endurecimiento

En ciencia de los materiales , el endurecimiento se refiere al proceso de hacer que un material sea más resistente a la propagación de grietas. Cuando una grieta se propaga, el trabajo irreversible asociado en diferentes clases de materiales es diferente. Por tanto, los mecanismos de endurecimiento más eficaces difieren entre las diferentes clases de materiales. La plasticidad de la punta de la grieta es importante en el endurecimiento de metales y polímeros de cadena larga. Las cerámicas tienen una plasticidad limitada en la punta de las grietas y dependen principalmente de diferentes mecanismos de endurecimiento.

Templado en metales

Para el caso de un material dúctil como un metal, esta tenacidad suele ser proporcional a la tensión y deformación de fractura, así como a la longitud calibrada de la grieta. La tenacidad a la deformación plana en un metal viene dada por: ^[1]

${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}=B\sigma _{yf}\epsilon _{fr}\rho }$

donde es la tenacidad de deformación plana, es una constante que incorpora el estado de tensión, es la tensión de flujo de tracción en la fractura, es la deformación de fractura de tracción y es el radio de la punta de la grieta. ${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \sigma _{yf}}$ ${\displaystyle \epsilon _{fr}}$ ${\displaystyle \rho }$

En un material de bajo límite elástico, la punta de la grieta se puede desafilar fácilmente y se forma un radio de punta de grieta más grande. Por lo tanto, en una aleación metálica dada, la tenacidad en una condición de baja resistencia suele ser mayor que en condiciones de mayor resistencia porque hay menos plasticidad disponible para el endurecimiento. Por lo tanto, algunas piezas estructurales críticas para la seguridad, como recipientes a presión y tuberías para estructuras neumáticas de aleación de aluminio, se fabrican en versiones de resistencia relativamente baja. ^[2] No obstante, la tenacidad debe mejorarse sin sacrificar su resistencia en el metal. Diseñar una nueva aleación o mejorar su procesamiento puede lograr este objetivo.

El diseño de una nueva aleación puede explicarse por la diferente tenacidad en varias aleaciones ferrosas. El acero martensítico al 18% tiene una mayor tenacidad que el acero martensítico AISI 4340. En una aleación AISI 4340, el carbono intersticial existe en una matriz bcc (cúbica centrada en el cuerpo). y muestran un efecto adverso sobre la tenacidad. En el acero con 18% de níquel, el contenido de carbono es menor y la martensita se fortalece mediante átomos de Ni sustitucionales. Además, los efectos de la plasticidad inducida por transformación (TRIP) en el acero pueden proporcionar tenacidad adicional. En el acero TRIP, la matriz es metaestable y puede transformarse en martensita durante la deformación. El trabajo asociado a la transformación de fases contribuye a la mejora de la tenacidad. En una aleación de vidrio monolítica Pd-Ag-P-Si-Ge, las propiedades de un módulo de volumen alto y un módulo de corte bajo conducen a la proliferación de bandas de corte. Estas bandas son autocontenidas y se mejora la dureza. ^[3]

Los metales se pueden endurecer mejorando el procesamiento. Con una alta afinidad por el oxígeno, la aleación de titanio puede absorber oxígeno fácilmente. ^[4] El oxígeno puede promover la formación de la fase α ₂ . Estas partículas α ₂ coherentes conducen a una fácil nucleación de grietas y una rápida propagación de grietas dentro de las bandas deslizantes planas. ^[5] Por lo tanto, la tenacidad de la aleación de titanio disminuye. Se puede utilizar la técnica de fusión por arco en vacío múltiple (VAR) para minimizar el contenido de oxígeno y aumentar la tenacidad de la aleación. De manera similar, el fósforo en los aceros puede disminuir drásticamente la tenacidad. El fósforo puede segregarse en los límites de los granos y provocar una fractura intergranular. ^[6] Si se mejora la desfosforización durante la fabricación del acero, el acero se endurecerá para obtener un menor contenido de fósforo. Después del procesamiento adecuado del acero, los granos cristalinos y las segundas fases que se orientan a lo largo de la dirección de laminación pueden mejorar la tenacidad de los materiales mediante la delaminación, lo que puede relajar la tensión triaxial y embotar la punta de la grieta. ^[7]

Los metales también pueden reforzarse mediante los métodos que se describen a continuación para las cerámicas, pero estos métodos generalmente tienen un impacto menor en el endurecimiento que el embotamiento de grietas inducido por la plasticidad.

Templado en cerámica

La cerámica es más frágil que la mayoría de los metales y plásticos. El trabajo irreversible asociado a la deformación plástica no se presenta en la cerámica. Por tanto, los métodos que mejoran la tenacidad de las cerámicas son diferentes a los de los metales. Existen varios mecanismos de endurecimiento llamados deflexión de grietas, endurecimiento de microfisuras, endurecimiento por transformación y puenteo de fisuras.

Mecanismos de endurecimiento comunes

Deflexión de grietas

En cerámicas policristalinas, la grieta puede propagarse de forma intergranular. El trabajo irreversible asociado por unidad de área es 2γ-γ _gb , donde γ es la energía superficial del material y γ _gb es la energía de frontera del grano. Aunque el trabajo irreversible disminuye debido a la energía de frontera de grano, el área de fractura aumenta en la propagación de grietas intergranulares. Además, la grieta de Modo II puede ser causada por la desviación del plano de fractura normal durante la propagación de la grieta intergranular, lo que mejora aún más la tenacidad de la cerámica. Como resultado, las cerámicas con fractura intergranular muestran una mayor tenacidad que aquellas con fractura transgranular. En SiC, la tenacidad a la fractura es ~2-3 si se fractura transgranularmente y la tenacidad a la fractura mejora a 10 cuando se fractura intergranularmente. ^[8] Los mecanismos de deflexión de las grietas provocan una mayor tenacidad en las cerámicas que presentan un crecimiento anormal del grano (AGG). Las microestructuras heterogéneas producidas por AGG forman materiales que pueden considerarse como "compuestos in situ" o "materiales autorreforzados". ^[9] Las deflexiones de las grietas alrededor de las partículas de la segunda fase también se han utilizado en enfoques de mecánica de fracturas para predecir aumentos de tenacidad a la fractura. ^[10] ${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$ ${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$

Endurecimiento de microfisuras

El endurecimiento por microfisuras significa que la formación de microfisuras antes de la fisura principal puede endurecer la cerámica. Las microfisuras adicionales harán que la tensión se concentre delante de la grieta principal. Esto conduce a un trabajo irreversible adicional necesario para la propagación de grietas. Además, estas microfisuras pueden provocar ramas de grietas y una grieta puede formar varias grietas. Debido a la formación de estas grietas se incrementa el trabajo irreversible. El incremento de tenacidad debido al endurecimiento por microfisuras se puede expresar mediante: ^[1] ${\displaystyle G_{C}}$

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{R}(\Delta \alpha )(\Delta T)V_{f}}$

donde es la distancia entre las microfisuras y el plano de fractura, es la tensión residual, es la diferencia del coeficiente de expansión térmica entre granos adyacentes, es la diferencia de temperatura que causa la deformación térmica y es la fracción de granos relacionada con las microfisuras en un volumen afectado. En esta ecuación, se ha supuesto que la tensión residual es dominante en la nucleación de microfisuras y que la formación de microfisuras es causada por el trabajo elástico. Para retardar la propagación de grietas, estas microfisuras deben formarse durante la propagación de grietas. El tamaño de grano debe ser menor que un tamaño de grano crítico para evitar la formación espontánea de microfisuras. La distancia entre la microfisura y el plano de fractura debe ser mayor que el tamaño del grano para que tenga un efecto endurecedor. Como lo demostró de manera más destacada Katherine Faber en 1981, el endurecimiento inducido por la incorporación de partículas de segunda fase sujetas a microcraqueo se vuelve apreciable para una distribución de tamaño estrecha de partículas de tamaño apropiado. ^[11] ${\displaystyle r_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{R}}$ ${\displaystyle \Delta \alpha }$ ${\displaystyle \Delta T}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Endurecimiento de la transformación

Esquema del endurecimiento por transformación en circonio parcialmente estabilizado.

El efecto TRIP se encuentra en la circona parcialmente estabilizada. La circona parcialmente estabilizada se compone de fase tetragonal a alta temperatura y fase monoclínica y fase cúbica a menor temperatura en equilibrio. En algunos componentes, la temperatura de inicio de la transformación de martensita monoclínica tetragonal es inferior a la temperatura ambiente. El campo de tensión cerca de la punta de la grieta desencadena la transformación martensítica a velocidades que se supone se aproximan a las del sonido en el material. ^[12] La transformación martensítica causa expansión de volumen (deformación volumétrica/dilatación) y deformaciones de corte de aproximadamente 4% y 16% respectivamente. Aplica tensión de compresión en la punta de la grieta para evitar la propagación de la grieta, así como las tracciones de cierre en la estela de la grieta. ^[13] Desde otro punto de vista, el trabajo asociado a esta transformación de fase contribuye a la mejora de la tenacidad. El incremento de tenacidad causado por el endurecimiento por transformación se puede expresar mediante: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{M}\epsilon _{M}V_{f}}$

donde es la distancia entre el límite de la región transformada con el plano de fractura, es la tensión que desencadena la transformación de martensita, es la deformación de la transformación de martensita y es la fracción de granos tetragonales que se relaciona con las microfisuras en un volumen afectado. El tamaño de partícula tetragonal debe controlarse adecuadamente. Esto se debe a que un tamaño de partícula demasiado grande conduce a una transformación espontánea y un tamaño de partícula demasiado pequeño conduce a un efecto de endurecimiento muy pequeño. ${\displaystyle r_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{M}}$ ${\displaystyle \epsilon _{M}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Puenteo de grietas

Cuando una grieta se propaga en un camino irregular, algunos granos de cada lado de la grieta principal pueden sobresalir hacia el otro lado. Esto conlleva trabajo adicional para una fractura completa. Este trabajo irreversible está relacionado con la tensión residual, que es de aproximadamente . El incremento de tenacidad se puede expresar mediante: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong {1 \over 8}\mu \sigma _{R}V_{f}d}$

donde es el coeficiente de fricción, la tensión residual, la longitud del borde del grano y la fracción de granos asociados con la formación de puentes sobre fisuras. ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \sigma _{R}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Existen otros enfoques para mejorar la tenacidad de las cerámicas mediante la formación de puentes entre grietas. El fenómeno del crecimiento anormal de grano , o AGG, se puede aprovechar para impartir una microestructura que puentee grietas dentro de un material cerámico monofásico. La presencia de granos anormalmente largos sirve para puentear las estelas de fisuras y dificulta su apertura. ^[14] Esto se ha demostrado en carburo de silicio y nitruro de silicio . Los granos anormalmente grandes también pueden servir para endurecer la cerámica mediante mecanismos de desviación de grietas. La formación de una estructura interna texturizada dentro de la cerámica se puede utilizar como método de endurecimiento. ^[15] Los materiales de carburo de silicio se han endurecido con este enfoque. ^[16] Debido a que el área de la superficie interfacial aumenta debido a la estructura interna, el trabajo de fractura irreversible aumenta en este material.

Composites esquemáticos reforzados con fibras.

Templado en composites

En los compuestos de matriz metálica (MMC), las adiciones fortalecen el metal y reducen la tenacidad del material. En los compuestos de matriz cerámica (CMC), las adiciones pueden endurecer los materiales pero no fortalecerlos. al mismo tiempo. En los compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP), las fibras de grafito pueden endurecer y fortalecer el polímero al mismo tiempo. En los compuestos de vidrio metálico (BMG) a granel, se añaden dendritas para impedir el movimiento de la banda de corte y mejorar la tenacidad. ^[17]

Si las fibras tienen una deformación de fractura mayor que la matriz, el compuesto se endurece mediante puenteo de grietas. La tenacidad de un compuesto se puede expresar: ^[1]

${\displaystyle G_{C}=V_{m}G_{m}+V_{f}G_{f}+\Delta G_{C}}$

donde y son tenacidad de la matriz y las fibras respectivamente, y son el volumen de la matriz y las fibras respectivamente, es la tenacidad adicional causada por el endurecimiento por puente. Después de que la grieta se propaga a través de la fibra, la fibra se alarga y se extrae de la matriz. Estos procesos corresponden a la deformación plástica y al trabajo de extracción y contribuyen al endurecimiento del compuesto. ${\displaystyle G_{m}}$ ${\displaystyle G_{f}}$ ${\displaystyle V_{m}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle \Delta G_{C}}$

Cuando la fibra es quebradiza, el trabajo de extracción domina el trabajo irreversible que contribuye al endurecimiento. El incremento de tenacidad causado por el trabajo de extracción se puede expresar mediante: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}={1 \over 32}{\beta ^{2}\sigma _{f}^{2}V_{f}d \over \tau }}$

donde es la relación entre la longitud despegada y la longitud crítica, es la resistencia de las fibras, es el ancho de la fibra, es la fracción de fibras y es la tensión de fricción de la interfaz. A partir de la ecuación, se puede encontrar que una mayor fracción de volumen, una mayor resistencia de la fibra y una menor tensión interfacial pueden obtener un mejor efecto de endurecimiento. ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle \tau }$

Puenteo de fisuras en fase dúctil

Cuando la fibra es dúctil, el trabajo de deformación plástica contribuye principalmente a mejorar el endurecimiento. La tenacidad adicional aportada por la deformación plástica se puede expresar mediante: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}=C\sigma _{y}\epsilon _{f}V_{f}l_{d}}$

donde es una constante entre 1,5 y 6, es la tensión de flujo de las fibras, es la deformación por fractura de las fibras, es la fracción de fibras y es la longitud de desunión. A partir de la ecuación, se puede encontrar que una mayor tensión de flujo y una longitud de separación más larga pueden mejorar el endurecimiento. Sin embargo, una mayor longitud de desunión generalmente conduce a una disminución de la tensión de flujo debido a la pérdida de restricción para la deformación plástica. ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \epsilon _{y}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle l_{d}}$

La tenacidad en un compuesto con endurecimiento en fase dúctil también se puede demostrar utilizando el factor de intensidad de tensiones, mediante superposición lineal de la matriz y puenteo de fisuras basado en soluciones de Tada. ^[18] Este modelo puede predecir el comportamiento de puentes a pequeña escala (longitud del puente << longitud de grieta) bajo condiciones de carga monótonas, pero no de puentes a gran escala. ^{[19] [20]} ${\displaystyle K_{c}}$

${\displaystyle K_{c}=K_{m}+\Delta K_{b}=K_{m}+{\sqrt {\frac {2}{\pi }}}\alpha V_{f}\int _{0}^{L}{\frac {\sigma _{y}}{\sqrt {x}}}dx}$

Varios mecanismos de endurecimiento en epoxis.

donde es la tenacidad a la fractura de la matriz, es el endurecimiento debido al puenteo de grietas, es la longitud del puente, es la distancia detrás de la punta de la grieta, es el límite elástico uniaxial y es un factor de restricción/triaxialidad. ${\displaystyle K_{m}}$ ${\displaystyle \Delta K_{b}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Templado en polímeros

Los mecanismos de endurecimiento en los polímeros son similares a los discutidos anteriormente. Sólo se utilizan varios ejemplos para explicar el endurecimiento de los polímeros. En el poliestireno de alto impacto (HIPS), la dispersión elastomérica se utiliza para mejorar la resistencia a la propagación de grietas. Cuando la grieta principal se propaga, se forman microfisuras alrededor de la dispersión elastomérica por encima o por debajo del plano de fractura. El HIPS se endurece mediante el trabajo adicional asociado con la formación de microfisuras. En los epoxis, las partículas de vidrio se utilizan para mejorar la tenacidad de los materiales. El mecanismo de endurecimiento es similar al de la deflexión de grietas. La adición de plastificantes a los polímeros también es una buena forma de mejorar su tenacidad. ^{[1] [21]}

Referencias

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