El efecto Portevin–Le Chatelier (PLC) describe una curva de tensión-deformación dentada o flujo espasmódico que presentan algunos materiales a medida que experimentan una deformación plástica , específicamente una deformación no homogénea . [1] Este efecto se ha asociado durante mucho tiempo con el envejecimiento por deformación dinámica o la competencia entre los solutos que se difunden y fijan las dislocaciones y las dislocaciones que se liberan de esta obstrucción. [2]
El inicio del efecto PLC ocurre cuando la sensibilidad a la velocidad de deformación se vuelve negativa y comienza la deformación no homogénea. [1] Este efecto también puede aparecer en la superficie de la muestra y en bandas de deformación plástica. Este proceso comienza en una denominada deformación crítica , que es la deformación mínima necesaria para el inicio de las dentadas en la curva de tensión-deformación. La deformación crítica depende tanto de la temperatura como de la velocidad de deformación. [2] La existencia de una deformación crítica se atribuye a una mejor difusividad del soluto debido a las vacantes creadas por la deformación y al aumento de la densidad de dislocaciones móviles. Ambos contribuyen a la inestabilidad en las aleaciones sustitucionales, mientras que las aleaciones intersticiales solo se ven afectadas por el aumento de las densidades de dislocaciones móviles. [3]
Aunque el efecto recibe su nombre de Albert Portevin y François Le Chatelier, [4] no fueron ellos los primeros en descubrirlo. Félix Savart hizo el descubrimiento cuando observó una deformación no homogénea durante una prueba de tracción de tiras de cobre. Documentó las dentadas físicas en sus muestras que actualmente se conocen como bandas de Portevin-Le Chatelier. Un estudiante de Savart, Antoine Masson, repitió el experimento mientras controlaba la velocidad de carga. Masson observó que bajo una velocidad de carga constante, las muestras experimentarían cambios repentinos y grandes en el alargamiento (tan grandes como unos pocos milímetros). [5]
Gran parte de la física subyacente del efecto Portevin-Le Chatelier reside en un caso específico de deslizamiento por arrastre de soluto. La adición de átomos de soluto a un cristal puro introduce un desajuste de tamaño en el sistema. Este desajuste de tamaño conduce a la restricción del movimiento de dislocación. A baja temperatura, estos átomos de soluto son inmóviles dentro de la red, pero a altas temperaturas, los átomos de soluto se vuelven móviles e interactúan de una manera más compleja con las dislocaciones. Cuando los átomos de soluto son móviles y la velocidad de dislocación no es demasiado alta, los átomos de soluto y la dislocación pueden moverse juntos, donde el átomo de soluto disminuye el movimiento de la dislocación. [6]
El efecto Portevin-Le Chatelier ocurre en el caso específico en el que se produce un arrastre de soluto y se aplica una tensión, con un rango dependiente del material, sobre la muestra. La tensión aplicada hace que la velocidad de las dislocaciones aumente, lo que permite que la dislocación se aleje del soluto. Este proceso se conoce comúnmente como "ruptura". Una vez que la dislocación se ha alejado del soluto, la tensión sobre ella disminuye, lo que hace que su velocidad disminuya. Esto permite que los átomos de soluto "alcancen" a la dislocación. Tan pronto como el átomo de soluto la alcanza, la tensión sobre la dislocación aumenta significativamente, lo que hace que el proceso se repita. [6]
Los cambios cíclicos descritos anteriormente producen dentados en la región plástica del diagrama de tensión-deformación de un ensayo de tracción que está siendo sometido al efecto Portevin-Le Chatelier. La variación de la tensión también provoca que se produzca una deformación no homogénea en toda la muestra que puede ser visible a simple vista mediante la observación de un acabado rugoso. [5]
La temperatura afecta tanto a la velocidad de propagación de la banda a través del material como a la deformación crítica. La velocidad de propagación de la banda es proporcional a la temperatura (a menor temperatura, menor velocidad; a mayor temperatura, mayor velocidad). A menudo, la deformación crítica disminuirá primero debido a la temperatura. [2] El efecto de la temperatura en el régimen PLC se debe a la mayor capacidad de los solutos para difundirse a las dislocaciones con el aumento de la temperatura. Aunque el mecanismo de difusión no se entiende por completo, se cree que los átomos de soluto se difunden por volumen (alta temperatura), por difusión en cintas de fallas apiladas entre dislocaciones parciales (temperatura intermedia) o por difusión en tuberías (baja temperatura). [3]
Si bien la temperatura está relacionada con la velocidad de difusión, la velocidad de deformación determina el tiempo que tardan las dislocaciones en superar estos obstáculos y tiene un efecto drástico en las condiciones del efecto PLC. Por lo tanto, en general, la tensión crítica disminuirá con la velocidad de deformación impuesta. [3] Además, cuanto mayor sea la tasa de tensión, menor será la velocidad de la banda. [2]
Los precipitados , que a menudo se encuentran en las aleaciones de Al (especialmente de la variedad Mg), complican el efecto PLC.
A menudo, estos precipitados provocarán el llamado comportamiento inverso, que cambia el efecto tanto de la velocidad de deformación como de la temperatura en el sólido [7]. Se ha demostrado que la presencia de precipitados influye en la aparición y desaparición de estrías en la curva de tensión-deformación.
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La estructura del material también tiene un efecto sobre la apariencia y los parámetros que describen el efecto PLC. Por ejemplo, la magnitud de las caídas de tensión es mayor con un tamaño de grano más pequeño. La deformación crítica a menudo aumenta con granos más grandes, lo que está relacionado con la dependencia de la densidad de dislocación con el tamaño de grano. [8] La amplitud de dentado es mayor en aleaciones de Al-Mg para un tamaño de grano más fino. Existe una correlación entre el aumento de la deformación crítica y la aparición de dentado con el aumento del tamaño de grano. [9] Pero algunos hallazgos indican que el tamaño de grano prácticamente no tiene efecto sobre la velocidad de banda o el ancho de banda. [3]
El pulido del material afecta el inicio del efecto PLC y las velocidades de las bandas. Aparentemente, una superficie más rugosa proporciona más puntos de nucleación para tensiones elevadas, que ayudan a iniciar las bandas de deformación . Estas bandas también se propagan dos veces más rápido en la muestra pulida. [2]
El número de vacantes no afecta directamente el punto de inicio del PLC. Se descubrió que si un material se deforma previamente a un valor de ½ del requerido para iniciar el flujo espasmódico y luego se deja reposar a la temperatura de prueba o se recoce para eliminar las vacantes (pero lo suficientemente baja como para que la estructura de dislocación no se vea afectada), entonces la deformación crítica total solo disminuye levemente, así como los tipos de dentados que se producen. [10]
Si bien las propiedades como la sensibilidad a la velocidad de deformación y la deformación crítica marcan el comienzo del efecto PLC, se ha desarrollado un sistema para describir las dentadas en sí. Estos tipos a menudo dependen de la velocidad de deformación, la temperatura y el tamaño del grano. [8] Si bien, por lo general, las bandas se etiquetan como A, B y C, algunas fuentes han agregado bandas de tipo D y E. [11] Debido a que las bandas de tipo A, B y C son las más comunes en la literatura, serán las únicas que se cubrirán aquí.
Las bandas de tipo A se observan a menudo a altas tasas de deformación y bajas temperaturas. [11] Son un desarrollo aleatorio de bandas que se forman sobre toda la muestra. [12] Por lo general, se las describe como que se propagan continuamente con pequeñas caídas de tensión. [3]
Las bandas de tipo B se describen a veces como bandas “saltando” y aparecen a tasas de deformación medias a altas. [12] A menudo se las ve como si cada banda se formara antes de la anterior de una manera correlacionada espacialmente. Las dentadas son más irregulares y tienen amplitudes más pequeñas que las del tipo C. [3]
Las bandas C se observan a menudo a bajas tasas de deformación aplicadas o a altas temperaturas. [11] Estas se identifican con bandas estáticas nucleadas aleatorias con grandes caídas de tensión características en el dentado. [3]
Se cree que los diferentes tipos de bandas representan diferentes estados de dislocación en las bandas, y los tipos de bandas pueden cambiar en una curva de tensión-deformación de los materiales. Actualmente no existen modelos que puedan capturar el cambio en los tipos de bandas [3]
El efecto Portevin-Le Chatelier (PLC) es una prueba de la deformación no uniforme de las aleaciones comerciales CuNi25 a temperatura intermedia. En la aleación CuNi25 se manifiesta como irregularidades en forma de dentados en la curva de tensión-deformación. Prueba la inestabilidad de la fuerza durante la tensión y la heterogeneidad de la microestructura y la presencia de muchos factores heterogéneos que afectan sus propiedades mecánicas. [13]
Debido a que el efecto PLC está relacionado con un mecanismo de fortalecimiento, la resistencia del acero puede aumentar; sin embargo, la plasticidad y ductilidad de un material afectado por el efecto PLC disminuyen drásticamente. Se sabe que el efecto PLC induce una fragilidad azul en el acero; además, la pérdida de ductilidad puede provocar el desarrollo de superficies rugosas durante la deformación (las aleaciones de Al-Mg son especialmente susceptibles a esto), lo que las vuelve inútiles para aplicaciones de fundición o de carrocería de automóviles. [2]