Engeg. Materis Struct. Vol. 20 No. 1 págs. 1-12 1997
- ^ Abbadi, M., Hahner, P., Zeghloul, A., "Sobre la característica de la banda de Portevin-Le Chatelier en aleación de aluminio 5182 bajo prueba de tensión controlada por tensión y tensión controlada" Ciencia e ingeniería de materiales A337, 2002, p 194 -201