Endurecimiento

En la ciencia de los materiales , el endurecimiento se refiere al proceso de hacer que un material sea más resistente a la propagación de grietas. Cuando una grieta se propaga, el trabajo irreversible asociado en diferentes clases de materiales es diferente. Por lo tanto, los mecanismos de endurecimiento más efectivos difieren entre las diferentes clases de materiales. La plasticidad de la punta de la grieta es importante en el endurecimiento de metales y polímeros de cadena larga. Las cerámicas tienen una plasticidad limitada en la punta de la grieta y dependen principalmente de diferentes mecanismos de endurecimiento.

Endurecimiento en metales

En el caso de un material dúctil como un metal, esta tenacidad es generalmente proporcional a la tensión y la deformación de fractura, así como a la longitud calibrada de la grieta. La tenacidad a la deformación plana en un metal se expresa mediante: ^[1]

${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}=B\sigma _{yf}\epsilon _{fr}\rho }$

donde es la tenacidad de la deformación plana, es una constante que incorpora el estado de tensión, es la tensión de fluencia por tracción en la fractura, es la deformación por fractura por tracción y es el radio de la punta de la grieta. ${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \sigma _{yf}}$ ${\displaystyle \epsilon _{fr}}$ ${\displaystyle \rho }$

En un material de baja resistencia a la fluencia, la punta de la grieta se puede embotar fácilmente y se forma un radio de punta de grieta más grande. Por lo tanto, en una aleación metálica dada, la tenacidad en una condición de baja resistencia suele ser mayor que para condiciones de mayor resistencia porque hay menos plasticidad disponible para el endurecimiento. Por lo tanto, algunas piezas estructurales críticas para la seguridad, como recipientes a presión y tuberías para estructuras de aviones de aleación de aluminio, se fabrican en versiones de resistencia relativamente baja. ^[2] No obstante, la tenacidad debe mejorarse sin sacrificar su resistencia en el metal. El diseño de una nueva aleación o la mejora de su procesamiento pueden lograr este objetivo.

El diseño de una nueva aleación se puede explicar por la diferente tenacidad de varias aleaciones ferrosas. El acero martensítico con 18% de Ni tiene una tenacidad mayor que el acero martensítico AISI 4340. En una aleación AISI 4340, el carbono intersticial existe en una matriz bcc (cúbica centrada en el cuerpo) y muestra un efecto adverso en la tenacidad. En el acero martensítico con 18% de Ni, el contenido de carbono es menor y la martensita se fortalece con átomos de Ni sustitutivos. Además, los efectos de plasticidad inducida por transformación (TRIP) en el acero pueden proporcionar tenacidad adicional. En el acero TRIP, la matriz es metaestable y puede transformarse en martensita durante la deformación. El trabajo asociado a la transformación de fase contribuye a la mejora de la tenacidad. En una aleación de vidrio monolítica Pd-Ag-P-Si-Ge, las propiedades de alto módulo volumétrico y bajo módulo de corte conducen a la proliferación de bandas de corte. Estas bandas se auto-restringen y se mejora la tenacidad. ^[3]

Los metales se pueden endurecer mediante la mejora del procesamiento. Con una alta afinidad por el oxígeno, la aleación de titanio puede absorber oxígeno fácilmente. ^[4] El oxígeno puede promover la formación de la fase α2. Estas partículas α2 coherentes _{conducen a} una fácil nucleación de grietas y una rápida propagación de grietas dentro de las bandas de deslizamiento planas. ^[5] Por lo tanto, la tenacidad de la aleación de titanio disminuye. La técnica de fusión por arco de vacío múltiple (VAR) se puede utilizar para minimizar el contenido de oxígeno y aumentar la tenacidad de la aleación. De manera similar, el fósforo en los aceros puede disminuir drásticamente la tenacidad. El fósforo puede segregarse en el límite de grano y provocar una fractura intergranular. ^[6] Si se mejora la desfosforación durante la fabricación del acero, el acero se endurecerá para obtener un contenido de fósforo más bajo. Después del procesamiento apropiado del acero, los granos cristalinos y las segundas fases que se orientan a lo largo de la dirección de laminación pueden mejorar la tenacidad de los materiales mediante la delaminación, lo que puede relajar la tensión triaxial y embotar la punta de la grieta. ^[7]

Los metales también pueden reforzarse mediante los métodos que se describen a continuación para la cerámica, pero estos métodos generalmente tienen un impacto menor en el endurecimiento que en el embotamiento de grietas inducido por plasticidad.

Endurecimiento en cerámica

Las cerámicas son más frágiles que la mayoría de los metales y plásticos. El trabajo irreversible asociado con la deformación plástica no se presenta en las cerámicas. Por lo tanto, los métodos que mejoran la tenacidad de las cerámicas son diferentes a los de los metales. Existen varios mecanismos de endurecimiento llamados deflexión de grietas, endurecimiento por microgrietas, endurecimiento por transformación y puenteo de grietas.

Mecanismos de endurecimiento comunes

Deflexión de grietas

En cerámicas policristalinas, la grieta puede propagarse de forma intergranular. El trabajo irreversible asociado por unidad de área es 2γ-γ _gb , donde γ es la energía superficial del material y γ _gb es la energía del límite de grano. Aunque el trabajo irreversible disminuye debido a la energía del límite de grano, el área de fractura aumenta en la propagación de grietas intergranulares. Además, la grieta de modo II puede ser causada por la desviación del plano de fractura normal durante la propagación de grietas intergranulares, lo que mejora aún más la tenacidad de la cerámica. Como resultado, la cerámica con fractura intergranular muestra una mayor tenacidad que la que tiene fractura transgranular. En SiC, la tenacidad a la fractura es ~2-3 si se fractura transgranularmente y la tenacidad a la fractura mejora a 10 cuando se fractura intergranularmente. ^[8] Los mecanismos de desviación de grietas provocan una mayor tenacidad en cerámicas que muestran un crecimiento anormal de grano (AGG). Las microestructuras heterogéneas producidas por AGG forman materiales que pueden considerarse como “compuestos in situ” o “materiales autorreforzados”. ^[9] Las deflexiones de grietas alrededor de partículas de segunda fase también se han utilizado en enfoques de mecánica de fracturas para predecir aumentos de tenacidad de fractura. ^[10] ${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$ ${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$

Endurecimiento por microfisuras

El endurecimiento por microfisuras significa que la formación de microfisuras antes de la fisura principal puede endurecer la cerámica. Las microfisuras adicionales harán que la tensión se concentre delante de la fisura principal. Esto conduce a un trabajo irreversible adicional necesario para la propagación de la fisura. Además, estas microfisuras pueden provocar ramificaciones de la fisura, y una fisura puede formar múltiples fisuras. Debido a la formación de estas fisuras, aumenta el trabajo irreversible. El incremento de la tenacidad debido al endurecimiento por microfisuras se puede expresar mediante: ^[1] ${\displaystyle G_{C}}$

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{R}(\Delta \alpha )(\Delta T)V_{f}}$

donde es la distancia entre las microfisuras y el plano de fractura, es la tensión residual, es la diferencia del coeficiente de expansión térmica entre granos adyacentes, es la diferencia de temperatura que causa la deformación térmica y es la fracción de granos que está relacionada con las microfisuras en un volumen afectado. En esta ecuación, se ha asumido que la tensión residual es dominante en la nucleación de las microfisuras y la formación de microfisuras es causada por el trabajo elástico. Para retardar la propagación de las grietas, estas microfisuras deben formarse durante la propagación de las grietas. El tamaño de grano debe ser menor que un tamaño de grano crítico para evitar la formación espontánea de microfisuras. La distancia entre la microfisura y el plano de fractura debe ser mayor que el tamaño de grano para tener un efecto de endurecimiento. Como demostró de manera más destacada Katherine Faber en 1981, el endurecimiento inducido por la incorporación de partículas de segunda fase sujetas a microfisuras se vuelve apreciable para una distribución de tamaño estrecha de partículas de tamaño apropiado. ^[11] ${\displaystyle r_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{R}}$ ${\displaystyle \Delta \alpha }$ ${\displaystyle \Delta T}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Endurecimiento por transformación

Esquema del endurecimiento por transformación en zirconia parcialmente estabilizada

El efecto TRIP se encuentra en la zirconia parcialmente estabilizada. La zirconia parcialmente estabilizada se compone de una fase tetragonal a alta temperatura y una fase monoclínica y una fase cúbica a una temperatura más baja en equilibrio. En algunos componentes, la temperatura de inicio de la transformación martensítica monoclínica tetragonal es inferior a la temperatura ambiente. El campo de tensión cerca de la punta de la grieta desencadena la transformación martensítica a velocidades que se supone que se aproximan a la del sonido en el material. ^[12] La transformación martensítica provoca una expansión de volumen (deformación volumétrica/dilatoria) y deformaciones de cizallamiento de aproximadamente el 4% y el 16% respectivamente. Aplica una tensión de compresión en la punta de la grieta para evitar la propagación de la grieta, así como tracciones de cierre en la estela de la grieta. ^[13] Desde otro punto de vista, el trabajo asociado a esta transformación de fase contribuye a la mejora de la tenacidad. El incremento de la tenacidad causado por el endurecimiento por transformación se puede expresar por: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{M}\epsilon _{M}V_{f}}$

donde es la distancia entre el límite de la región transformada y el plano de fractura, es la tensión que desencadena la transformación de la martensita, es la deformación de la transformación de la martensita y es la fracción de granos tetragonales que está relacionada con las microfisuras en un volumen afectado. El tamaño de partícula tetragonal debe controlarse adecuadamente. Esto se debe a que un tamaño de partícula demasiado grande conduce a una transformación espontánea y un tamaño de partícula demasiado pequeño conduce a un efecto de endurecimiento muy pequeño. ${\displaystyle r_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{M}}$ ${\displaystyle \epsilon _{M}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Puenteo de grietas

Cuando una grieta se propaga en una trayectoria irregular, algunos granos de cada lado de la grieta principal pueden sobresalir hacia el otro lado. Esto genera un trabajo adicional para una fractura completa. Este trabajo irreversible está relacionado con la tensión residual, que es de aproximadamente . El incremento de la tenacidad se puede expresar mediante: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong {1 \over 8}\mu \sigma _{R}V_{f}d}$

donde es el coeficiente de fricción, es la tensión residual, es la longitud del borde del grano y es la fracción de granos asociada con el puenteo de grietas. ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \sigma _{R}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Existen otros enfoques para mejorar la tenacidad de la cerámica mediante el puenteo de grietas. El fenómeno del crecimiento anormal de grano , o AGG, se puede aprovechar para impartir una microestructura de puenteo de grietas dentro de un material cerámico monofásico. La presencia de granos anormalmente largos sirve para tender puentes entre grietas y dificulta su apertura. ^[14] Esto se ha demostrado en carburo de silicio y nitruro de silicio . Los granos anormalmente grandes también pueden servir para endurecer la cerámica mediante mecanismos de deflexión de grietas. La formación de una estructura interna texturizada dentro de la cerámica se puede utilizar como un enfoque de endurecimiento. ^[15] Los materiales de carburo de silicio se han endurecido mediante este enfoque. ^[16] Debido a que el área de superficie interfacial aumenta debido a la estructura interna, el trabajo de fractura irreversible aumenta en este material.

Esquema de compuestos reforzados con fibra

Endurecimiento en materiales compuestos

En los compuestos de matriz metálica (MMC), las adiciones fortalecen el metal y reducen la tenacidad del material. En los compuestos de matriz cerámica (CMC), las adiciones pueden endurecer los materiales, pero no fortalecerlos al mismo tiempo. En los compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP), las fibras de grafito pueden endurecer y fortalecer el polímero al mismo tiempo. En los compuestos de vidrio metálico a granel (BMG), se agregan dendritas para retrasar el movimiento de la banda de corte y se mejora la tenacidad. ^[17]

Si las fibras tienen una mayor deformación por fractura que la matriz, el compuesto se endurece mediante puenteo de grietas. La tenacidad de un compuesto se puede expresar de la siguiente manera: ^[1]

${\displaystyle G_{C}=V_{m}G_{m}+V_{f}G_{f}+\Delta G_{C}}$

donde y son la tenacidad de la matriz y las fibras respectivamente, y son el volumen de la matriz y las fibras respectivamente, es la tenacidad adicional causada por el endurecimiento por puente. Después de que la grieta se propaga a través de la fibra, la fibra se alarga y se separa de la matriz. Estos procesos corresponden a la deformación plástica y al trabajo de extracción y contribuyen al endurecimiento del compuesto. ${\displaystyle G_{m}}$ ${\displaystyle G_{f}}$ ${\displaystyle V_{m}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle \Delta G_{C}}$

Cuando la fibra es frágil, el trabajo de extracción domina el trabajo irreversible que contribuye al endurecimiento. El incremento de la tenacidad causado por el trabajo de extracción se puede expresar de la siguiente manera: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}={1 \over 32}{\beta ^{2}\sigma _{f}^{2}V_{f}d \over \tau }}$

donde es la relación entre la longitud de desprendimiento y la longitud crítica, es la resistencia de las fibras, es el ancho de las fibras, es la fracción de fibras y es la tensión de fricción de la interfaz. A partir de la ecuación, se puede encontrar que una fracción de volumen más alta, una mayor resistencia de las fibras y una tensión de interfaz más baja pueden obtener un mejor efecto de endurecimiento. ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle \tau }$

Puenteo de grietas en fase dúctil

Cuando la fibra es dúctil, el trabajo de deformación plástica contribuye principalmente a la mejora de la tenacidad. La tenacidad adicional aportada por la deformación plástica se puede expresar de la siguiente manera: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}=C\sigma _{y}\epsilon _{f}V_{f}l_{d}}$

donde es una constante entre 1,5 y 6, es la tensión de flujo de las fibras, es la deformación por fractura de las fibras, es la fracción de fibras y es la longitud de desprendimiento. A partir de la ecuación, se puede encontrar que una mayor tensión de flujo y una longitud de desprendimiento más larga pueden mejorar el endurecimiento. Sin embargo, una longitud de desprendimiento más larga generalmente conduce a una disminución de la tensión de flujo debido a la pérdida de restricción para la deformación plástica. ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \epsilon _{y}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle l_{d}}$

La tenacidad en un compuesto con endurecimiento por fase dúctil también se puede demostrar utilizando el factor de intensidad de tensión, por superposición lineal de la matriz y el puenteo de grietas basado en soluciones de Tada. ^[18] Este modelo puede predecir el comportamiento para el puenteo a pequeña escala (longitud del puente << longitud de la grieta) en condiciones de carga monótona, pero no para el puenteo a gran escala. ^{[19] [20]} ${\displaystyle K_{c}}$

${\displaystyle K_{c}=K_{m}+\Delta K_{b}=K_{m}+{\sqrt {\frac {2}{\pi }}}\alpha V_{f}\int _{0}^{L}{\frac {\sigma _{y}}{\sqrt {x}}}dx}$

Varios mecanismos de endurecimiento en epoxis

donde es la tenacidad a la fractura de la matriz, es el endurecimiento debido al puenteo de grietas, es la longitud del puente, es la distancia detrás de la punta de la grieta, es la tensión de fluencia uniaxial y es un factor de restricción/triaxialidad. ${\displaystyle K_{m}}$ ${\displaystyle \Delta K_{b}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Endurecimiento en polímeros

Los mecanismos de endurecimiento de los polímeros son similares a los que se han analizado anteriormente. Solo se utilizan algunos ejemplos para explicar el endurecimiento de los polímeros. En el poliestireno de alto impacto (HIPS), la dispersión elastomérica se utiliza para mejorar la resistencia a la propagación de grietas. Cuando se propaga la grieta principal, se forman microgrietas alrededor de la dispersión elastomérica por encima o por debajo del plano de fractura. El HIPS se endurece mediante un trabajo adicional asociado con la formación de microgrietas. En los epoxis, se utilizan partículas de vidrio para mejorar la tenacidad de los materiales. El mecanismo de endurecimiento es similar a la deflexión de grietas. La adición de plastificantes a los polímeros también es una buena forma de mejorar su tenacidad. ^{[1] [21]}

Referencias

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