Endurecimiento por precipitación

Técnica de tratamiento térmico utilizada para aumentar el límite elástico de materiales maleables.

El endurecimiento por precipitación , también llamado endurecimiento por envejecimiento o endurecimiento por partículas , es una técnica de tratamiento térmico utilizada para aumentar el límite elástico de materiales maleables , incluida la mayoría de las aleaciones estructurales de aluminio , magnesio , níquel , titanio y algunos aceros , aceros inoxidables y acero inoxidable dúplex. . En las superaleaciones , se sabe que causa anomalías en el límite elástico y proporciona una excelente resistencia a altas temperaturas.

El endurecimiento por precipitación se basa en cambios en la solubilidad del sólido con la temperatura para producir partículas finas de una fase de impureza , que impiden el movimiento de dislocaciones o defectos en la red cristalina . Dado que las dislocaciones suelen ser los portadores dominantes de la plasticidad , esto sirve para endurecer el material. Las impurezas desempeñan el mismo papel que las sustancias particuladas en los materiales compuestos reforzados con partículas. Así como la formación de hielo en el aire puede producir nubes, nieve o granizo, dependiendo de la historia térmica de una porción determinada de la atmósfera, la precipitación en sólidos puede producir partículas de muchos tamaños diferentes, que tienen propiedades radicalmente diferentes. A diferencia del templado ordinario , las aleaciones deben mantenerse a temperatura elevada durante horas para permitir que se produzca la precipitación. Este retraso se llama "envejecimiento". El tratamiento y envejecimiento de la solución a veces se abrevia como "STA" en las especificaciones y certificados de metales.

Dos tratamientos térmicos diferentes que involucran precipitados pueden alterar la resistencia de un material: tratamiento térmico en solución y tratamiento térmico por precipitación. El fortalecimiento de la solución sólida implica la formación de una solución sólida monofásica mediante enfriamiento rápido. El tratamiento térmico por precipitación implica la adición de partículas de impurezas para aumentar la resistencia de un material. ^[1]

Cinética versus termodinámica

Esta técnica explota el fenómeno de la sobresaturación e implica un cuidadoso equilibrio de la fuerza impulsora de la precipitación y la energía de activación térmica disponible para procesos deseables e indeseables.

La nucleación se produce a una temperatura relativamente alta (a menudo justo por debajo del límite de solubilidad), de modo que la barrera cinética de la energía superficial se puede superar más fácilmente y se puede formar el máximo número de partículas de precipitado. Luego se permite que estas partículas crezcan a una temperatura más baja en un proceso llamado envejecimiento . Esto se lleva a cabo en condiciones de baja solubilidad para que la termodinámica impulse un mayor volumen total de formación de precipitado.

La dependencia exponencial de la difusión con la temperatura hace que el fortalecimiento por precipitación, como todos los tratamientos térmicos, sea un proceso bastante delicado. Muy poca difusión ( bajo envejecimiento ) y las partículas serán demasiado pequeñas para impedir las dislocaciones de manera efectiva; demasiado ( sobreenvejecimiento ), y serán demasiado grandes y dispersos para interactuar con la mayoría de las dislocaciones.

Diseño de aleación

El fortalecimiento de la precipitación es posible si la línea de solubilidad sólida se inclina fuertemente hacia el centro de un diagrama de fases . Si bien es deseable un gran volumen de partículas de precipitado, se debe agregar una cantidad suficientemente pequeña del elemento de aleación para que permanezca fácilmente soluble a una temperatura de recocido razonable . Aunque a menudo se desean grandes volúmenes, se desean partículas de tamaño pequeño para evitar una disminución de la resistencia, como se explica a continuación.

Los elementos utilizados para el refuerzo por precipitación en aleaciones típicas de aluminio y titanio constituyen aproximadamente el 10% de su composición. Si bien las aleaciones binarias se entienden más fácilmente como un ejercicio académico, las aleaciones comerciales suelen utilizar tres componentes para el fortalecimiento por precipitación, en composiciones como Al (Mg, Cu ) y Ti (Al, V ). Una gran cantidad de otros componentes pueden ser involuntarios, pero benignos, o pueden agregarse para otros fines, como el refinamiento del grano o la resistencia a la corrosión . Un ejemplo es la adición de Sc y Zr a aleaciones de aluminio para formar estructuras FCC L1 ₂ que ayudan a refinar los granos y fortalecer el material. ^[2] En algunos casos, como en muchas aleaciones de aluminio, se logra un aumento de la resistencia a expensas de la resistencia a la corrosión. La tecnología más reciente se centra en la fabricación aditiva debido a la mayor cantidad de fases metaestables que se pueden obtener debido al enfriamiento rápido, mientras que la fundición tradicional se limita más a las fases de equilibrio. ^[3]

La adición de grandes cantidades de níquel y cromo necesarios para la resistencia a la corrosión en los aceros inoxidables significa que los métodos tradicionales de endurecimiento y revenido no son efectivos. Sin embargo, los precipitados de cromo, cobre u otros elementos pueden fortalecer el acero en cantidades similares en comparación con el endurecimiento y el revenido. La resistencia se puede adaptar ajustando el proceso de recocido, con temperaturas iniciales más bajas que dan como resultado resistencias más altas. Las temperaturas iniciales más bajas aumentan la fuerza impulsora de la nucleación. Más fuerza motriz significa más sitios de nucleación, y más sitios significan más lugares para interrumpir las dislocaciones mientras la pieza terminada está en uso.

Muchos sistemas de aleaciones permiten ajustar la temperatura de envejecimiento. Por ejemplo, algunas aleaciones de aluminio utilizadas para fabricar remaches para la construcción de aviones se mantienen en hielo seco desde su tratamiento térmico inicial hasta su instalación en la estructura. Después de que este tipo de remache se deforma hasta alcanzar su forma final, se produce el envejecimiento a temperatura ambiente y aumenta su resistencia, uniendo la estructura. Temperaturas de envejecimiento más altas correrían el riesgo de envejecer excesivamente otras partes de la estructura y requerirían un costoso tratamiento térmico posterior al ensamblaje porque una temperatura de envejecimiento alta promueve que el precipitado crezca demasiado fácilmente.

Tipos de endurecimiento

Hay varias formas mediante las cuales una matriz puede endurecerse mediante precipitados, que también podrían ser diferentes para precipitados deformantes y precipitados no deformantes. ^[4]

Partículas deformantes (precipitados débiles):

El endurecimiento de la coherencia se produce cuando la interfaz entre las partículas y la matriz es coherente, lo que depende de parámetros como el tamaño de las partículas y la forma en que se introducen las partículas. La coherencia es donde la red del precipitado y la de la matriz son continuas a través de la interfaz. ^[5] Las partículas pequeñas precipitadas de una solución sólida sobresaturada suelen tener interfaces coherentes con la matriz. El endurecimiento de la coherencia se origina por la diferencia de volumen atómico entre el precipitado y la matriz, lo que resulta en una tensión de coherencia. Si el volumen atómico del precipitado es menor, habrá tensión porque los átomos de la red se encuentran más cerca que en sus condiciones normales, mientras que cuando el volumen atómico del precipitado es mayor, habrá compresión de los átomos de la red, ya que están más separados. que su posición normal. Independientemente de si la red está bajo compresión o tensión, el campo de tensión asociado interactúa con las dislocaciones, lo que conduce a una disminución del movimiento de las dislocaciones, ya sea por repulsión o atracción de las dislocaciones, lo que lleva a un aumento en el límite elástico, similar al efecto del tamaño en el fortalecimiento de una solución sólida. Lo que diferencia este mecanismo del fortalecimiento de una solución sólida es el hecho de que el precipitado tiene un tamaño definido, no un átomo, y por lo tanto una interacción más fuerte con las dislocaciones.

El endurecimiento del módulo resulta de los diferentes módulos de corte del precipitado y la matriz, lo que conduce a un cambio de energía en la tensión de la línea de dislocación cuando la línea de dislocación corta el precipitado. Además, la línea de dislocación podría doblarse al entrar en el precipitado, aumentando la longitud afectada de la línea de dislocación. Nuevamente, el fortalecimiento surge de una manera similar al fortalecimiento en solución sólida, donde hay un desajuste en la red que interactúa con las dislocaciones, impidiendo su movimiento. Por supuesto, la gravedad de la interacción es diferente a la de la solución sólida y el fortalecimiento de la coherencia.

El fortalecimiento químico está asociado con la energía superficial de la interfaz precipitado-matriz recién introducida cuando la partícula es cortada por dislocaciones. Debido a que se necesita energía para formar la superficie, parte de la tensión que causa el movimiento de dislocación es acomodada por las superficies adicionales. Al igual que el endurecimiento del módulo, el análisis del área interfacial puede complicarse por la distorsión de la línea de dislocación.

El fortalecimiento del orden ocurre cuando el precipitado es una estructura ordenada tal que la energía de enlace antes y después del corte es diferente. Por ejemplo, en un cristal cúbico ordenado con composición AB, la energía de enlace de AA y BB después del corte es mayor que la del enlace AB anterior. El aumento de energía asociado por unidad de área es energía de límite antifase y se acumula gradualmente a medida que la dislocación pasa a través de la partícula. Sin embargo, una segunda dislocación podría eliminar el dominio antifase dejado por la primera dislocación cuando atraviesa la partícula. La atracción de la partícula y la repulsión de la primera dislocación mantienen una distancia equilibrada entre dos dislocaciones, lo que complica el fortalecimiento del orden. Excepto cuando hay partículas muy finas, este mecanismo generalmente no es tan efectivo como otros para fortalecer. Otra forma de considerar este mecanismo es que cuando una dislocación corta una partícula, la secuencia de apilamiento entre la nueva superficie creada y la matriz se rompe y el enlace no es estable. Para que la secuencia vuelva a esta interfaz, se necesita otra dislocación para cambiar el apilamiento. La primera y la segunda dislocación a menudo se denominan superdislocación. Debido a que se requieren superdislocaciones para cortar estas partículas, se produce un fortalecimiento debido a la disminución del movimiento de las dislocaciones.

Partículas que no se deforman (precipitado fuerte):

En partículas que no se deforman, donde el espaciamiento es lo suficientemente pequeño o la interfaz precipitado-matriz está desordenada, la dislocación se arquea en lugar de cizalla. El fortalecimiento está relacionado con el espacio efectivo entre partículas considerando el tamaño de partícula finito, pero no la fuerza de la partícula, porque una vez que la partícula es lo suficientemente fuerte como para que las dislocaciones se doblen en lugar de cortar, un mayor aumento de la resistencia a la penetración de las dislocaciones no afectará el fortalecimiento. Por lo tanto, el mecanismo principal es el fortalecimiento de Orowan, donde las partículas fuertes no permiten que pasen las dislocaciones. Por lo tanto, debe producirse una curvatura y, en esta curvatura, se pueden acumular bucles de dislocación, lo que disminuye el espacio disponible para que se arqueen dislocaciones adicionales. Si las dislocaciones no pueden cortar las partículas y no pueden pasar a través de ellas, entonces el movimiento de las dislocaciones se impide con éxito.

Teoría

Las principales especies de fortalecimiento de la precipitación son las partículas de la segunda fase. Estas partículas impiden el movimiento de las dislocaciones a lo largo de la red. Puede determinar si las partículas de la segunda fase precipitarán o no en la solución a partir de la línea solidus en el diagrama de fases de las partículas. Físicamente, este efecto fortalecedor se puede atribuir tanto a efectos de tamaño y módulo , como a energía interfacial o superficial . ^{[4] [6]}

La presencia de partículas de la segunda fase a menudo provoca distorsiones de la red. Estas distorsiones de la red se producen cuando las partículas del precipitado difieren en tamaño y estructura cristalográfica de los átomos anfitriones. Las partículas de precipitado más pequeñas en una red huésped provocan una tensión de tracción, mientras que las partículas de precipitado más grandes conducen a una tensión de compresión. Los defectos de dislocación también crean un campo de tensión. Por encima de la dislocación hay un esfuerzo de compresión y por debajo hay un esfuerzo de tracción. En consecuencia, existe una energía de interacción negativa entre una dislocación y un precipitado que causa respectivamente una tensión de compresión y de tracción o viceversa. En otras palabras, la dislocación será atraída por el precipitado. Además, existe una energía de interacción positiva entre una dislocación y un precipitado que tienen el mismo tipo de campo de tensión. Esto significa que la dislocación será rechazada por el precipitado.

Las partículas de precipitado también sirven para cambiar localmente la rigidez de un material. Las dislocaciones son rechazadas por regiones de mayor rigidez. Por el contrario, si el precipitado hace que el material sea localmente más flexible, entonces la dislocación será atraída hacia esa región. Además, existen tres tipos de límites de interfaz (IPB).

El primer tipo es un IPB coherente u ordenado, los átomos coinciden uno por uno a lo largo del límite. Debido a la diferencia en los parámetros de la red de las dos fases, una energía de deformación de coherencia está asociada con este tipo de límite. El segundo tipo es un IPB completamente desordenado y no hay tensiones de coherencia, pero la partícula tiende a no deformarse ante las dislocaciones. El último es un IPB parcialmente ordenado, por lo que las tensiones de coherencia se alivian parcialmente mediante la introducción periódica de dislocaciones a lo largo del límite.

En precipitados coherentes en una matriz, si el precipitado tiene un parámetro de red menor que el de la matriz, entonces la coincidencia atómica a través del IPB conduce a un campo de tensión interno que interactúa con dislocaciones en movimiento.

Hay dos caminos de deformación, uno es el endurecimiento por coherencia , el desajuste de la red es

${\displaystyle \varepsilon _{coh}={\frac {a_{p}-a_{m}}{a_{m}}}}$

${\displaystyle \tau _{coh}=7G\left|\varepsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}\left({\frac {rf}{b}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

Donde está el módulo de corte, es el desajuste de la red coherente, es el radio de la partícula, es la fracción de volumen de la partícula, es el vector de hamburguesas, es igual a la concentración. ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle \varepsilon _{coh}}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle rf/b}$

El otro es el endurecimiento del módulo . La energía de la dislocación es , cuando corta el precipitado, su energía es , el cambio en la energía del segmento de línea es ${\displaystyle U_{m}=G_{m}b^{2}/2}$ ${\displaystyle U_{p}=G_{p}b^{2}/2}$

${\displaystyle \bigtriangleup {U}=\left(U_{p}-U_{m}\right)2r=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}r}$.

La longitud máxima de dislocación afectada es el diámetro de la partícula, el cambio de tensión de la línea se produce gradualmente a lo largo de una distancia igual a . La fuerza de interacción entre la dislocación y el precipitado es ${\displaystyle r}$

${\displaystyle F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}}$y . ${\displaystyle \tau ={\frac {F}{bL}}}$

Además, una dislocación puede atravesar una partícula de precipitado e introducir más interfaz precipitado-matriz, lo que constituye un fortalecimiento químico . Cuando la dislocación ingresa a la partícula y está dentro de la partícula, la parte superior de la partícula corta b con respecto a la parte inferior acompaña la entrada de la dislocación. Un proceso similar ocurre cuando la dislocación sale de la partícula. El tránsito completo va acompañado de la creación de un área de superficie matriz-precipitado de magnitud aproximada , donde r es el radio de la partícula y b es la magnitud del vector de hamburguesas. El aumento resultante en la energía superficial es , donde está la energía superficial. La fuerza máxima entre la dislocación y la partícula es , la tensión de flujo correspondiente debería ser . ${\displaystyle A=2\pi rb\,\!}$ ${\displaystyle E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!}$ ${\displaystyle \gamma _{s}}$ ${\displaystyle F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!}$ ${\displaystyle \Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL}$

Cuando una partícula es cortada por una dislocación, se necesita un esfuerzo cortante umbral para deformar la partícula. La expresión para el esfuerzo cortante requerido es la siguiente:

${\displaystyle \tau =cG\varepsilon ^{\frac {3}{2}}\left({\frac {rf}{b}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

Cuando el tamaño del precipitado es pequeño, el esfuerzo cortante requerido es proporcional al tamaño del precipitado . Sin embargo, para una fracción de volumen de partículas fija, este esfuerzo puede disminuir a valores mayores de r debido a un aumento en el espaciamiento de las partículas. El nivel general de la curva aumenta mediante aumentos en la fuerza inherente de las partículas o en la fracción de volumen de las partículas. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle r^{1/2}}$

La dislocación también puede rodear una partícula precipitada mediante el llamado mecanismo de Orowan.

Dado que la partícula no se deforma, la dislocación se curva alrededor de las partículas ( ), la tensión requerida para efectuar la derivación es inversamente proporcional al espacio entre partículas , es decir , donde está el radio de la partícula. Los bucles de dislocación rodean las partículas después de la operación de derivación, por lo que se tendría que extruir una dislocación posterior entre los bucles. Por lo tanto, el espaciamiento efectivo entre partículas para la segunda dislocación se reduce a , y la tensión de derivación para esta dislocación debería ser , que es mayor que para la primera. Sin embargo, a medida que aumenta el radio de la partícula, aumentará para mantener la misma fracción en volumen de precipitados, aumentará y disminuirá. Como resultado, el material se debilitará a medida que aumente el tamaño del precipitado. ${\displaystyle \phi _{c}=0}$ ${\displaystyle (L-2r)}$ ${\displaystyle \tau _{b}=Gb/(L-2r)}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle (L-2r')}$ ${\displaystyle r'>r}$ ${\displaystyle \tau _{b}'=Gb/(L-2r')}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle (L-2r)}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$

Para una fracción de volumen de partículas fija, disminuye al aumentar r, ya que esto va acompañado de un aumento en el espaciamiento de las partículas. ${\displaystyle \tau _{b}}$

Por otro lado, al aumentar aumenta el nivel de tensión debido a una separación más fina entre las partículas. El nivel de no se ve afectado por la fuerza de las partículas. Es decir, una vez que una partícula es lo suficientemente fuerte como para resistir el corte, cualquier aumento adicional en su resistencia a la penetración de la dislocación no tiene ningún efecto sobre , que depende sólo de las propiedades de la matriz y del espaciamiento efectivo de las partículas. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$

Si las partículas de A de fracción en volumen se dispersan en una matriz, las partículas se cortan y se desvían para , la resistencia máxima se obtiene en , donde las tensiones de corte y de curvatura son iguales. Si están presentes partículas inherentemente más duras de B de la misma fracción de volumen, el nivel de la curva aumenta pero el de una no. El endurecimiento máximo, mayor que el de las partículas A, se encuentra en . Aumentar la fracción de volumen de A eleva el nivel de ambos y aumenta la resistencia máxima obtenida. Este último se encuentra en , que puede ser menor o mayor que dependiendo de la forma de la curva. ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle r<r_{c1}}$ ${\displaystyle r>r_{c1}}$ ${\displaystyle r=r_{c1}}$ ${\displaystyle \tau _{c}}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$ ${\displaystyle r_{c2}<r_{c1}}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$ ${\displaystyle \tau _{c}}$ ${\displaystyle r_{c3}}$ ${\displaystyle r_{c1}}$ ${\displaystyle \tau -r}$

Ecuaciones gubernamentales

Hay dos tipos principales de ecuaciones para describir los dos mecanismos de endurecimiento por precipitación basados ​​en precipitados débiles y fuertes. Los precipitados débiles pueden ser cortados por las dislocaciones, mientras que los precipitados fuertes no pueden ser cortados y, por lo tanto, la dislocación debe inclinarse. Primero, es importante considerar la diferencia entre estos dos mecanismos diferentes en términos de la tensión de la línea de dislocación que generan. ^[7] La ​​ecuación de equilibrio de tensión de línea es:

${\displaystyle \tau \cong {\frac {Gb}{L'}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

¿Dónde está el radio de la dislocación bajo un cierto esfuerzo? Los obstáculos fuertes son pequeños debido a la curvatura de la dislocación. Aún así, la disminución de la fuerza del obstáculo aumentará la resistencia y debe incluirse en el cálculo. L' también es igual al espacio efectivo entre obstáculos L. Esto deja una ecuación para obstáculos fuertes: ${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle \phi _{c}}$

${\displaystyle \tau _{strong}\cong {\frac {Gb}{L}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

Considerando las partículas débiles, debería estar acercándose debido a que la línea de dislocación permanece relativamente recta a través de los obstáculos. Además, L' será: ${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle 180^{\circ }}$

${\displaystyle L'_{weak}={\frac {L}{cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}}}$

que establece la ecuación de partículas débiles:

${\displaystyle \tau _{weak}\cong {\frac {Gb}{L}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

Ahora, considere los mecanismos para cada régimen:

Dislocación que atraviesa partículas: para la mayor parte del fortalecimiento en la etapa inicial, aumenta con , donde es un parámetro de desajuste adimensional (por ejemplo, en el endurecimiento por coherencia, es el cambio fraccionario del precipitado y el parámetro de la red de la matriz), es la fracción de volumen del precipitado, es el radio del precipitado y es la magnitud del vector de Burgers . De acuerdo con esta relación, la resistencia de los materiales aumenta al aumentar el desajuste, la fracción de volumen y el tamaño de las partículas, de modo que la dislocación es más fácil de cortar a través de partículas con radios más pequeños. ${\displaystyle \epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle b}$

Para diferentes tipos de endurecimiento mediante corte, las ecuaciones que rigen son las siguientes.

Para endurecer la coherencia,

${\displaystyle \tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$,

${\displaystyle \epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}}$,

donde es el aumento del esfuerzo cortante, es el módulo de corte de la matriz y es el parámetro de red del precipitado o de la matriz. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle a_{p}}$ ${\displaystyle a_{m}}$

Para el endurecimiento del módulo,

${\displaystyle \tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$,

${\displaystyle \epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}}$,

donde y son el módulo de corte del precipitado o de la matriz. ${\displaystyle G_{p}}$ ${\displaystyle G_{m}}$

Para el fortalecimiento químico,

${\displaystyle \tau _{chem}=2G\epsilon _{ch}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$,

${\displaystyle \epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr}$,

¿Dónde está la energía superficial de la interfase partícula-matriz? ${\displaystyle \gamma _{s}}$

Corte de partículas de dislocación y arqueamiento/bucle

Para fortalecer el orden,

${\displaystyle \tau _{ord}=0.7G\epsilon _{ord}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$

(precipitación baja y en etapa temprana), donde las dislocaciones están muy separadas; ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}=0.7G\left(\epsilon _{ord}^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}-0.7\epsilon _{ord}f\right)}$

(precipitaciones altas y tempranas), donde las dislocaciones no están muy separadas; , donde es la energía de límite antifase. ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$ ${\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}}$ ${\displaystyle APBE_{s}}$

Dislocaciones que se curvan alrededor de las partículas: cuando el precipitado es lo suficientemente fuerte como para resistir la penetración de las dislocaciones, las dislocaciones se curvan y la tensión máxima viene dada por la ecuación de Orowan. La curvatura por dislocación, también llamada fortalecimiento de Orowan, ^[8] es más probable que ocurra cuando la densidad de partículas en el material es menor.

${\displaystyle \tau ={\frac {Gb}{L-2r}}\,\!}$

donde es la resistencia del material, es el módulo de corte, es la magnitud del vector de Burgers, es la distancia entre los puntos de fijación y es el radio de la partícula de la segunda fase. Esta ecuación gobernante muestra que para la dislocación inclinada, la fuerza es inversamente proporcional al radio de la partícula de la segunda fase , porque cuando la fracción de volumen del precipitado es fija, el espacio entre las partículas aumenta al mismo tiempo que el radio de la partícula , por lo tanto aumenta con . ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle L-2r}$ ${\displaystyle r}$

Estas ecuaciones rectoras muestran que el mecanismo de endurecimiento por precipitación depende del tamaño de las partículas del precipitado. En los pequeños , dominará el corte, mientras que en los grandes , dominará la inclinación. ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r}$

Al observar la gráfica de ambas ecuaciones, queda claro que existe un radio crítico en el que se produce el fortalecimiento máximo. Este radio crítico suele ser de 5 a 30 nm.

El modelo de fortalecimiento de Orowan anterior ignora los cambios en las dislocaciones debido a la flexión. Si se tiene en cuenta la curvatura y se supone la condición de inestabilidad en el mecanismo de Frank-Read, la tensión crítica para las dislocaciones que se curvan entre segmentos de fijación se puede describir como: ^[9]

${\displaystyle \tau _{c}=A(\theta ){\frac {Gb}{2\pi L^{'}}}ln\left({\frac {L^{'}}{r}}\right)}$

donde es una función de , es el ángulo entre la línea de dislocación y el vector de Burgers, es la separación efectiva de partículas, es el vector de Burgers y es el radio de la partícula. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle L^{'}}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle r}$

Otras Consideraciones

Control del tamaño de grano

Los precipitados en un material policristalino pueden actuar como refinadores de granos si están nucleados o ubicados cerca de los límites de los granos, donde fijan los límites de los granos a medida que una aleación se solidifica y no permiten una microestructura gruesa. Esto es útil, ya que las microestructuras más finas a menudo superan (propiedades mecánicas) a las más gruesas a temperatura ambiente. Últimamente se están estudiando los nanoprecipitados en condiciones de fluencia. Estos precipitados también pueden fijar el límite del grano a temperaturas más altas, actuando esencialmente como "fricción". Otro efecto útil puede ser impedir el deslizamiento de los límites de los granos en condiciones de fluencia por difusión con precipitados muy finos y si los precipitados están homogéneamente dispersos en la matriz, entonces estos mismos precipitados en los granos podrían interactuar con dislocaciones en condiciones de fluencia por dislocación por fluencia. ^[10]

Precipitados secundarios

En determinadas condiciones de envejecimiento que antes no existían, se pueden formar diferentes precipitados, dependiendo de su composición elemental. Pueden surgir precipitados secundarios al eliminar solutos de los estados de solución sólida de la matriz. El control de esto se puede aprovechar para controlar la microestructura e influir en las propiedades. ^[11]

Descubrimiento computacional de nuevas aleaciones.

Si bien se han hecho esfuerzos significativos para desarrollar nuevas aleaciones, implementar los resultados experimentales requiere tiempo y dinero. Una posible alternativa es realizar simulaciones con la teoría funcional de la densidad , que puede aprovechar, en el contexto del endurecimiento por precipitación, la estructura cristalina de los precipitados y de la matriz y permitir la exploración de muchas más alternativas que con experimentos en la forma tradicional.

Una estrategia para realizar estas simulaciones es centrarse en las estructuras ordenadas que se pueden encontrar en muchas aleaciones metálicas, como las estructuras ordenadas de apilamiento de período largo (LPSO) que se han observado en numerosos sistemas. ^{[12] [13] [14]} La estructura LPSO es una configuración de capas empaquetadas largas a lo largo de un eje con algunas capas enriquecidas con elementos precipitados. Esto permite explotar la simetría de las supercélulas y se adapta bien a los métodos DFT actualmente disponibles. ^[15]

De esta manera, algunos investigadores han desarrollado estrategias para filtrar los posibles precipitados de fortalecimiento que permitan disminuir el peso de algunas aleaciones metálicas. ^[16] Por ejemplo, las aleaciones de Mg han despertado un interés progresivo para sustituir al aluminio y al acero en la industria automovilística porque es uno de los metales estructurales más ligeros. Sin embargo, las aleaciones de Mg muestran problemas de baja resistencia y ductilidad que han limitado su uso. Para superar esto, se ha utilizado la técnica de endurecimiento por precipitación, mediante la adición de elementos de tierras raras, para mejorar la resistencia y la ductilidad de la aleación. Específicamente, se encontró que las estructuras LPSO son responsables de estos incrementos, generando una aleación de Mg que exhibió un alto límite elástico: 610 MPa al 5% de alargamiento a temperatura ambiente. ^[17]

De esta manera, algunos investigadores han desarrollado estrategias para buscar alternativas más económicas que los Elementos Raros (RE) y se simuló un sistema ternario con Mg-Xl-Xs, donde Xl y Xs corresponden a átomos más grandes y más cortos que el Mg, respectivamente. En este estudio, se confirmaron más de 85 estructuras LPSO de Mg-Re-Xs, lo que muestra la capacidad de DFT para predecir estructuras ternarias LPSO conocidas. Luego exploraron los 11 elementos no RE Xl y encontraron que 4 de ellos son termodinámicamente estables. Uno de ellos es el sistema Mg-Ca-Zn que se predice que formará una estructura LPSO. ^[18]

Siguiendo las predicciones anteriores de DFT, otros investigadores hicieron experimentos con el sistema Mg-Zn-Y-Mn-Ca y descubrieron que con una adición de Ca del 0,34%, las propiedades mecánicas del sistema mejoraban debido a la formación de estructuras LPSO, logrando " un buen equilibrio entre resistencia y ductilidad”. ^[19]

Ejemplos de materiales endurecibles por precipitación.

• Aleaciones de aluminio de la serie 2000 (ejemplos importantes: 2024 y 2019, también aleación Y e Hiduminium )
• Aleaciones de aluminio de la serie 6000 (ejemplo importante: 6061 para cuadros de bicicletas y estructuras aeronáuticas)
• Aleaciones de aluminio de la serie 7000 (ejemplos importantes: 7075 y 7475)
• Acero inoxidable 17-4 ( UNS S17400)
• Acero martensítico
• Inconel 718
• Aleación X-750
• René 41
• Waspaloy
• Morera (aleación de uranio)
• Acero con poco carbono NAK55

Ver también

• Alfredo Wilm
• Resistencia de materiales
• Mecanismos de refuerzo de materiales.
• Metalurgia
• superaleación

Referencias

1. WD Callister. Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales , 2ª ed. Wiley e hijos. págs.252.
2. Glerum, Jennifer; Kenel, Christoph; Sol, Tao; Dunand, David (2020). "Síntesis de aleaciones Al-Sc, Al-Zr y Al-Sc-Zr reforzadas por precipitación mediante fusión láser selectiva de mezclas de polvos elementales". Fabricación aditiva . 36 : 101461. doi : 10.1016/j.addma.2020.101461 . S2CID  225632137.
3. Aboulkhair, Nuevo Testamento; Tuck, C.; Ashcroft, I.; et al. (2015). ". Sobre el endurecimiento por precipitación de AlSi10Mg fundido con láser selectivo". Metall Mater Trans A. 46 (8): 3337–3341. Código Bib : 2015MMTA...46.3337A. doi :10.1007/s11661-015-2980-7. S2CID  53535935.
4. Thosmas H. Courtney. Comportamiento mecánico de materiales , 2ª ed. Waveland Press, Inc. págs. 198-205.
5. Pequeño, RE (2014). Metalurgia física moderna (8ª ed.).
6. Gladman, T. (1 de enero de 1999). "Endurecimiento por precipitación en metales". Ciencia y Tecnología de Materiales . 15 (1): 30–36. doi :10.1179/026708399773002782 – vía Taylor y Francis+NEJM.
7. Courtney, Thomas (200). Comportamiento mecánico de materiales . McGraw-Hill.
8. Orowan inclinándose Archivado el 28 de septiembre de 2011 en la Wayback Machine.
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Otras lecturas

• Manual de metales ASM vol 4 tratamiento térmico

enlaces externos

• Proyecto aluMateria