Anomalía de la resistencia a la fluencia
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En la ciencia de los materiales , la anomalía del límite elástico se refiere a materiales en los que el límite elástico (es decir, la tensión necesaria para iniciar el rendimiento plástico) aumenta con la temperatura. [1] [2] [3] Para la mayoría de los materiales, el límite elástico disminuye al aumentar la temperatura. En los metales, esta disminución en el límite elástico se debe a la activación térmica del movimiento de dislocación , lo que resulta en una deformación plástica más fácil a temperaturas más altas. [4]

En algunos casos, una anomalía en el límite elástico se refiere a una disminución en la ductilidad de un material con el aumento de temperatura, que también es opuesta a la tendencia en la mayoría de los materiales. Las anomalías en la ductilidad pueden ser más claras, ya que un efecto anómalo en el límite elástico puede oscurecerse por su disminución típica con la temperatura. [5] Junto con el límite elástico o las anomalías de ductilidad, algunos materiales muestran extremos en otras propiedades dependientes de la temperatura, como un mínimo en la amortiguación ultrasónica o un máximo en la conductividad eléctrica . [6]

La anomalía del límite elástico en el latón β fue uno de los primeros descubrimientos de este fenómeno, [7] y varias otras aleaciones intermetálicas ordenadas demuestran este efecto. Las superaleaciones endurecidas por precipitación presentan una anomalía en el límite elástico en un rango de temperatura considerable. Para estos materiales, el límite elástico muestra poca variación entre la temperatura ambiente y varios cientos de grados Celsius. Finalmente, se alcanza un límite elástico máximo. Para temperaturas aún más altas, el límite elástico disminuye y, eventualmente, cae a cero cuando se alcanza la temperatura de fusión , donde el material sólido se transforma en líquido . Para intermetálicos ordenados, la temperatura del pico del límite elástico es aproximadamente el 50% de la temperatura de fusión absoluta . [8]

Mecanismos

Deslizamiento cruzado activado térmicamente

Varias aleaciones con la estructura L1 2 ( por ejemplo, Ni 3 Al, Ni 3 Ga, Ni 3 Ge, Ni 3 Si) muestran anomalías en el límite elástico. [9] La estructura L1 2 es un derivado de la estructura cristalina cúbica centrada en las caras . Para estas aleaciones, el sistema de deslizamiento activo por debajo del pico es ⟨110⟩ {111} mientras que el sistema activo a temperaturas más altas es ⟨110⟩ {010}. El mecanismo de endurecimiento en estas aleaciones es el deslizamiento cruzado de las dislocaciones de los tornillos desde los planos cristalográficos (111) a (010) . [10]Este deslizamiento transversal se activa térmicamente y las dislocaciones de los tornillos son mucho menos móviles en los planos (010), por lo que el material se refuerza a medida que aumenta la temperatura y hay más dislocaciones de los tornillos en el plano (010). Se ha propuesto un mecanismo similar para algunas aleaciones B2 que tienen anomalías en el límite elástico ( por ejemplo, CuZn, FeCo, NiTi, CoHf, CoTi, CoZr). [8]

El mecanismo de anomalía del límite elástico en las superaleaciones a base de Ni es similar. [11] En estas aleaciones, las superdislocaciones de los tornillos sufren un deslizamiento cruzado activado térmicamente en los planos {100} desde los planos {111}. Esto evita el movimiento de las partes restantes de las dislocaciones en el sistema de deslizamiento (111) [- 101]. Nuevamente, al aumentar la temperatura, se produce más deslizamiento cruzado, por lo que el movimiento de dislocación se ve más obstaculizado y aumenta el límite elástico.

Precipitación del límite de grano

En las superaleaciones reforzadas con carburos metálicos , las partículas de carburo cada vez más grandes se forman preferentemente en los límites de los granos, lo que evita el deslizamiento de los límites de los granos a altas temperaturas. Esto conduce a un aumento del límite elástico y, por lo tanto, a una anomalía del límite elástico. [5]

Fortalecimiento activado por vacantes

Si bien FeAl es una aleación B2 , la anomalía del límite elástico observada en FeAl se debe a otro mecanismo. Si el deslizamiento cruzado fuera el mecanismo, entonces la anomalía del límite elástico dependería de la velocidad, como se esperaba para un proceso activado térmicamente. En cambio, la anomalía del límite elástico depende del estado, que es una propiedad que depende del estado del material. Como resultado, el fortalecimiento activado por vacantes es el mecanismo más aceptado. [12] La energía de formación de vacantes es baja para FeAl, lo que permite una concentración inusualmente alta de vacantes en FeAl a altas temperaturas (2.5% a 1000C para Fe-50Al). La vacante formada en FeAl rico en aluminio o por calentamiento es una vacante de aluminio. [13]

A bajas temperaturas de alrededor de 300 K, el límite elástico disminuye o no cambia con la temperatura. A temperaturas moderadas (0.35-0.45 T m ), se ha observado que el límite elástico aumenta con una mayor concentración de vacantes, lo que proporciona más evidencia de un mecanismo de fortalecimiento impulsado por las vacantes. [13] [8] Se cree que el aumento en el límite elástico debido al aumento de la concentración de vacantes es el resultado de las dislocaciones que quedan fijadas por las vacantes en el plano de deslizamiento, lo que hace que las dislocaciones se doblen. Luego, por encima de la temperatura máxima de estrés, las vacantes pueden migrar ya que la migración de vacantes es más fácil con temperaturas elevadas. A esas temperaturas, las vacantes ya no obstaculizan el movimiento de dislocación, sino que ayudan a escalar.. En el modelo de fortalecimiento de vacantes, el aumento de resistencia por debajo de la temperatura máxima de tensión se aproxima como proporcional a la concentración de vacantes a la mitad con la concentración de vacantes estimada utilizando las estadísticas de Maxwell-Boltzmann . Por lo tanto, la fuerza se puede estimar como , consiendo la energía de formación de vacantes y siendo T la temperatura absoluta. Por encima de la temperatura máxima de tensión, se puede utilizar un mecanismo de deformación asistido por difusión para describir la resistencia, ya que las vacantes ahora son móviles y ayudan al movimiento de dislocación. Por encima del pico, el límite elástico depende de la velocidad de deformación y, por lo tanto, el límite elástico máximo depende del índice. Como resultado, la temperatura máxima de tensión aumenta con una mayor velocidad de deformación. Tenga en cuenta que esto es diferente a la anomalía del límite elástico, que es el límite elástico por debajo del pico, que depende de la tasa. El límite elástico máximo también depende del porcentaje de aluminio en la aleación FeAl. A medida que aumenta el porcentaje de aluminio, el límite elástico máximo se produce a temperaturas más bajas. [8]

La anomalía del límite elástico en las aleaciones de FeAl puede ocultarse si las vacantes térmicas no se minimizan mediante un recocido lento a una temperatura relativamente baja (~ 400 ° C durante ~ 5 días). [14] Además, la anomalía del límite elástico no está presente en sistemas que utilizan una tasa de deformación muy baja, ya que el límite elástico depende de la tasa de deformación y, por lo tanto, se produciría a temperaturas demasiado bajas para observar la anomalía del límite elástico. Además, dado que la formación de vacantes requiere tiempo, la magnitud del límite elástico máximo depende de cuánto tiempo se mantenga el material a la temperatura máxima de tensión. Además, se ha descubierto que el límite elástico máximo no depende de la orientación del cristal. [8]

Se han propuesto otros mecanismos que incluyen un mecanismo de deslizamiento cruzado similar al de L1 2 , descomposición de la dislocación en segmentos menos móviles en los jogs, bloqueo de la dislocación, mecanismo de bloqueo de subida y transición del vector de deslizamiento. La transición del vector de deslizamiento de <111> a <100>. En la temperatura máxima de tensión, el sistema de deslizamiento cambia de <111> a <100>. Se cree que el cambio es el resultado de que el deslizamiento en <111> se vuelve más difícil a medida que aumenta la temperatura debido a un mecanismo de fricción. Entonces, las dislocaciones en <100> tienen un movimiento más fácil en comparación. [15]Otro mecanismo combina el mecanismo de fortalecimiento de la vacante con la descomposición de la dislocación. Se ha demostrado que FeAl con la adición de un aditivo terciario como Mn también exhibe la anomalía del límite elástico. Sin embargo, en contraste con FeAl, el límite elástico máximo o la temperatura máxima de tensión de Fe 2 MnAl no depende de la velocidad de deformación y, por lo tanto, puede no seguir el mecanismo de fortalecimiento activado por vacantes. En cambio, se ha propuesto un mecanismo de fortalecimiento del orden. [8]

Aplicaciones

Turbinas y motores a reacción

La anomalía del límite elástico se explota en el diseño de turbinas de gas y motores a reacción que operan a altas temperaturas, donde los materiales utilizados se seleccionan en función de su límite elástico y resistencia a la fluencia . Las superaleaciones pueden soportar cargas de alta temperatura mucho más allá de las capacidades de los aceros y otras aleaciones, y permiten el funcionamiento a temperaturas más altas, lo que mejora la eficiencia . [dieciséis]

Reactores nucleares

Los materiales con anomalías en el límite elástico se utilizan en reactores nucleares debido a sus propiedades mecánicas a alta temperatura y buena resistencia a la corrosión . [5]

Referencias

  1. ^ Liu, JB; Johnson, DD; Smirnov, AV (24 de mayo de 2005), "Predicción de anomalías de la tensión de fluencia en aleaciones L1 2 : pseudobinarias Ni 3 Ge – Fe 3 Ge", Acta Materialia , 53 (13): 3601–3612, doi : 10.1016 / j. actamat.2005.04.011
  2. ^ Wua, D .; Baker, I .; Munroe, PR; George, EP (febrero de 2007), "La anomalía del límite elástico de los monocristales de Fe-Al orientados de deslizamiento simple", Intermetallics , 15 (2): 103-107, doi : 10.1016 / j.intermet.2006.03.007
  3. ^ Gornostyrev, Yu. NORTE.; AF Maksyutov; O. Yu. Kontsevoi; AJ Freeman; MI Katsnelson; AV Trefilov (3 de marzo de 2003), "Anomalía de temperatura de tensión de fluencia negativa y estabilidad estructural de Pt 3 Al", American Physical Society March Meeting 2003 , American Physical Society, 2003 , págs. D17.009, Bibcode : 2003APS..MARD17009G
  4. ^ Smallman, RE (4 de septiembre de 2013). Metalurgia física moderna . Ngan, AHW (octava ed.). Oxford. ISBN 978-0-08-098223-6. OCLC  858948359 .
  5. ^ a b c Han, FF; Zhou, BM; Huang, HF; Leng, B .; Lu, YL; Dong, JS; Li, ZJ; Zhou, XT (1 de octubre de 2016). "El comportamiento de tracción de la superaleación GH3535 a temperatura elevada" . Materiales Química y Física . 182 : 22–31. doi : 10.1016 / j.matchemphys.2016.07.001 . ISSN 0254-0584 . 
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  11. ^ Geng, Peiji; Li, Weiguo; Zhang, Xianhe; Deng, Yong; Kou, Haibo; Ma, Jianzuo; Shao, Jiaxing; Chen, Liming; Wu, Xiaozhi (5 de junio de 2017). "Un modelo teórico para la anomalía del límite elástico de las superaleaciones a base de Ni a temperatura elevada" . Revista de aleaciones y compuestos . 706 : 340–343. doi : 10.1016 / j.jallcom.2017.02.262 . ISSN 0925-8388 . 
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