Se han ideado métodos para modificar el límite elástico , la ductilidad y la tenacidad de materiales tanto cristalinos como amorfos . Estos mecanismos de refuerzo dan a los ingenieros la capacidad de adaptar las propiedades mecánicas de los materiales para adaptarse a una variedad de aplicaciones diferentes. Por ejemplo, las propiedades favorables del acero resultan de la incorporación intersticial de carbono en la red de hierro . Latón , una aleación binaria de cobre y zinc., tiene propiedades mecánicas superiores en comparación con sus metales constituyentes debido al fortalecimiento de la solución. El endurecimiento por trabajo (como golpear una pieza de metal al rojo vivo en el yunque) también se ha utilizado durante siglos por los herreros para introducir dislocaciones en los materiales, aumentando su límite elástico .
Descripción básica
La deformación plástica ocurre cuando un gran número de dislocaciones se mueven y se multiplican para dar como resultado una deformación macroscópica. En otras palabras, es el movimiento de dislocaciones en el material lo que permite la deformación. Si queremos mejorar las propiedades mecánicas de un material (es decir, aumentar el rendimiento y la resistencia a la tracción ), simplemente necesitamos introducir un mecanismo que prohíba la movilidad de estas dislocaciones. Cualquiera que sea el mecanismo (endurecimiento por trabajo, reducción del tamaño de grano, etc.), todos obstaculizan el movimiento de dislocación y hacen que el material sea más fuerte que antes. [1] [2] [3] [4]
La tensión necesaria para provocar el movimiento de dislocación es un orden de magnitud menor que la tensión teórica necesaria para desplazar un plano completo de átomos, por lo que este modo de alivio de la tensión es energéticamente favorable. Por lo tanto, la dureza y la resistencia (tanto el rendimiento como la tracción) dependen fundamentalmente de la facilidad con la que se mueven las dislocaciones. Los puntos de fijación , o ubicaciones en el cristal que se oponen al movimiento de las dislocaciones, [5] pueden introducirse en la red para reducir la movilidad de las dislocaciones, aumentando así la resistencia mecánica. Las dislocaciones pueden quedar inmovilizadas debido a las interacciones del campo de tensión con otras dislocaciones y partículas de soluto, creando barreras físicas de los precipitados de la segunda fase que se forman a lo largo de los límites de los granos. Hay cinco mecanismos principales de fortalecimiento para los metales, cada uno es un método para evitar el movimiento y la propagación de la dislocación, o hacer que sea energéticamente desfavorable para que la dislocación se mueva. Para un material que ha sido reforzado, mediante algún método de procesamiento, la cantidad de fuerza requerida para iniciar la deformación (plástica) irreversible es mayor que para el material original.
En materiales amorfos como polímeros, cerámicas amorfas (vidrio) y metales amorfos, la falta de orden de largo alcance conduce a la cedencia a través de mecanismos tales como fractura frágil, agrietamiento y formación de bandas de cizallamiento . En estos sistemas, los mecanismos de fortalecimiento no implican dislocaciones, sino que consisten en modificaciones de la estructura química y procesamiento del material constituyente.
La resistencia de los materiales no puede aumentar infinitamente. Cada uno de los mecanismos explicados a continuación implica algún compromiso por el cual otras propiedades del material se ven comprometidas en el proceso de fortalecimiento.
Fortalecimiento de los mecanismos en los metales.
Endurecimiento de trabajo
Las principales especies responsables del endurecimiento por trabajo son las dislocaciones. Las dislocaciones interactúan entre sí generando campos de tensión en el material. La interacción entre los campos de tensión de las dislocaciones puede impedir el movimiento de la dislocación mediante interacciones repulsivas o atractivas. Además, si se cruzan dos dislocaciones, se produce un enredo de la línea de dislocación, lo que provoca la formación de un trote que se opone al movimiento de dislocación. Estos enredos y trotes actúan como puntos de fijación, que se oponen al movimiento de dislocación. Como es más probable que ocurran ambos procesos cuando hay más dislocaciones, existe una correlación entre la densidad de dislocación y la resistencia al corte.
El refuerzo de cizallamiento proporcionado por las interacciones de dislocación puede describirse mediante: [6]
dónde es una constante de proporcionalidad, es el módulo de corte ,es el vector de Burgers , y es la densidad de dislocación.
La densidad de dislocación se define como la longitud de la línea de dislocación por unidad de volumen:
De manera similar, el fortalecimiento axial será proporcional a la densidad de dislocación.
Esta relación no se aplica cuando las dislocaciones forman estructuras celulares. Cuando se forman las estructuras celulares, el tamaño celular promedio controla el efecto de fortalecimiento. [6]
El aumento de la densidad de dislocaciones aumenta el límite elástico, lo que da como resultado un esfuerzo cortante más alto necesario para mover las dislocaciones. Este proceso se observa fácilmente mientras se trabaja un material (mediante un proceso de trabajo en frío en metales). Teóricamente, la resistencia de un material sin dislocaciones será extremadamente alta () porque la deformación plástica requeriría la rotura de muchos enlaces simultáneamente. Sin embargo, en valores de densidad de dislocación moderadas de alrededor de 10 7 -10 9 dislocaciones / m 2 , el material exhibirá una resistencia a la significativamente menor mecánica. De manera análoga, es más fácil mover una alfombra de goma por una superficie propagando una pequeña ondulación a través de ella que arrastrando toda la alfombra. A densidades de dislocaciones de 10 14 dislocaciones / m 2 o más, la resistencia del material vuelve a ser alta. Además, la densidad de dislocación no puede ser infinitamente alta, porque entonces el material perdería su estructura cristalina. Cita necesaria
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Fortalecimiento y aleación de soluciones sólidas
Para este mecanismo de fortalecimiento, los átomos de soluto de un elemento se agregan a otro, lo que resulta en defectos puntuales de sustitución o intersticiales en el cristal (ver Figura 1). Los átomos de soluto provocan distorsiones de la red que impiden el movimiento de dislocación, aumentando el límite elástico del material. Los átomos solutos tienen campos de estrés a su alrededor que pueden interactuar con los de las dislocaciones. La presencia de átomos de soluto imparte tensiones de compresión o tracción a la red, según el tamaño del soluto , que interfieren con las dislocaciones cercanas, lo que hace que los átomos de soluto actúen como barreras potenciales.
El esfuerzo cortante requerido para mover las dislocaciones en un material es:
dónde es la concentración de soluto y es la tensión en el material causada por el soluto.
El aumento de la concentración de los átomos de soluto aumentará el límite elástico de un material, pero hay un límite a la cantidad de soluto que se puede agregar, y uno debe mirar el diagrama de fase del material y la aleación para asegurarse de que un no se crea la segunda fase.
En general, el fortalecimiento de la solución sólida depende de la concentración de los átomos del soluto, el módulo de corte de los átomos del soluto, el tamaño de los átomos del soluto, la valencia de los átomos del soluto (para materiales iónicos) y la simetría del campo de tensión del soluto. La magnitud del fortalecimiento es mayor para los campos de tensión no simétricos porque estos solutos pueden interactuar con las dislocaciones de los bordes y los tornillos, mientras que los campos de tensión simétricos, que solo causan cambios de volumen y no de forma, solo pueden interactuar con las dislocaciones de los bordes.
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Endurecimiento por precipitación
En la mayoría de los sistemas binarios, la aleación por encima de una concentración dada por el diagrama de fases provocará la formación de una segunda fase. También se puede crear una segunda fase mediante tratamientos mecánicos o térmicos. Las partículas que componen los precipitados de la segunda fase actúan como puntos de fijación de manera similar a los solutos, aunque las partículas no son necesariamente átomos individuales.
Las dislocaciones en un material pueden interactuar con los átomos precipitados en una de dos formas (ver Figura 2). Si los átomos del precipitado son pequeños, las dislocaciones los atravesarían. Como resultado, nuevas superficies (b en la Figura 2) de la partícula quedarían expuestas a la matriz y aumentaría la energía interfacial partícula-matriz. Para partículas de precipitado más grandes, se produciría un bucle o una curvatura de las dislocaciones y provocaría que las dislocaciones se alarguen. Por tanto, en un radio crítico de aproximadamente 5 nm, las dislocaciones cortarán preferiblemente a través del obstáculo, mientras que para un radio de 30 nm, las dislocaciones se arquearán o curvarán fácilmente para superar el obstáculo.
Las descripciones matemáticas son las siguientes:
Para arqueamiento de partículas
Para corte de partículas
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Fortalecimiento de la dispersión
El reforzamiento de la dispersión es un tipo de reforzamiento de partículas en el que los precipitados incoherentes atraen y provocan dislocaciones. Estas partículas son típicamente más grandes que las del endurecimiento por precipitación de Orowon discutido anteriormente. El efecto del reforzamiento de la dispersión es eficaz a altas temperaturas, mientras que el reforzamiento por precipitación de los tratamientos térmicos se limita típicamente a temperaturas mucho más bajas que la temperatura de fusión del material. [7] Un tipo común de refuerzo por dispersión es el refuerzo por dispersión de óxido .
Fortalecimiento de los límites de los granos
En un metal policristalino, el tamaño de grano tiene una enorme influencia en las propiedades mecánicas. Debido a que los granos generalmente tienen diferentes orientaciones cristalográficas, surgen límites de grano. Mientras sufre la deformación, se producirá un movimiento de deslizamiento. Los límites de grano actúan como un impedimento para el movimiento de dislocación por las siguientes dos razones:
1. La dislocación debe cambiar su dirección de movimiento debido a la diferente orientación de los granos. [4]
2. Discontinuidad de los planos de deslizamiento del grano uno al grano dos. [4]
La tensión necesaria para mover una dislocación de un grano a otro con el fin de deformar plásticamente un material depende del tamaño del grano. El número promedio de dislocaciones por grano disminuye con el tamaño promedio de grano (ver Figura 3). Un menor número de dislocaciones por grano da como resultado una menor "presión" de dislocación que se acumula en los límites de los granos. Esto hace que sea más difícil que las dislocaciones se muevan hacia los granos adyacentes. Esta relación es la relación Hall-Petch y se puede describir matemáticamente de la siguiente manera:
,
dónde es una constante, es el diámetro medio del grano y es el límite elástico original.
El hecho de que el límite elástico aumente con la disminución del tamaño de grano va acompañado de la advertencia de que el tamaño de grano no se puede disminuir infinitamente. A medida que disminuye el tamaño del grano, se genera más volumen libre, lo que da como resultado un desajuste de la red. Por debajo de aproximadamente 10 nm, los límites de grano tenderán a deslizarse en su lugar; un fenómeno conocido como deslizamiento del límite de grano . Si el tamaño del grano se vuelve demasiado pequeño, se vuelve más difícil encajar las dislocaciones en el grano y la tensión requerida para moverlas es menor. No era posible producir materiales con tamaños de grano por debajo de 10 nm hasta hace poco, por lo que el descubrimiento de que la resistencia disminuye por debajo de un tamaño de grano crítico sigue encontrando nuevas aplicaciones.
Endurecimiento de la transformación
Este método de endurecimiento se utiliza para aceros.
Los aceros de alta resistencia generalmente se dividen en tres categorías básicas, clasificadas por el mecanismo de refuerzo empleado. 1- Aceros reforzados en solución sólida (aceros refos) 2- Aceros refinados en grano o aceros de baja aleación de alta resistencia (HSLA) 3- Aceros templados por transformación
Los aceros endurecidos por transformación son el tercer tipo de aceros de alta resistencia. Estos aceros utilizan niveles predominantemente más altos de C y Mn junto con tratamiento térmico para aumentar la resistencia. El producto terminado tendrá una microestructura dúplex de ferrita con niveles variables de martensita degenerada. Esto permite diferentes niveles de fuerza. Hay tres tipos básicos de aceros templados por transformación. Estos son aceros de doble fase (DP), plasticidad inducida por transformación (TRIP) y martensíticos.
El proceso de recocido para aceros de doble fase consiste en mantener primero el acero en la región de temperatura alfa + gamma durante un período de tiempo determinado. Durante ese tiempo, C y Mn se difunden en la austenita dejando una ferrita de mayor pureza. Luego, el acero se templa para que la austenita se transforme en martensita y la ferrita permanezca al enfriarse. Luego, el acero se somete a un ciclo de revenido para permitir cierto nivel de descomposición en el sitio de la marta. Controlando la cantidad de martensita en el acero, así como el grado de temple, se puede controlar el nivel de resistencia. Dependiendo del procesamiento y la química, el nivel de resistencia puede variar de 350 a 960 MPa.
Los aceros TRIP también utilizan C y Mn, junto con un tratamiento térmico, para retener pequeñas cantidades de austenita y bainita en una matriz de ferrita. El procesamiento térmico de los aceros TRIP implica nuevamente el recocido del acero en la región a + g durante un período de tiempo suficiente para permitir que el C y el Mn se difundan en austenita. Luego, el acero se enfría hasta un punto por encima de la temperatura de inicio de la martensita y se mantiene allí. Esto permite la formación de bainita, un producto de descomposición de austenita. Mientras está a esta temperatura, se deja más C para enriquecer la austenita retenida. Esto, a su vez, reduce la temperatura de inicio de la martensita por debajo de la temperatura ambiente. Tras el enfriamiento final, se retiene una austenita metaestable en la matriz predominantemente de ferrita junto con pequeñas cantidades de bainita (y otras formas de austenita descompuesta). Esta combinación de microestructuras tiene los beneficios adicionales de una mayor resistencia y resistencia al estrechamiento durante el conformado. Esto ofrece grandes mejoras en la conformabilidad con respecto a otros aceros de alta resistencia. Esencialmente, a medida que se forma el acero TRIP, se vuelve mucho más resistente. Las resistencias a la tracción de los aceros TRIP están en el rango de 600 a 960 MPa.
Los aceros martensíticos también tienen un alto contenido de C y Mn. Estos se enfrían completamente a martensita durante el procesamiento. Luego, la estructura de martensita se vuelve a templar al nivel de resistencia apropiado, lo que agrega dureza al acero. Las resistencias a la tracción de estos aceros varían hasta 1500 MPa.
Fortalecimiento de los mecanismos en materiales amorfos.
Polímero
Los polímeros se fracturan mediante la rotura de enlaces inter e intramoleculares; por lo tanto, la estructura química de estos materiales juega un papel muy importante en el aumento de la resistencia. Para los polímeros que constan de cadenas que se deslizan fácilmente unas sobre otras, se pueden utilizar reticulaciones químicas y físicas para aumentar la rigidez y el límite elástico. En los polímeros termoendurecibles ( plástico termoendurecible ), los puentes disulfuro y otros enlaces cruzados covalentes dan lugar a una estructura dura que puede soportar temperaturas muy altas. Estas reticulaciones son particularmente útiles para mejorar la resistencia a la tracción de materiales que contienen mucho volumen libre propenso a agrietarse, típicamente polímeros frágiles vidriosos. [8] En elastómero termoplástico , la separación de fases de componentes monoméricos diferentes conduce a la asociación de dominios duros dentro de un mar de fase blanda, produciendo una estructura física con mayor resistencia y rigidez. Si la deformación se produce por cadenas que se deslizan unas sobre otras (bandas de cizallamiento), la resistencia también se puede aumentar introduciendo torceduras en las cadenas del polímero a través de enlaces carbono-carbono insaturados. [8]
Agregar materiales de relleno como fibras, plaquetas y partículas es una técnica comúnmente empleada para fortalecer materiales poliméricos. Los rellenos como arcilla, sílice y materiales de red de carbono se han investigado y utilizado ampliamente en compuestos poliméricos, en parte debido a su efecto sobre las propiedades mecánicas. Los efectos de rigidez-confinamiento cerca de interfaces rígidas, como las que se encuentran entre una matriz de polímero y materiales de relleno más rígidos, mejoran la rigidez de los compuestos al restringir el movimiento de la cadena de polímero. [9] Esto está especialmente presente cuando los rellenos se tratan químicamente para interactuar fuertemente con las cadenas de polímero, aumentando el anclaje de las cadenas de polímero a las interfaces de relleno y, por lo tanto, restringiendo aún más el movimiento de las cadenas lejos de la interfaz. [10] Los efectos de rigidez-confinamiento se han caracterizado en nanocompuestos modelo, y muestra que los compuestos con escalas de longitud del orden de nanómetros aumentan drásticamente el efecto de los rellenos sobre la rigidez del polímero. [11]
El aumento del volumen de la unidad de monómero mediante la incorporación de anillos de arilo es otro mecanismo de fortalecimiento. La anisotropía de la estructura molecular significa que estos mecanismos dependen en gran medida de la dirección de la tensión aplicada. Si bien los anillos de arilo aumentan drásticamente la rigidez a lo largo de la dirección de la cadena, estos materiales aún pueden ser frágiles en direcciones perpendiculares. La estructura macroscópica se puede ajustar para compensar esta anisotropía . Por ejemplo, la alta resistencia del Kevlar surge de una macroestructura multicapa apilada en la que las capas de polímero aromático giran con respecto a sus vecinas. Cuando se cargan de forma oblicua a la dirección de la cadena, los polímeros dúctiles con enlaces flexibles, como el polietileno orientado , son muy propensos a la formación de bandas de cizallamiento, por lo que las estructuras macroscópicas que colocan la carga paralela a la dirección de tracción aumentarían la resistencia. [8]
La mezcla de polímeros es otro método para aumentar la resistencia, particularmente con materiales que muestran agrietamiento antes de la fractura frágil, como el poliestireno atáctico (APS). Por ejemplo, formando una mezcla 50/50 de APS con poli (óxido de fenileno) (PPO), esta tendencia a la fragilización puede suprimirse casi por completo, aumentando sustancialmente la resistencia a la fractura. [8]
Las redes de polímeros interpenetrantes (IPN), que consisten en redes de polímeros reticulados entrelazados que no están unidas covalentemente entre sí, pueden conducir a una mayor resistencia en los materiales poliméricos. El uso de un enfoque de IPN impone compatibilidad (y por lo tanto homogeneidad a macroescala) en mezclas que de otro modo serían inmiscibles, lo que permite una combinación de propiedades mecánicas. Por ejemplo, los IPN de silicona-poliuretano muestran una mayor resistencia al desgarro y a la flexión sobre las redes de silicona base, al tiempo que preservan la alta recuperación elástica de la red de silicona a altas tensiones. [12] También se puede lograr una mayor rigidez mediante el pretensado de las redes de polímero y luego formando secuencialmente una red secundaria dentro del material deformado. Esto aprovecha el endurecimiento por deformación anisotrópica de la red original (alineación de la cadena por el estiramiento de las cadenas de polímero) y proporciona un mecanismo mediante el cual las dos redes transfieren la tensión entre sí debido a la deformación impuesta sobre la red pretensada. [13]
Vidrio
Muchos vidrios de silicato son fuertes en compresión pero débiles en tensión. Al introducir tensión de compresión en la estructura, se puede aumentar la resistencia a la tracción del material. Normalmente, esto se realiza mediante dos mecanismos: tratamiento térmico (templado) o baño químico (mediante intercambio iónico).
En los vidrios templados, los chorros de aire se utilizan para enfriar rápidamente las superficies superior e inferior de una losa de vidrio ablandado (caliente). Dado que la superficie se enfría más rápido, hay más volumen libre en la superficie que en la masa fundida. El núcleo de la losa luego tira de la superficie hacia adentro, lo que resulta en una tensión de compresión interna en la superficie. Esto aumenta sustancialmente la resistencia a la tracción del material ya que las tensiones de tracción ejercidas sobre el vidrio ahora deben resolver las tensiones de compresión antes de ceder.
Alternativamente, en el tratamiento químico, una losa de vidrio tratada que contiene formadores y modificadores de red se sumerge en un baño de sal fundida que contiene iones más grandes que los presentes en el modificador. Debido a un gradiente de concentración de los iones, debe tener lugar el transporte de masa. A medida que el catión más grande se difunde desde la sal fundida hacia la superficie, reemplaza al ion más pequeño del modificador. El ion más grande que se aprieta en la superficie introduce una tensión de compresión en la superficie del vidrio. Un ejemplo común es el tratamiento de vidrio de silicato modificado con óxido de sodio en cloruro de potasio fundido . Ejemplos de vidrio reforzado químicamente son Gorilla Glass desarrollado y fabricado por Corning , AGC Inc. 's dragontrail y Schott AG ' Xensation s.
Fortalecimiento compuesto
Muchos de los mecanismos de fortalecimiento básicos se pueden clasificar en función de su dimensionalidad. En 0-D hay precipitado y fortalecimiento de la solución sólida con estructura de fortalecimiento de partículas, en 1-D hay endurecimiento por trabajo / bosque con dislocaciones de línea como mecanismo de endurecimiento, y en 2-D hay fortalecimiento del límite de grano con energía superficial de interfaces granulares proporcionando mejora de la fuerza. Los dos tipos principales de refuerzo compuesto, refuerzo de fibra y refuerzo laminar, se clasifican en las clases 1-D y 2-D, respectivamente. La anisotropía de la fibra y la resistencia del compuesto laminar refleja estas dimensionalidades. La idea principal detrás del refuerzo compuesto es combinar materiales con fortalezas y debilidades opuestas para crear un material que transfiera la carga al material más rígido pero que se beneficie de la ductilidad y dureza del material más blando. [14]
Refuerzo de fibra
Los compuestos reforzados con fibra (FRC) consisten en una matriz de un material que contiene fibras incrustadas paralelas. Hay dos variantes de compuestos reforzados con fibras, una con fibras rígidas y una matriz dúctil y otra con fibras dúctiles y una matriz rígida. La primera variante está ejemplificada por la fibra de vidrio que contiene fibras de vidrio muy fuertes pero delicadas incrustadas en una matriz de plástico más suave resistente a la fractura. Esta última variante se encuentra en casi todos los edificios como hormigón armado con varillas de acero dúctil de alta resistencia a la tracción incrustadas en hormigón frágil de alta resistencia a la compresión. En ambos casos, la matriz y las fibras tienen propiedades mecánicas complementarias y, por lo tanto, el material compuesto resultante es más práctico para aplicaciones en el mundo real.
Para un compuesto que contiene fibras rígidas alineadas que se extienden a lo largo del material y una matriz blanda y dúctil, las siguientes descripciones proporcionan un modelo aproximado.
Cuatro etapas de deformación.
La condición de un material compuesto reforzado con fibras bajo tensión de tracción aplicada a lo largo de la dirección de las fibras se puede descomponer en cuatro etapas, desde una deformación pequeña hasta una deformación grande. Dado que la tensión es paralela a las fibras, la deformación se describe mediante la condición de isostrain, es decir, la fibra y la matriz experimentan la misma tensión. En cada etapa, la tensión compuesta () se da en términos de las fracciones de volumen de la fibra y la matriz (), los módulos de Young de la fibra y la matriz (), la deformación del compuesto (), y la tensión de la fibra y la matriz como se lee en una curva tensión-deformación ().
- Tanto la fibra como el compuesto permanecen en el régimen de deformación elástica. En esta etapa, también notamos que el módulo de Young compuesto es una simple suma ponderada de los módulos de dos componentes.
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- La fibra permanece en régimen elástico pero la matriz cede y se deforma plásticamente.
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- Tanto la fibra como el compuesto ceden y se deforman plásticamente. Esta etapa a menudo presenta una deformación de Poisson significativa que no es capturada por el modelo a continuación.
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- La fibra se fractura mientras la matriz continúa deformándose plásticamente. Si bien en realidad los trozos de fibra fracturados aún aportan algo de resistencia, queda fuera de este modelo simple.
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Fuerza de Tensión
Debido a la naturaleza heterogénea de los FRC, también presentan múltiples resistencias a la tracción (TS), una correspondiente a cada componente. Dados los supuestos descritos anteriormente, la primera resistencia a la tracción correspondería a la falla de las fibras, con algún apoyo de la resistencia a la deformación plástica de la matriz, y la segunda a la falla de la matriz.
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Anisotropía (efectos de orientación)
Como resultado de la mencionada dimensionalidad (1-D) del refuerzo de fibras, se observa una anisotropía significativa en sus propiedades mecánicas. Las siguientes ecuaciones modelan la resistencia a la tracción de un FRC en función del ángulo de desalineación () entre las fibras y la fuerza aplicada, las tensiones en paralelo y perpendicular, o y o , casos (), y la resistencia al corte de la matriz ().
- Pequeño ángulo de desalineación (fractura longitudinal)
- Ángulo de desalineación significativa (falla por cizallamiento)
- Ángulo de desalineación casi perpendicular (fractura transversal)
Refuerzo laminar
Aplicaciones
El refuerzo de materiales es útil en muchas aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales reforzados es la construcción. Para tener edificios y puentes más fuertes, se debe tener un marco fuerte que pueda soportar cargas de alta tensión o compresión y resistir la deformación plástica. El marco de acero utilizado para hacer el edificio debe ser lo más fuerte posible para que no se doble bajo todo el peso del edificio. Los materiales poliméricos para techos también deberían ser fuertes para que el techo no se derrumbe cuando hay acumulación de nieve en el tejado.
También se están realizando actualmente investigaciones para aumentar la resistencia de los materiales metálicos mediante la adición de materiales poliméricos como el polímero reforzado con fibra de carbono adherida a (CFRP) [1] .
La investigación actual
Estudios asistidos por simulación de dinámica molecular
El método de dinámica molecular (MD) se ha aplicado ampliamente en la ciencia de los materiales, ya que puede proporcionar información sobre la estructura, las propiedades y la dinámica a escala atómica que no se puede resolver fácilmente con experimentos. El mecanismo fundamental detrás de la simulación MD se basa en la mecánica clásica, de la cual sabemos que la fuerza ejercida sobre una partícula es causada por el gradiente negativo de la energía potencial con respecto a la posición de la partícula. Por lo tanto, un procedimiento estándar para realizar la simulación de MD es dividir el tiempo en pasos de tiempo discretos y resolver las ecuaciones de movimiento en estos intervalos repetidamente para actualizar las posiciones y energías de las partículas. [15] La observación directa de los arreglos atómicos y la energía de las partículas a escala atómica lo convierte en una herramienta poderosa para estudiar la evolución microestructural y los mecanismos de fortalecimiento.
Fortalecimiento de los límites de los granos
Se han realizado extensos estudios sobre diferentes mecanismos de fortalecimiento utilizando simulación MD. Estos estudios revelan la evolución microestructural que no se puede observar fácilmente a partir de un experimento ni predecir mediante un modelo simplificado. Han y col. investigó el mecanismo de fortalecimiento de los límites del grano y los efectos del tamaño del grano en el grafeno nanocristalino a través de una serie de simulaciones de MD. [16] Estudios previos observaron una dependencia inconsistente del tamaño de grano de la fuerza del grafeno en la escala de longitud de nm y las conclusiones no estaban claras. Por tanto, Han et al. utilizaron simulación MD para observar directamente la evolución estructural del grafeno con granos de tamaño nanométrico. Las muestras de grafeno nanocristalino se generaron con formas y distribución aleatorias para simular muestras policristalinas bien recocidas. A continuación, las muestras se cargaron con tensión de tracción uniaxial y las simulaciones se llevaron a cabo a temperatura ambiente. Al disminuir el tamaño de grano del grafeno, Han et al. observaron una transición de un comportamiento pseudo Hall-Petch inverso al comportamiento pseudo Hall-Petch y el tamaño de grano crítico es de 3,1 nm. Con base en la disposición y la energía de las partículas simuladas, el pseudo comportamiento inverso de Hall-Petch se puede atribuir a la creación de sitios de concentración de tensión debido al aumento de la densidad de las uniones límite de grano. A continuación, las grietas se nuclean preferentemente en estos sitios y la resistencia disminuye. Sin embargo, cuando el tamaño de grano está por debajo del valor crítico, la concentración de tensión en las uniones límite de grano disminuye debido a la cancelación de tensión entre 5 y 7 defectos. Esta cancelación ayuda al grafeno a sostener la carga de tracción y exhibir un comportamiento pseudo Hall-Petch. Este estudio explica las observaciones experimentales inconsistentes anteriores y proporciona una comprensión en profundidad del mecanismo de fortalecimiento de los límites del grano del grafeno nanocristalino, que no se puede obtener fácilmente a partir de experimentos in situ o ex situ.
Precipitar fortalecimiento
También se han realizado estudios de MD sobre los mecanismos de fortalecimiento de los precipitados. Shim y col. aplicaron simulaciones de MD para estudiar los efectos de fortalecimiento de precipitados del Cu cúbico centrado en el cuerpo (bcc) de tamaño nanométrico sobre el Fe cúbico centrado en la cara (fcc). [17] Como se discutió en la sección anterior, los efectos de fortalecimiento de los precipitados son causados por la interacción entre dislocaciones y precipitados. Por lo tanto, las características de la dislocación juegan un papel importante en los efectos de fortalecimiento. Se sabe que una dislocación de tornillo en metales bcc tiene características muy complicadas, que incluyen un núcleo no plano y la asimetría hermanamiento-anti-hermanamiento. Esto complica el análisis y modelado del mecanismo de fortalecimiento y no puede ser fácilmente revelado por microscopía electrónica de alta resolución. Por tanto, Shim et al. precipitados de bcc Cu coherente simulado con diámetros que oscilan entre 1 y 4 nm incrustados en la matriz de fcc Fe. A continuación, se introduce una dislocación de tornillo y se hace que se deslice en un plano {112} mediante un esfuerzo cortante creciente hasta que se desprenda de los precipitados. El esfuerzo cortante que causa el desprendimiento se considera el esfuerzo cortante crítico resuelto (CRSS). Shim y col. observaron que la velocidad de dislocación del tornillo en la dirección del hermanamiento es 2-4 veces mayor que en la dirección anti-hermanamiento. La velocidad reducida en la dirección anti-hermanamiento es causada principalmente por una transición en el deslizamiento de la dislocación del tornillo desde el mecanismo de par de torsión al mecanismo de torsión cruzada. Por el contrario, una dislocación del tornillo supera los precipitados de 1-3,5 nm mediante cizallamiento en la dirección del hermanamiento. Además, también se ha observado que el mecanismo de desprendimiento de la dislocación del tornillo con los precipitados transformados más grandes implica aniquilación-y-renucleación y bucle de Orowan en la dirección de hermanamiento y anti-hermanamiento, respectivamente. Para caracterizar completamente los mecanismos involucrados, se requiere un análisis intensivo de microscopía electrónica de transmisión y normalmente es difícil dar una caracterización completa.
Fortalecimiento y aleación de soluciones sólidas
Zhang et al. sobre el estudio del fortalecimiento en solución sólida de Co, Ru y Re de diferentes concentraciones en fcc Ni. [18] La dislocación del borde se colocó en el centro de Ni y su sistema de deslizamiento se estableció en <110> {111}. Luego se aplicó un esfuerzo cortante a las superficies superior e inferior del Ni con un átomo de soluto (Co, Ru o Re) incrustado en el centro a 300 K. Estudios previos han demostrado que la visión general de los efectos de tamaño y módulo no puede explicar completamente el fortalecimiento de la solución sólida causado por Re en este sistema debido a sus pequeños valores. [19] Zhang y col. dio un paso más para combinar los cálculos de DFT del primer principio con MD para estudiar la influencia de la energía de falla de apilamiento (SFE) en el fortalecimiento, ya que se pueden formar fácilmente dislocaciones parciales en esta estructura de material. Los resultados de la simulación MD indican que los átomos de Re se arrastran fuertemente al movimiento de dislocación del borde y el cálculo de DFT revela un aumento dramático en SFE, que se debe a la interacción entre los átomos del huésped y los átomos de soluto ubicados en el plano de deslizamiento. Además, también se han encontrado relaciones similares en fcc Ni incrustado con Ru and Co.
Limitación de los estudios de MD de los mecanismos de fortalecimiento
Estos estudios muestran excelentes ejemplos de cómo el método MD puede ayudar a los estudios de los mecanismos de fortalecimiento y proporciona más conocimientos sobre la escala atómica. Sin embargo, es importante tener en cuenta las limitaciones del método.
Para obtener resultados precisos de simulación de MD, es esencial construir un modelo que describa adecuadamente el potencial interatómico basado en la vinculación. Los potenciales interatómicos son aproximaciones más que descripciones exactas de interacciones. La precisión de la descripción varía significativamente con el sistema y la complejidad de la forma potencial. Por ejemplo, si el enlace es dinámico, lo que significa que hay un cambio en el enlace dependiendo de las posiciones atómicas, se requiere el potencial interatómico dedicado para permitir que la simulación de MD produzca resultados precisos. Por lo tanto, los potenciales interatómicos deben adaptarse en función de la vinculación. Los siguientes modelos de potencial interatómico se utilizan comúnmente en la ciencia de los materiales: potencial de Born-Mayer, potencial de Morse, potencial de Lennard Jones y potencial de Mie. [20] Aunque dan resultados muy similares para la variación de la energía potencial con respecto a la posición de las partículas, existe una diferencia no despreciable en sus colas repulsivas. Estas características les hacen describir mejor los sistemas de materiales con enlaces químicos específicos, respectivamente.
Además de los errores inherentes en los potenciales interatómicos, el número de átomos y los pasos de tiempo en MD está limitado por la potencia computacional. Hoy en día, es común simular un sistema MD con multimillones de átomos e incluso se pueden realizar simulaciones con multimillones de átomos. [21] Sin embargo, esto todavía limita la escala de longitud de la simulación a aproximadamente un micrón de tamaño. Los pasos de tiempo en MD también son muy pequeños y una simulación larga solo producirá resultados en la escala de tiempo de unos pocos nanosegundos. Para extender aún más la escala de tiempo de simulación, es común aplicar un potencial de sesgo que cambia la altura de la barrera, acelerando así la dinámica. Este método se llama hiperdinámica. [22] La aplicación adecuada de este método normalmente puede extender los tiempos de simulación a microsegundos.
Fabricación de nanoestructuras para el fortalecimiento de materiales.
Con base en el mecanismo de fortalecimiento discutido en los contenidos anteriores, hoy en día las personas también están trabajando para mejorar la resistencia mediante la fabricación intencional de nanoestructuras en materiales. Aquí presentamos varios métodos representativos, incluidas las estructuras jerárquicas de nanotlazados, empujando el límite del tamaño de grano para la ingeniería de fortalecimiento y dislocación.
Estructuras jerárquicas nanotwinning
Como se mencionó en el contenido anterior, obstaculizar el movimiento de dislocación brinda un gran fortalecimiento a los materiales. Gemelos a nanoescala: las regiones cristalinas relacionadas por simetría tienen la capacidad de bloquear eficazmente el movimiento de dislocación debido al cambio de microestructura en la interfaz. [23] La formación de estructuras jerárquicas de nanotwinning empuja el efecto de obstaculización al extremo, debido a la construcción de una compleja red de nanotwinning 3D. Por lo tanto, el delicado diseño de estructuras jerárquicas nanotwinning es de gran importancia para inventar materiales con superresistencia. Por ejemplo, Yue et al. construyó un compuesto de diamante con estructura jerárquicamente nanotwinning manipulando la presión de síntesis. El compuesto obtenido mostró una resistencia más alta que los metales y las cerámicas de ingeniería típicos.
Llevando el límite del tamaño de grano para fortalecer
El efecto Hall-Petch ilustra que el límite elástico de los materiales aumenta con la disminución del tamaño de grano. Sin embargo, muchos investigadores han descubierto que los materiales nanocristalinos se ablandarán cuando el tamaño del grano disminuya hasta el punto crítico, lo que se denomina efecto Hall-Petch inverso. La interpretación de este fenómeno es que los granos extremadamente pequeños no son capaces de soportar la dislocación acumulada, lo que proporciona una concentración de estrés adicional en los granos grandes. [24] En este punto, el mecanismo de fortalecimiento cambia de un endurecimiento por deformación dominado por dislocaciones a un ablandamiento del crecimiento y rotación del grano. Por lo general, el efecto Hall-Petch inverso ocurre con un tamaño de grano que varía de 10 nm a 30 nm y dificulta que los materiales nanocristalinos logren una alta resistencia. Para empujar el límite del tamaño de grano para el fortalecimiento, el impedimento de la rotación y el crecimiento del grano podría lograrse mediante la estabilización de los límites del grano. La construcción de una estructura nanolaminada con bordes de grano de ángulo bajo es un método para obtener materiales de grano ultrafino con ultra resistencia. Lu y col. [25] aplicó una deformación por cizallamiento de muy alta velocidad con altos gradientes de deformación en la capa superior de la muestra de Ni a granel e introdujo estructuras nanolaminadas. Este material exhibe una dureza ultra alta, más alta que cualquier níquel de grano ultrafino reportado. La resistencia excepcional es el resultado de la aparición de bordes de grano de ángulo bajo, que tienen estados de baja energía eficientes para mejorar la estabilidad de la estructura. Otro método para estabilizar los límites de los granos es la adición de impurezas no metálicas. Las impurezas no metálicas a menudo se agregan en los límites de los granos y tienen la capacidad de afectar la resistencia de los materiales al cambiar la energía de los límites del grano. Rupert y col. [26] llevó a cabo simulaciones de los primeros principios para estudiar el impacto de la adición de impurezas no metálicas comunes en la energía del límite de grano ∑5 (310) en Cu. Afirmaron que la disminución del radio covalente de la impureza y el aumento de la electronegatividad de la impureza conducirían al aumento de la energía de la frontera del grano y fortalecerían aún más los materiales. Por ejemplo, el boro estabilizó los límites de los granos al mejorar la densidad de carga entre los átomos de Cu adyacentes para mejorar la conexión entre dos límites de los granos.
Ingeniería de dislocación
Los estudios anteriores sobre el impacto del movimiento de dislocación en el fortalecimiento de materiales se centraron principalmente en la dislocación de alta densidad, que es eficaz para mejorar la resistencia con el costo de reducir la ductilidad. La ingeniería de estructuras de dislocación y distribución promete mejorar de manera integral el rendimiento del material. Los solutos tienden a agregarse en las dislocaciones y son prometedores para la ingeniería de dislocaciones. Kimura y col. [27] realizó una tomografía de sonda atómica y observó la agregación de átomos de niobio a las dislocaciones. Se calculó que la energía de segregación era casi la misma que la energía de segregación del límite del grano. Es decir, la interacción entre los átomos de niobio y las dislocaciones dificultó la recuperación de las dislocaciones y fortaleció así los materiales. La introducción de dislocaciones con características heterogéneas también podría utilizarse para fortalecer el material. Lu y col. [28] introdujo complejos de oxígeno ordenados en la aleación de TiZrHfNb. A diferencia del fortalecimiento intersticial tradicional, la introducción de los complejos de oxígeno ordenados mejoró la resistencia de la aleación sin sacrificar la ductilidad. El mecanismo consistía en que los complejos de oxígeno ordenados cambiaban el modo de movimiento de dislocación de deslizamiento plano a deslizamiento ondulado y promovían el deslizamiento cruzado doble.
Ver también
- Fortalecimiento de los límites de los granos
- Fortalecimiento de la precipitación
- Fortalecimiento de la solución sólida
- Resistencia de materiales
- Templado (metalurgia)
- Endurecimiento de trabajo
Referencias
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enlaces externos
- Fortalecimiento de los límites de grano en alúmina por impurezas de tierras raras
- Mecanismo de refuerzo de los límites de grano de los aceros.
- Una caja de herramientas de Matlab de código abierto para el análisis de la transferencia de deslizamiento a través de los límites de grano