El endurecimiento por precipitación , también llamado endurecimiento por envejecimiento o endurecimiento por partículas , es una técnica de tratamiento térmico utilizada para aumentar el límite elástico de materiales maleables , incluidas la mayoría de las aleaciones estructurales de aluminio , magnesio , níquel , titanio y algunos aceros y aceros inoxidables . En las superaleaciones , se sabe que provoca anomalías en el límite elástico, lo que proporciona una excelente resistencia a altas temperaturas.
El endurecimiento por precipitación se basa en cambios en la solubilidad sólida con la temperatura para producir partículas finas de una fase de impureza , que impiden el movimiento de dislocaciones o defectos en la red de un cristal . Dado que las dislocaciones son a menudo los portadores dominantes de plasticidad , esto sirve para endurecer el material. Las impurezas juegan el mismo papel que las sustancias en partículas en los materiales compuestos reforzados con partículas. Así como la formación de hielo en el aire puede producir nubes, nieve o granizo, según el historial térmico de una determinada porción de la atmósfera, la precipitación de sólidos puede producir partículas de muchos tamaños diferentes, que tienen propiedades radicalmente diferentes. A diferencia del revenido ordinario , las aleaciones deben mantenerse a temperatura elevada durante horas para permitir que se produzca la precipitación. Este retraso de tiempo se llama "envejecimiento". El tratamiento de la solución y el envejecimiento a veces se abrevia "STA" en las especificaciones y certificados para metales.
Tenga en cuenta que dos tratamientos térmicos diferentes que involucran precipitados pueden alterar la resistencia de un material: tratamiento térmico de solución y tratamiento térmico de precipitación. El fortalecimiento de la solución sólida implica la formación de una solución sólida de una sola fase mediante enfriamiento. El tratamiento térmico por precipitación implica la adición de partículas de impurezas para aumentar la resistencia de un material. [1]
Cinética versus termodinámica
Esta técnica aprovecha el fenómeno de la sobresaturación e implica un cuidadoso equilibrio de la fuerza impulsora de la precipitación y la energía de activación térmica disponible para los procesos deseables e indeseables.
La nucleación se produce a una temperatura relativamente alta (a menudo justo por debajo del límite de solubilidad) de modo que la barrera cinética de la energía superficial se puede superar más fácilmente y se puede formar el número máximo de partículas precipitadas. Luego, se permite que estas partículas crezcan a una temperatura más baja en un proceso llamado envejecimiento . Esto se lleva a cabo en condiciones de baja solubilidad de modo que la termodinámica impulse un mayor volumen total de formación de precipitado.
La dependencia exponencial de la difusión de la temperatura hace que el fortalecimiento de la precipitación, como todos los tratamientos térmicos, sea un proceso bastante delicado. Muy poca difusión ( bajo envejecimiento ), y las partículas serán demasiado pequeñas para impedir las dislocaciones de manera efectiva; demasiado ( sobreenvejecimiento ), y serán demasiado grandes y dispersos para interactuar con la mayoría de las dislocaciones.
Diseño de aleación
El fortalecimiento de la precipitación es posible si la línea de solubilidad sólida se inclina fuertemente hacia el centro de un diagrama de fase . Aunque es deseable un gran volumen de partículas precipitadas, debe añadirse una cantidad suficientemente pequeña del elemento de aleación para que permanezca fácilmente soluble a una temperatura de recocido razonable .
Los elementos utilizados para el refuerzo por precipitación en aleaciones típicas de aluminio y titanio constituyen aproximadamente el 10% de su composición. Si bien las aleaciones binarias se entienden más fácilmente como un ejercicio académico, las aleaciones comerciales a menudo usan tres componentes para el fortalecimiento de la precipitación, en composiciones como Al (Mg, Cu ) y Ti (Al, V ). Una gran cantidad de otros componentes pueden ser involuntarios, pero benignos, o pueden agregarse para otros fines, como el refinamiento del grano o la resistencia a la corrosión . En algunos casos, como en muchas aleaciones de aluminio, se logra un aumento de la resistencia a expensas de la resistencia a la corrosión.
La adición de grandes cantidades de níquel y cromo necesarios para la resistencia a la corrosión en los aceros inoxidables significa que los métodos tradicionales de endurecimiento y revenido no son efectivos. Sin embargo, los precipitados de cromo, cobre u otros elementos pueden fortalecer el acero en cantidades similares en comparación con el endurecimiento y el revenido. La resistencia se puede adaptar ajustando el proceso de recocido, con temperaturas iniciales más bajas que dan como resultado resistencias más altas. Las temperaturas iniciales más bajas aumentan la fuerza impulsora de la nucleación. Más fuerza motriz significa más sitios de nucleación, y más sitios significan más lugares para que se interrumpan las dislocaciones mientras la pieza terminada está en uso.
Muchos sistemas de aleación permiten ajustar la temperatura de envejecimiento. Por ejemplo, algunas aleaciones de aluminio que se utilizan para hacer remaches para la construcción de aviones se mantienen en hielo seco desde su tratamiento térmico inicial hasta que se instalan en la estructura. Después de que este tipo de remache se deforma en su forma final, el envejecimiento ocurre a temperatura ambiente y aumenta su resistencia, uniendo la estructura. Las temperaturas de envejecimiento más altas podrían hacer que otras partes de la estructura envejezcan en exceso y requerirían un costoso tratamiento térmico posterior al ensamblaje porque una temperatura de envejecimiento alta promueve que el precipitado crezca con demasiada facilidad.
Tipos de endurecimiento
Hay varias formas en que los precipitados pueden endurecer una matriz, que también podrían ser diferentes para los precipitados deformantes y los precipitados no deformantes. [2]
Partículas deformantes:
El endurecimiento de la coherencia ocurre cuando la interfaz entre las partículas y la matriz es coherente, lo que depende de parámetros como el tamaño de las partículas y la forma en que se introducen las partículas. Las partículas pequeñas precipitadas de una solución sólida sobresaturada suelen tener interfaces coherentes con la matriz. El endurecimiento por coherencia se origina a partir de la diferencia de volumen atómico entre el precipitado y la matriz, lo que da como resultado una deformación de coherencia. El campo de tensión asociado interactúa con las dislocaciones que conducen a un aumento en el límite elástico, similar al efecto de tamaño en el fortalecimiento de la solución sólida.
El endurecimiento del módulo resulta de los diferentes módulos de cizallamiento del precipitado y la matriz, lo que conduce a un cambio de energía de la tensión de la línea de dislocación cuando la línea de dislocación corta el precipitado. Además, la línea de dislocación podría doblarse al entrar en el precipitado, aumentando la longitud afectada de la línea de dislocación.
El fortalecimiento químico está asociado con la energía superficial de la interfaz matriz-precipitado recién introducida cuando la partícula es cortada por dislocaciones. Al igual que el endurecimiento del módulo, el análisis del área interfacial puede complicarse por la distorsión de la línea de dislocación.
El fortalecimiento del orden ocurre cuando el precipitado es una estructura ordenada de manera que la energía de enlace antes y después del cizallamiento es diferente. Por ejemplo, en un cristal cúbico ordenado con composición AB, la energía de enlace de AA y BB después del cizallamiento es mayor que la del enlace AB antes. El aumento de energía asociado por unidad de área es energía de frontera antifase y se acumula gradualmente a medida que la dislocación pasa a través de la partícula. Sin embargo, una segunda dislocación podría eliminar el dominio antifase dejado por la primera dislocación cuando atraviesa la partícula. La atracción de la partícula y la repulsión de la primera dislocación mantiene una distancia equilibrada entre dos dislocaciones, lo que complica el fortalecimiento del orden.
Partículas no deformables:
En partículas que no se deforman, donde el espaciado es lo suficientemente pequeño o la interfase precipitado-matriz está desordenada, la dislocación se arquea en lugar de cizalla. El fortalecimiento está relacionado con el espaciado efectivo entre partículas considerando el tamaño de partícula finito, pero no la fuerza de la partícula, porque una vez que la partícula es lo suficientemente fuerte como para que las dislocaciones se arqueen en lugar de cortar, un mayor aumento de la resistencia a la penetración de la dislocación no afectará el fortalecimiento.
Teoría
La principal especie de fortalecimiento de la precipitación son las partículas de la segunda fase. Estas partículas impiden el movimiento de dislocaciones a lo largo de la red. Puede determinar si las partículas de la segunda fase se precipitarán o no en la solución desde la línea sólida en el diagrama de fase de las partículas. Físicamente, este efecto de fortalecimiento se puede atribuir tanto a los efectos de tamaño y módulo , como a la energía interfacial o superficial . [2] [3]
La presencia de partículas de la segunda fase a menudo provoca distorsiones de la red. Estas distorsiones de la red se producen cuando las partículas precipitadas difieren en tamaño y estructura cristalográfica de los átomos del anfitrión. Las partículas de precipitado más pequeñas en una red de acogida conducen a una tensión de tracción, mientras que las partículas de precipitado más grandes conducen a una tensión de compresión. Los defectos de dislocación también crean un campo de estrés. Por encima de la dislocación hay una tensión de compresión y por debajo hay una tensión de tracción. En consecuencia, existe una energía de interacción negativa entre una dislocación y un precipitado que causan respectivamente una tensión de compresión y una tensión de tracción o viceversa. En otras palabras, la dislocación será atraída por el precipitado. Además, existe una energía de interacción positiva entre una dislocación y un precipitado que tienen el mismo tipo de campo de tensión. Esto significa que la dislocación será repelida por el precipitado.
Las partículas precipitadas también sirven al cambiar localmente la rigidez de un material. Las dislocaciones son rechazadas por regiones de mayor rigidez. Por el contrario, si el precipitado hace que el material sea localmente más dócil, entonces la dislocación será atraída hacia esa región. Además, hay tres tipos de límites de interfase (IPB).
El primer tipo es un IPB coherente u ordenado, los átomos coinciden uno por uno a lo largo del límite. Debido a la diferencia en los parámetros de la red de las dos fases, se asocia una energía de deformación de coherencia con este tipo de límite. El segundo tipo es un IPB completamente desordenado y no hay cepas de coherencia, pero la partícula tiende a no deformarse para producir dislocaciones. El último es un IPB parcialmente ordenado, por lo que las tensiones de coherencia se alivian parcialmente mediante la introducción periódica de dislocaciones a lo largo del límite.
En precipitados coherentes en una matriz, si el precipitado tiene un parámetro de red menor que el de la matriz, entonces la coincidencia atómica a través del IPB conduce a un campo de tensión interno que interactúa con dislocaciones en movimiento.
Hay dos caminos de deformación, uno es el endurecimiento de coherencia , el desajuste de celosía es
Dónde es el módulo de corte, es el desajuste coherente de la red, es el radio de la partícula, es la fracción de volumen de partículas, es el vector de hamburguesas, es igual a la concentración.
El otro es el módulo de endurecimiento . La energía de la energía de dislocación es, cuando atraviesa el precipitado, su energía es , el cambio en la energía del segmento de línea es
- .
La longitud máxima de dislocación afectada es el diámetro de la partícula, el cambio de tensión de la línea se produce gradualmente en una distancia igual a . La fuerza de interacción entre la dislocación y el precipitado es
- y .
Además, una dislocación puede atravesar una partícula de precipitado e introducir más interfaz entre el precipitado y la matriz, lo que es un refuerzo químico . Cuando la dislocación está entrando en la partícula y está dentro de la partícula, la parte superior de la partícula cizalla b con respecto a la parte inferior acompaña la entrada de la dislocación. Un proceso similar ocurre cuando la dislocación sale de la partícula. El tránsito completo va acompañado de la creación de una superficie matriz-precipitado de magnitud aproximada., donde r es el radio de la partícula y b es la magnitud del vector de hamburguesas. El aumento resultante de la energía superficial es, dónde es la energía superficial. La fuerza máxima entre la dislocación y la partícula es, la tensión de flujo correspondiente debe ser .
Cuando una partícula es cortada por una dislocación, se necesita un umbral de esfuerzo cortante para deformar la partícula. La expresión del esfuerzo cortante requerido es la siguiente:
Cuando el tamaño del precipitado es pequeño, el esfuerzo cortante requerido es proporcional al tamaño del precipitado Sin embargo, para una fracción de volumen de partículas fija, esta tensión puede disminuir a valores mayores de r debido a un aumento en el espaciado de partículas. El nivel general de la curva se eleva mediante aumentos en la fuerza inherente de las partículas o en la fracción de volumen de partículas.
La dislocación también puede arquearse alrededor de una partícula precipitada a través del llamado mecanismo de Orowan.
Dado que la partícula no se deforma, la dislocación se arquea alrededor de las partículas (), la tensión necesaria para efectuar la derivación es inversamente proporcional al espaciado entre partículas , es decir, , dónde es el radio de la partícula. Los bucles de dislocación rodean las partículas después de la operación de derivación, habría que extruir una dislocación posterior entre los bucles. Por lo tanto, el espaciado efectivo de partículas para la segunda dislocación se reduce a con , y el estrés de bypass para esta dislocación debe ser , que es mayor que el primero. Sin embargo, a medida que aumenta el radio de partícula,aumentará para mantener la misma fracción de volumen de precipitados, aumentará y va a disminuir. Como resultado, el material se debilitará a medida que aumente el tamaño del precipitado.
Para una fracción de volumen de partículas fijas, disminuye al aumentar r, ya que esto va acompañado de un aumento en el espaciado de partículas.
Por otro lado, aumentando aumenta el nivel de tensión como resultado de un espaciado de partículas más fino. El nivel deno se ve afectado por la fuerza de las partículas. Es decir, una vez que una partícula es lo suficientemente fuerte para resistir el corte, cualquier aumento adicional en su resistencia a la penetración de la dislocación no tiene ningún efecto sobre, que depende únicamente de las propiedades de la matriz y del espaciamiento efectivo de las partículas.
Si las partículas de A de la fracción de volumen se dispersan en una matriz, las partículas se cortan para y son ignorados por , la resistencia máxima se obtiene en , donde las tensiones de corte y de arqueamiento son iguales. Si están presentes partículas inherentemente más duras de B de la misma fracción de volumen, el nivel de la curva se incrementa pero la de la uno no lo es. El endurecimiento máximo, mayor que el de las partículas A, se encuentra en. El aumento de la fracción de volumen de A eleva el nivel de ambos y y aumenta la fuerza máxima obtenida. Este último se encuentra en, que puede ser menor o mayor que dependiendo de la forma del curva.
Ecuaciones gubernamentales
Hay dos tipos principales de ecuaciones para describir los dos mecanismos para el endurecimiento por precipitación:
Dislocación cortando partículas: para la mayor parte del fortalecimiento en la etapa inicial, aumenta con, dónde es un parámetro de desajuste adimensional (por ejemplo, en el endurecimiento de la coherencia, es el cambio fraccional del precipitado y el parámetro de la red de la matriz), es la fracción de volumen de precipitado, es el radio del precipitado, y es la magnitud del vector Burgers . De acuerdo con esta relación, la resistencia de los materiales aumenta al aumentar el desajuste, la fracción de volumen y el tamaño de partícula, de modo que la dislocación es más fácil de cortar a través de partículas con radio más pequeño.
Para diferentes tipos de endurecimiento mediante corte, las ecuaciones que rigen son las siguientes.
Para el endurecimiento de la coherencia,
,
,
dónde es un mayor esfuerzo cortante, es el módulo de corte de la matriz, y son el parámetro de red del precipitado o la matriz.
Para el endurecimiento del módulo,
,
,
dónde y son el módulo de cizallamiento del precipitado o la matriz.
Para el fortalecimiento químico,
,
,
dónde es la energía superficial de la interfase partícula-matriz.
Para fortalecer el orden,
(bajo , precipitación en etapa temprana), donde las dislocaciones están muy separadas;
(elevado , precipitación en etapa temprana), donde las dislocaciones no están muy separadas; , dónde es energía de frontera anti-fase.
Dislocaciones que se arquean alrededor de las partículas: cuando el precipitado es lo suficientemente fuerte para resistir la penetración de la dislocación, la dislocación se arquea y la tensión máxima viene dada por la ecuación de Orowan. El arqueamiento por dislocación, también llamado fortalecimiento de Orowan, [4] es más probable que ocurra cuando la densidad de partículas en el material es menor.
dónde es la resistencia del material, es el módulo de corte, es la magnitud del vector Burgers, es la distancia entre los puntos de fijación, y es el radio de partícula de la segunda fase. Esta ecuación gobernante muestra que para el arqueamiento por dislocación, la fuerza es inversamente proporcional al radio de la partícula de la segunda fase., porque cuando la fracción de volumen del precipitado es fija, el espaciamiento entre partículas aumenta al mismo tiempo que el radio de la partícula , por lo tanto aumenta con .
Estas ecuaciones de gobierno muestran que el mecanismo de endurecimiento por precipitación depende del tamaño de las partículas precipitadas. En pequeño, el corte dominará, mientras que en general , la reverencia dominará.
Al observar el gráfico de ambas ecuaciones, está claro que existe un radio crítico en el que se produce el fortalecimiento máximo. Este radio crítico es típicamente de 5-30 nm.
El modelo de fortalecimiento de Orowan anterior ignora los cambios en las dislocaciones debido a la flexión. Si se tiene en cuenta el arqueamiento y se asume la condición de inestabilidad en el mecanismo de Frank-Read, la tensión crítica para las dislocaciones que se arquean entre los segmentos de fijación se puede describir como: [5]
dónde es una función de , es el ángulo entre la línea de dislocación y el vector de Burgers, es la separación efectiva de partículas, es el vector de Burgers, y es el radio de la partícula.
Descubrimiento computacional de nuevas aleaciones
Si bien se ha realizado un esfuerzo significativo para desarrollar nuevas aleaciones, la implementación de los resultados experimentales requiere tiempo y dinero. Una posible alternativa es realizar simulaciones con teoría funcional de densidad , que pueden aprovechar, en el contexto del endurecimiento por precipitación, la estructura cristalina de los precipitados y de la matriz y permitir la exploración de muchas más alternativas que con los experimentos en la forma tradicional.
Una estrategia para realizar estas simulaciones se centra en las estructuras ordenadas que se pueden encontrar en muchas aleaciones metálicas, como las estructuras ordenadas de apilamiento de período largo (LPSO) que se han observado en numerosos sistemas. [6] [7] [8] La estructura LPSO es una configuración de capas empaquetadas largas a lo largo de un eje con algunas capas enriquecidas con elementos precipitados. Esto permite aprovechar la simetría de las supercélulas y se adapta bien a los métodos DFT actualmente disponibles. [9]
De esta forma, algunos investigadores han desarrollado estrategias para cribar los posibles precipitados reforzantes que permiten disminuir el peso de algunas aleaciones metálicas. [10] Por ejemplo, las aleaciones de Mg han recibido un interés progresivo para reemplazar el aluminio y el acero en la industria del vehículo porque es uno de los metales estructurales más ligeros. Sin embargo, las aleaciones de Mg presentan problemas de baja resistencia y ductilidad que han limitado su uso. Para superar esto, se ha utilizado la técnica de endurecimiento por precipitación, mediante la adición de elementos de tierras raras, para mejorar la resistencia y ductilidad de la aleación. Específicamente, se encontraron las estructuras de LPSO que son responsables de estos incrementos, generando una aleación de Mg que exhibió un alto límite elástico: 610 MPa al 5% de elongación a temperatura ambiente. [11]
De esta forma, algunos investigadores han desarrollado estrategias para buscar alternativas más económicas que los elementos raros (RE) se simuló un sistema ternario con Mg-Xl-Xs, donde Xl y Xs corresponden a átomos mayores y menores que Mg, respectivamente. En este estudio, se confirmaron más de 85 estructuras LPSO de Mg-Re-Xs, que muestran la capacidad de DFT para predecir estructuras ternarias LPSO conocidas. Luego, exploraron los 11 elementos no RE Xl y se encontró que 4 de ellos son termodinámicamente estables. Uno de ellos es el sistema Mg-Ca-Zn que se predice que formará una estructura LPSO. [12]
Siguiendo las predicciones anteriores de DFT, otros investigadores hicieron experimentos con el sistema Mg-Zn-Y-Mn-Ca y encontraron que al 0.34% en la adición de Ca, las propiedades mecánicas del sistema se mejoraron debido a la formación de estructuras LPSO, logrando “ un buen equilibrio de resistencia y ductibilidad ”. [13]
Ejemplos de materiales endurecedores por precipitación
- Aleaciones de aluminio de la serie 2000 (ejemplos importantes: 2024 y 2019, también aleación Y e Hiduminio )
- Aleaciones de aluminio de la serie 6000 (ejemplo importante: 6061 para cuadros de bicicletas y estructuras aeronáuticas)
- Aleaciones de aluminio de la serie 7000 (ejemplos importantes: 7075 y 7475 )
- Acero inoxidable 17-4 ( UNS S17400 )
- Acero maraging
- Inconel 718
- Aleación X-750
- René 41
- Waspaloy
- Aceros de cobre endurecidos por precipitación
- Morera (aleación de uranio)
Ver también
- Alfred Wilm
- Resistencia de materiales
- Fortalecimiento de los mecanismos de materiales.
- Metalurgia
- Superaleación
Referencias
- ^ WD Callister. Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales , 2ª ed. Wiley & Sons. págs. 252.
- ↑ a b Thosmas H. Courtney. Comportamiento mecánico de los materiales , 2ª ed. Waveland Press, Inc. págs. 198-205.
- ^ T. Gladman, Precipitatipn endurecimiento en metales .
- ↑ Orowan Bowing Archivado el 28 de septiembre de 2011 en la Wayback Machine.
- ^ Soboyejo, Wole O. (2003). "8.6.1 Dislocación / Fortalecimiento de Orowan". Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
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- ^ Nie, Jian-Feng (1 de noviembre de 2012). "Precipitación y endurecimiento en aleaciones de magnesio" . Metalúrgica y de Materiales A Transacciones . 43 (11): 3891–3939. doi : 10.1007 / s11661-012-1217-2 . ISSN 1543-1940 .
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Otras lecturas
- Manual de metales ASM vol 4 tratamiento térmico
enlaces externos
- Proyecto aluMatter
- Endurecimiento por precipitación de aleaciones ligeras. Espectroscopia de positrones. [ enlace muerto permanente ]