En la ciencia de los materiales , la anomalía de la resistencia a la fluencia se refiere a los materiales en los que la resistencia a la fluencia (es decir, la tensión necesaria para iniciar la fluencia plástica) aumenta con la temperatura. [1] [2] [3] Para la mayoría de los materiales, la resistencia a la fluencia disminuye con el aumento de la temperatura. En los metales, esta disminución de la resistencia a la fluencia se debe a la activación térmica del movimiento de dislocación , lo que da como resultado una deformación plástica más fácil a temperaturas más altas. [4]
En algunos casos, una anomalía de la resistencia a la fluencia se refiere a una disminución de la ductilidad de un material con el aumento de la 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 la resistencia a la fluencia puede verse oscurecido por su disminución típica con la temperatura. [5] Junto con las anomalías de la resistencia a la fluencia o la 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 del límite elástico en un rango de temperaturas 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 incluso más altas, el límite elástico disminuye y, finalmente, cae a cero cuando se alcanza la temperatura de fusión , donde el material sólido se transforma en líquido . Para los intermetálicos ordenados , la temperatura del pico del límite elástico es aproximadamente el 50% de la temperatura de fusión absoluta . [8]
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 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 tornillo de los planos cristalográficos (111) a (010) . [10] Este deslizamiento cruzado se activa térmicamente y las dislocaciones de tornillo son mucho menos móviles en los planos (010), por lo que el material se fortalece a medida que aumentan las temperaturas y hay más dislocaciones de tornillo en el plano (010). Se ha propuesto un mecanismo similar para algunas aleaciones B2 que tienen anomalías de resistencia al límite elástico ( por ejemplo, CuZn, FeCo, NiTi, CoHf, CoTi, CoZr). [8]
El mecanismo de anomalía de límite elástico en las superaleaciones a base de Ni es similar. [11] En estas aleaciones, las superdislocaciones de tornillo experimentan un deslizamiento cruzado activado térmicamente sobre 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, con el aumento de la temperatura, se produce más deslizamiento cruzado, por lo que el movimiento de las dislocaciones se ve más obstaculizado y el límite elástico aumenta.
En las superaleaciones reforzadas con carburos metálicos , las partículas de carburo cada vez más grandes se forman preferentemente en los límites de grano, lo que evita el deslizamiento de los límites de grano a altas temperaturas. Esto conduce a un aumento de la resistencia a la fluencia y, por lo tanto, a una anomalía de la resistencia a la fluencia. [5]
Si bien el FeAl es una aleación B2 , la anomalía de la resistencia a la fluencia observada en el FeAl se debe a otro mecanismo. Si el mecanismo fuera el deslizamiento cruzado, entonces la anomalía de la resistencia a la fluencia dependería de la velocidad, como se espera para un proceso activado térmicamente. En cambio, la anomalía de la resistencia a la fluencia depende del estado, que es una propiedad que depende del estado del material. Como resultado, el fortalecimiento activado por vacantes es el mecanismo más ampliamente aceptado. [12] La energía de formación de vacantes es baja para el FeAl, lo que permite una concentración inusualmente alta de vacantes en el FeAl a altas temperaturas (2,5 % a 1000 °C para Fe-50Al). La vacante formada en FeAl rico en aluminio o mediante calentamiento es una vacante de aluminio. [13]
A bajas temperaturas alrededor de 300K, la resistencia a la fluencia disminuye o no cambia con la temperatura. A temperaturas moderadas (0,35-0,45 T m ), se ha observado que la resistencia a la fluencia aumenta con una mayor concentración de vacantes, lo que proporciona más evidencia de un mecanismo de fortalecimiento impulsado por vacantes. [13] [8] Se cree que el aumento de la resistencia a la fluencia a partir de una mayor concentración de vacantes es el resultado de que las dislocaciones quedan fijadas por vacantes en el plano de deslizamiento, lo que hace que las dislocaciones se arqueen. Luego, por encima de la temperatura de tensión máxima, 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 las dislocaciones, sino que ayudan a subir . En el modelo de fortalecimiento por vacantes, la mayor resistencia por debajo de la temperatura de tensión máxima se aproxima como proporcional a la concentración de vacantes a la mitad, estimándose la concentración de vacantes utilizando las estadísticas de Maxwell-Boltzmann . Por lo tanto, la resistencia se puede estimar como , siendo la energía de formación de vacantes y T la temperatura absoluta. Por encima de la temperatura de tensión máxima, se puede utilizar un mecanismo de deformación asistida por difusión para describir la resistencia, ya que las vacantes ahora son móviles y ayudan al movimiento de dislocación. Por encima del pico, la resistencia a la fluencia depende de la velocidad de deformación y, por lo tanto, la resistencia a la fluencia máxima depende de la velocidad. Como resultado, la temperatura de tensión máxima aumenta con una mayor velocidad de deformación. Tenga en cuenta que esto es diferente de la anomalía de la resistencia a la fluencia, que es la resistencia a la fluencia por debajo del pico, que depende de la velocidad. La resistencia a la fluencia máxima también depende del porcentaje de aluminio en la aleación FeAl. A medida que aumenta el porcentaje de aluminio, la resistencia a la fluencia máxima se produce a temperaturas más bajas. [8]
La anomalía de la resistencia a la fluencia en aleaciones de FeAl puede ocultarse si no se minimizan las vacantes térmicas mediante un recocido lento a una temperatura relativamente baja (~400 °C durante ~5 días). [14] Además, la anomalía de la resistencia a la fluencia no está presente en sistemas que utilizan una tasa de deformación muy baja, ya que la resistencia a la fluencia máxima depende de la tasa de deformación y, por lo tanto, se produciría a temperaturas demasiado bajas para observar la anomalía de la resistencia a la fluencia. Además, dado que la formación de vacantes requiere tiempo, la magnitud de la resistencia a la fluencia máxima depende de cuánto tiempo se mantiene el material a la temperatura de tensión máxima. Además, se ha descubierto que la resistencia a la fluencia máxima no depende de la orientación del cristal. [8]
Se han propuesto otros mecanismos, incluido un mecanismo de deslizamiento cruzado similar al de L1 2 , descomposición de dislocaciones en segmentos menos móviles en los quiebros, fijación de dislocaciones, mecanismo de bloqueo de ascenso y transición del vector de deslizamiento. La transición del vector de deslizamiento de <111> a <100>. En la temperatura de tensión máxima, 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 por vacantes con la descomposición de dislocaciones. Se ha demostrado que FeAl con la adición de un aditivo terciario como Mn también exhibe la anomalía del límite elástico. Sin embargo, a diferencia de FeAl, la resistencia máxima al límite elástico o la temperatura máxima de tensión de Fe 2 MnAl no dependen de la velocidad de deformación y, por lo tanto, pueden no seguir el mecanismo de fortalecimiento activado por vacantes. En cambio, se ha propuesto un mecanismo de fortalecimiento de orden. [8]
La anomalía de la resistencia a la fluencia se aprovecha en el diseño de turbinas de gas y motores a reacción que funcionan a altas temperaturas, donde los materiales utilizados se seleccionan en función de su resistencia a la fluencia y al rendimiento . 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 . [16]
Los materiales con anomalías de límite elástico se utilizan en reactores nucleares debido a sus propiedades mecánicas de alta temperatura y buena resistencia a la corrosión . [5]
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