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Zona libre de precipitaciones

Esquema de una zona libre de precipitados (PFZ) inmediatamente adyacente a un límite de grano en un material policristalino.

En la ciencia de los materiales , una zona libre de precipitados ( PFZ ) se refiere a regiones localizadas microscópicas alrededor de los límites de grano que están libres de precipitados ( impurezas sólidas forzadas hacia afuera del grano durante la cristalización ). Es un fenómeno común que surge en materiales policristalinos (materiales cristalinos con granos orientados estocásticamente ) donde la nucleación heterogénea de precipitados es el mecanismo de nucleación dominante . [1] [2] [3] Esto se debe a que los límites de grano son superficies de alta energía que actúan como sumideros de vacantes , lo que hace que las regiones adyacentes a un límite de grano estén desprovistas de vacantes. [4] Como es energéticamente favorable que la nucleación heterogénea ocurra preferentemente alrededor de sitios ricos en defectos, como vacantes, la nucleación de precipitados se ve impedida en las regiones libres de vacantes inmediatamente adyacentes a los límites de grano [4]

Historia

En la década de 1960 se realizaron estudios pioneros sobre la teoría [5] y la observación experimental [6] de las PFZ.

Efecto sobre las propiedades del material

Las PFZ son perjudiciales para las propiedades mecánicas de los materiales. [3] En particular, las PFZ degradan la dureza del material, porque la falta de precipitados en las PFZ hace que estas regiones tengan menos sitios de fijación. El movimiento de dislocación , una condición necesaria para que un material ceda, requerirá una tensión de corte aplicada apreciablemente menor en las PFZ y, en consecuencia, estas zonas localmente débiles provocarán una deformación plástica. [7] [8] También se ha descubierto que el ancho de las PFZ está correlacionado negativamente con la fractura intergranular [1] [7] [8]

Los PFZ también aceleran la corrosión por picaduras y el agrietamiento por corrosión bajo tensión , lo que reduce significativamente la vida útil de estos materiales en entornos químicamente agresivos. [9]

Técnicas para minimizar

Se ha demostrado que las PFZ se pueden minimizar mediante el enfriamiento rápido . En primer lugar, el enfriamiento rápido aumenta el subenfriamiento , lo que favorece la nucleación homogénea en las PFZ, ya que reduce la barrera de energía de nucleación incluso en ausencia de sitios de nucleación potentes. Además, las bajas temperaturas también conducen a una reducción en las tasas de difusión, lo que minimiza la pérdida de vacantes y el crecimiento prematuro de precipitados en los límites de grano. [5] Sin embargo, dado que las tasas de difusión a bajas temperaturas se suprimen, el tiempo de envejecimiento (tiempo necesario para que el tratamiento produzca un tamaño de grano deseado) sería largo. Por lo tanto, una técnica de procesamiento para evitar esto es aumentar ligeramente la temperatura una vez que se haya formado una cantidad suficiente de sitios de nucleación homogéneos. Otra técnica para minimizar las PFZ es introducir elementos de impurezas, ya que interactúan fuertemente con las vacantes y permiten una distribución más uniforme de las vacantes en el material. [10] [5] [11] Un ejemplo sería introducir Mg en aleaciones de Al [3]

El fortalecimiento cíclico (CS), un proceso en el que un material se empuja y tira mecánicamente repetidamente a temperatura ambiente, crea precipitados finos que se distribuyen homogéneamente en toda la microestructura. [12] Se ha sugerido como una alternativa a las aleaciones endurecidas por precipitado convencionales, ya que este proceso logra efectos de fortalecimiento sin introducir PFZ.

Referencias

  1. ^ ab Sævareid, Sondre (2017). Influencia de las zonas libres de precipitados en la ductilidad a la tracción y la resistencia al desgarro de aleaciones de aluminio 6000: un estudio experimental y numérico. 108 (Tesis de maestría).
  2. ^ Maldonado, R.; Nembach, E. (1997-01-01). "La formación de zonas libres de precipitado y el crecimiento de carburos en los límites de grano en la superaleación de base níquel NIMONIC PE16". Acta Materialia . 45 (1): 213–224. Bibcode :1997AcMat..45..213M. doi :10.1016/S1359-6454(96)00139-5. ISSN  1359-6454.
  3. ^ abc Song, Jie; Field, Robert; Konitzer, Doug; Kaufman, Michael (1 de mayo de 2017). "Desarrollo de zonas libres de precipitados en los límites de grano en una aleación de Ni-Mo-Cr-W". Metallurgical and Materials Transactions A . 48 (5): 2425–2434. Bibcode :2017MMTA...48.2425S. doi :10.1007/s11661-017-4019-8. ISSN  1543-1940. S2CID  135962524.
  4. ^ ab Chen, YQ; Pan, SP; Tang, SW; Liu, WH; Tang, CP; Xu, FY (1 de agosto de 2016). "Mecanismos de formación y evolución de zonas libres de precipitados en los límites de grano en una aleación de Al–Cu–Mg–Mn durante la homogeneización". Revista de Ciencia de Materiales . 51 (16): 7780–7792. Código Bibliográfico :2016JMatS..51.7780C. doi :10.1007/s10853-016-0062-x. ISSN  1573-4803. S2CID  99053278.
  5. ^ abc Embury, J. D; Nicholson, R. B (1965-04-01). "La nucleación de precipitados: el sistema Al-Zn-Mg". Acta Metallurgica . 13 (4): 403–417. doi :10.1016/0001-6160(65)90067-2. ISSN  0001-6160.
  6. ^ Unwin, PN T; Lorimer, G. W; Nicholson, R. B (1969-11-01). "El origen de la zona libre de precipitados del límite de grano". Acta Metallurgica . 17 (11): 1363–1377. doi :10.1016/0001-6160(69)90154-0. ISSN  0001-6160.
  7. ^ ab Krol, Thorsten; Baither, Dietmar; Nembach, Eckhard (14 de abril de 2003). "Cuantificación de los efectos perjudiciales de las zonas libres de precipitados en la resistencia a la fluencia de una superaleación". Scripta Materialia . ViewPoint Set No. 29 "Transformaciones de fase y deformaciones en aleaciones de magnesio". 48 (8): 1189–1194. doi :10.1016/S1359-6462(02)00566-3. ISSN  1359-6462.
  8. ^ ab Ogura, Tomo; Hirosawa, Shoichi; Cerezo, Alfredo; Sato, Tatsuo (1 de octubre de 2010). "Tomografía con sonda atómica de microestructuras a nanoescala dentro de zonas libres de precipitados en aleaciones Al-Zn-Mg (-Ag)". Acta Materialia . 58 (17): 5714–5723. Código Bib : 2010AcMat..58.5714O. doi :10.1016/j.actamat.2010.06.046. ISSN  1359-6454.
  9. ^ Talbot, David EJ; Talbot, James DR (29 de enero de 2018). Ciencia y tecnología de la corrosión. CRC Press. ISBN 978-1-4987-5242-8.
  10. ^ Yao, DP; Zhang, YZ; Hu, ZQ; Li, YY; Shi, CX (1989-04-01). "La formación y crecimiento de PFZ en el límite de grano en aleación Al-11.9at.-%Li". Scripta Metallurgica . 23 (4): 537–541. doi :10.1016/0036-9748(89)90447-X. ISSN  0036-9748.
  11. ^ Tzeng, Yu-Chih; Wu, Chih-Ting; Lee, Sheng-Long (15 de diciembre de 2015). "El efecto de trazas de Sc en la sensibilidad al temple de aleaciones AL–7Si–0.6 Mg". Materials Letters . 161 : 340–342. Código Bibliográfico :2015MatL..161..340T. doi :10.1016/j.matlet.2015.08.108. ISSN  0167-577X.
  12. ^ Sun, Wenwen; Zhu, Yuman; Marceau, Ross; Wang, Lingyu; Zhang, Qi; Gao, Xiang; Hutchinson, Christopher (marzo de 2019). "Fortalecimiento por precipitación de aleaciones de aluminio mediante plasticidad cíclica a temperatura ambiente". Science . 363 (6430): 972–975. Bibcode :2019Sci...363..972S. doi : 10.1126/science.aav7086 . ISSN  0036-8075. PMID  30819960. S2CID  67876915.