El refuerzo de solución sólida es un tipo de aleación que se puede utilizar para mejorar la resistencia de un metal puro. [1] La técnica funciona agregando átomos de un elemento (el elemento de aleación) a la red cristalina de otro elemento (el metal base), formando una solución sólida . La falta de uniformidad local en la celosía debido al elemento de aleación dificulta la deformación plástica al impedir el movimiento de dislocación a través de campos de tensión. Por el contrario, la aleación más allá del límite de solubilidad puede formar una segunda fase, que conduce al fortalecimiento a través de otros mecanismos (por ejemplo, la precipitación de compuestos intermetálicos ).
Tipos
Dependiendo del tamaño del elemento de aleación, se puede formar una solución sólida de sustitución o una solución sólida intersticial. [2] En ambos casos, los átomos se visualizan como esferas rígidas donde la estructura cristalina general permanece esencialmente sin cambios. El fundamento de la geometría del cristal para la predicción de la solubilidad de los átomos se resume en las reglas de Hume-Rothery y las reglas de Pauling .
El fortalecimiento de la solución sólida por sustitución ocurre cuando el átomo de soluto es lo suficientemente grande como para reemplazar los átomos de solvente en sus posiciones reticulares. Algunos elementos de aleación solo son solubles en pequeñas cantidades, mientras que algunos pares de disolventes y solutos forman una solución en toda la gama de composiciones binarias. Generalmente, se observa una mayor solubilidad cuando los átomos de solvente y soluto son similares en tamaño atómico (15% según las reglas de Hume-Rothery ) y adoptan la misma estructura cristalina en su forma pura. Ejemplos de sistemas binarios completamente miscibles son Cu-Ni y los sistemas binarios cúbicos centrados en la cara (FCC) de Ag-Au , y el sistema binario cúbico centrado en el cuerpo (BCC) Mo-W .
Las soluciones sólidas intersticiales se forman cuando el átomo de soluto es lo suficientemente pequeño (radios de hasta el 57% del radio de los átomos originales) [2] para caber en los sitios intersticiales entre los átomos del disolvente. Los átomos se amontonan en los sitios intersticiales, lo que hace que los enlaces de los átomos del disolvente se compriman y, por lo tanto, se deformen (esta razón puede explicarse con las reglas de Pauling ). Los elementos que se usan comúnmente para formar soluciones sólidas intersticiales incluyen H, Li, Na, N, C y O. El carbono en el hierro (acero) es un ejemplo de solución sólida intersticial.
Mecanismo
La resistencia de un material depende de la facilidad con la que se puedan propagar las dislocaciones en su red cristalina. Estas dislocaciones crean campos de tensión dentro del material dependiendo de su carácter. Cuando se introducen átomos de soluto, se forman campos de tensiones locales que interactúan con los de las dislocaciones, impidiendo su movimiento y provocando un aumento del límite elástico del material, lo que significa un aumento de la resistencia del material. Esta ganancia es el resultado tanto de la distorsión de la red como del efecto de módulo .
Cuando los átomos de soluto y solvente difieren en tamaño, se crean campos de tensión locales que pueden atraer o repeler las dislocaciones en su vecindad. Esto se conoce como efecto de tamaño. Al aliviar la tensión de tracción o compresión en la red, el desajuste del tamaño del soluto puede poner la dislocación en un estado de menor energía. En soluciones sólidas de sustitución, estos campos de tensión son esféricamente simétricos, lo que significa que no tienen ningún componente de tensión cortante. Como tal, los átomos de soluto sustitutivos no interactúan con los campos de esfuerzo cortante característicos de las dislocaciones de los tornillos. Por el contrario, en soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto causan una distorsión tetragonal, lo que genera un campo de corte que puede interactuar con dislocaciones de borde, tornillo y mixtas. La atracción o repulsión de la dislocación al átomo de soluto depende de si el átomo se encuentra por encima o por debajo del plano de deslizamiento. Por ejemplo, considere una dislocación de borde que se encuentra con un átomo de soluto más pequeño por encima de su plano de deslizamiento. En este caso, la energía de interacción es negativa, lo que provoca la atracción de la dislocación al soluto. Esto se debe a la energía de dislocación reducida por el volumen comprimido que se encuentra por encima del núcleo de dislocación. Si el átomo de soluto se colocara debajo del plano de deslizamiento, la dislocación sería repelida por el soluto. Sin embargo, la energía de interacción general entre una dislocación de borde y un soluto más pequeño es negativa porque la dislocación pasa más tiempo en sitios con energía atractiva. Esto también es cierto para el átomo de soluto con un tamaño mayor que el átomo de disolvente. Por tanto, la energía de interacción dictada por el efecto de tamaño es generalmente negativa. [3]
El módulo de elasticidad del átomo de soluto también puede determinar el grado de fortalecimiento. Para un soluto "blando" con módulo elástico menor que el del solvente, la energía de interacción debido al desajuste del módulo ( módulo U ) es negativa, lo que refuerza la energía de interacción de tamaño ( tamaño U ). Por el contrario, el módulo U es positivo para un soluto "duro", lo que da como resultado una energía de interacción total más baja que un átomo blando. Aunque la fuerza de interacción es negativa (atractiva) en ambos casos cuando la dislocación se acerca al soluto. La fuerza máxima ( F máx ) necesaria para separar la dislocación del estado de energía más baja (es decir, el átomo de soluto) es mayor para el soluto blando que para el duro. Como resultado, un soluto blando fortalecerá un cristal más que un soluto duro debido al fortalecimiento sinérgico al combinar los efectos de tamaño y módulo. [3]
Los efectos de interacción elástica (es decir, los efectos de tamaño y módulo) dominan el fortalecimiento de la solución sólida para la mayoría de los materiales cristalinos. Sin embargo, también pueden influir otros efectos, incluidos los efectos de falla de carga y acumulación. Para los sólidos iónicos donde la interacción electrostática dicta la fuerza de la unión, el efecto de la carga también es importante. Por ejemplo, la adición de iones divalentes a un material monovalente puede fortalecer la interacción electrostática entre el soluto y los átomos cargados de la matriz que comprenden una dislocación. Sin embargo, este fortalecimiento es en menor medida que los efectos de fortalecimiento elástico. Para materiales que contienen una mayor densidad de fallas de apilamiento , los átomos de soluto pueden interactuar con las fallas de apilamiento de manera atractiva o repulsiva. Esto reduce la energía de falla de apilamiento, lo que conduce a la repulsión de las dislocaciones parciales , lo que hace que el material sea más fuerte. [3]
Carburación de superficie, o caso de endurecimiento , es un ejemplo de fortalecimiento de la solución sólida en la que se incrementa cerca de la densidad de átomos de carbono de soluto a la superficie del acero, lo que resulta en un gradiente de átomos de carbono por todo el material. Esto proporciona propiedades mecánicas superiores a la superficie del acero sin tener que usar un material de mayor costo para el componente.
Ecuaciones gubernamentales
El fortalecimiento de la solución sólida aumenta el límite elástico del material al aumentar el esfuerzo cortante, , para mover dislocaciones: [1] [2]
donde c es la concentración de los átomos de soluto, G es el módulo de corte , b es la magnitud del vector de Burger yes la deformación reticular debida al soluto. Se compone de dos términos, uno que describe la distorsión de la red y el otro el cambio de módulo local.
Aquí, el término que captura el cambio de módulo local, una constante dependiente de los átomos de soluto y es el término de distorsión de celosía.
El término de distorsión de celosía se puede describir como:
, donde a es el parámetro de celosía del material.
Mientras tanto, el cambio de módulo local se captura en la siguiente expresión:
, donde G es el módulo de corte del material soluto.
Trascendencia
Para lograr un fortalecimiento notable del material mediante el fortalecimiento de la solución, se debe alear con solutos de módulo de corte más alto, aumentando así el módulo de corte local en el material. Además, uno debe alear con elementos de diferentes constantes de celosía de equilibrio. Cuanto mayor sea la diferencia en el parámetro de la red, mayores serán los campos de tensión local introducidos por la aleación. La aleación con elementos de módulo de corte más alto o de parámetros de celosía muy diferentes aumentará la rigidez e introducirá campos de tensión locales, respectivamente. En cualquier caso, la propagación de la dislocación se verá obstaculizada en estos sitios, lo que impedirá la plasticidad y aumentará el límite elástico proporcionalmente con la concentración de soluto.
El fortalecimiento de la solución sólida depende de:
- Concentración de átomos de soluto
- Módulo de corte de átomos de soluto
- Tamaño de los átomos de solutos
- Valencia de los átomos de soluto (para materiales iónicos)
Para muchas aleaciones comunes, se pueden encontrar ajustes experimentales aproximados para la adición en el refuerzo proporcionado en forma de: [2]
dónde es un coeficiente de fortalecimiento de solución sólida y es la concentración de soluto en fracciones atómicas.
Sin embargo, no se debe agregar tanto soluto como para precipitar una nueva fase. Esto ocurre si la concentración del soluto alcanza un cierto punto crítico dado por el diagrama de fases del sistema binario. Por lo tanto, esta concentración crítica pone un límite a la cantidad de fortalecimiento de la solución sólida que se puede lograr con un material dado.
Ver también
Referencias
- ↑ a b Pelleg, Joshua (2013). Propiedades mecánicas de los materiales . Nueva York: Springer. págs. 236-239. ISBN 978-94-007-4341-0.
- ^ a b c d Soboyejo, Wole O. (2003). "8.3 Fortalecimiento de la solución sólida". Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
- ^ a b c Courtney, Thomas H. (2005). Comportamiento mecánico de los materiales . Illinois: Waveland Press, Inc. págs. 186–195. ISBN 978-1-57766-425-3.
enlaces externos
- El fortalecimiento del hierro y el acero