Endurecimiento (metalurgia)

El endurecimiento es un proceso metalúrgico que se utiliza para aumentar la dureza de un metal. La dureza de un metal es directamente proporcional a la tensión de fluencia uniaxial en el lugar de la deformación impuesta. Un metal más duro tendrá una mayor resistencia a la deformación plástica que un metal menos duro.

Procesos

Los cinco procesos de endurecimiento son:

El método Hall-Petch , o endurecimiento de los límites de grano, consiste en obtener granos pequeños. Los granos más pequeños aumentan la probabilidad de que las dislocaciones se topen con los límites de grano después de distancias más cortas, que son barreras de dislocación muy fuertes. En general, un tamaño de grano más pequeño hará que el material sea más duro. Sin embargo, cuando el tamaño de grano se acerca a tamaños submicrónicos, algunos materiales pueden volverse más blandos. Esto es simplemente un efecto de otro mecanismo de deformación que se vuelve más fácil, es decir, el deslizamiento de los límites de grano. En este punto, todos los mecanismos de endurecimiento relacionados con las dislocaciones se vuelven irrelevantes. ^[1]
En el endurecimiento por deformación (también conocido como endurecimiento por deformación), el material se deforma más allá de su límite elástico, por ejemplo, mediante el trabajo en frío . El metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida que se deforma físicamente. La deformación plástica genera nuevas dislocaciones. A medida que aumenta la densidad de dislocaciones, el movimiento de dislocaciones adicionales se vuelve más difícil ya que se obstaculizan entre sí, lo que significa que aumenta la dureza del material. ^[2]
En el endurecimiento por solución sólida , se añade un elemento de aleación soluble al material que se desea reforzar y juntos forman una "solución sólida". Una solución sólida puede considerarse como una solución líquida "normal", por ejemplo, sal en agua, excepto que es sólida. Dependiendo del tamaño del ion del elemento de aleación disuelto en comparación con el del metal matriz, se disuelve de forma sustitutiva (un elemento de aleación grande sustituye a un átomo en el cristal) o intersticial (un elemento de aleación pequeño ocupa un lugar entre los átomos en la red cristalina). En ambos casos, la diferencia de tamaño de los elementos extraños hace que actúen como granos de arena en el papel de lija, resistiendo las dislocaciones que intentan deslizarse, lo que da como resultado una mayor resistencia del material. En el endurecimiento por solución, el elemento de aleación no precipita de la solución.
El endurecimiento por precipitación (también llamado endurecimiento por envejecimiento ) es un proceso en el que una segunda fase que comienza en solución sólida con el metal matriz se precipita fuera de la solución con el metal a medida que se enfría, dejando partículas de esa fase distribuidas por todo el metal para causar resistencia a las dislocaciones por deslizamiento. Esto se logra calentando primero el metal a una temperatura donde los elementos que forman las partículas son solubles y luego enfriándolo, atrapándolos en una solución sólida. Si hubiera sido una solución líquida, los elementos formarían precipitados, al igual que el agua salada sobresaturada precipitaría pequeños cristales de sal, pero la difusión de átomos en un sólido es muy lenta a temperatura ambiente. Luego se requiere un segundo tratamiento térmico a una temperatura adecuada para envejecer el material. La temperatura elevada permite que los elementos disueltos se difundan mucho más rápido y formen las partículas precipitadas deseadas. El enfriamiento es necesario ya que, de lo contrario, el material comenzaría la precipitación ya durante el enfriamiento lento. Este tipo de precipitación da como resultado pocas partículas grandes en lugar de la profusión, generalmente deseada, de pequeños precipitados. El endurecimiento por precipitación es una de las técnicas más utilizadas para el endurecimiento de aleaciones metálicas.
La transformación martensítica , más comúnmente conocida como temple y revenido , es un mecanismo de endurecimiento específico del acero. El acero debe calentarse a una temperatura donde la fase de hierro cambia de ferrita a austenita, es decir, cambia la estructura cristalina de BCC ( cúbica centrada en el cuerpo ) a FCC ( cúbica centrada en las caras ). En forma austenítica, el acero puede disolver mucho más carbono. Una vez que el carbono se ha disuelto, el material se enfría. Es importante enfriar a alta velocidad para que el carbono no tenga tiempo de formar precipitados de carburos. Cuando la temperatura es lo suficientemente baja, el acero intenta volver a la estructura cristalina de baja temperatura BCC. Este cambio es muy rápido ya que no depende de la difusión y se llama transformación martensítica. Debido a la sobresaturación extrema del carbono en solución sólida, la red cristalina se convierte en BCT ( tetragonal centrada en el cuerpo ). Esta fase se llama martensita y es extremadamente dura debido a un efecto combinado de la estructura cristalina distorsionada y el fortalecimiento extremo de la solución sólida, ambos mecanismos resisten la dislocación por deslizamiento.

Todos los mecanismos de endurecimiento introducen defectos en la red cristalina que actúan como barreras para el deslizamiento por dislocación.

Aplicaciones

El endurecimiento del material es necesario para muchas aplicaciones:

Las herramientas de corte de máquinas (brocas, machos de roscar, herramientas de torno) deben ser mucho más duras que el material sobre el que operan para ser efectivas.
Hojas de cuchillos: una hoja de alta dureza mantiene un borde afilado.
Cojinetes: son necesarios para tener una superficie muy dura que soporte tensiones continuas.
Blindaje: La alta resistencia es extremadamente importante tanto para las placas a prueba de balas como para los contenedores pesados para minería y construcción.
Antifatiga: el endurecimiento superficial martensítico puede mejorar drásticamente la vida útil de los componentes mecánicos con carga/descarga repetida, como ejes y engranajes.

Referencias

^ Hansen, Niels (2 de junio de 2004). "Relación Hall–Petch y fortalecimiento de límites" (PDF) . Centro de Investigación Fundamental: Estructuras metálicas en cuatro dimensiones, Departamento de Investigación de Materiales, Laboratorio Nacional de Risø . Consultado el 1 de julio de 2024 .
^ "¿Qué es el acero endurecible por trabajo? - Titus Steel". Titus Steel . 19 de octubre de 2023 . Consultado el 1 de julio de 2024 .