La energía de falla por apilamiento (SFE) es una propiedad de los materiales a escala muy pequeña. Se expresa como γ SFE en unidades de energía por área.
Una falla de apilamiento es una interrupción de la secuencia normal de apilamiento de planos atómicos en una estructura cristalina compacta . Estas interrupciones conllevan una cierta energía de falla de apilamiento. El ancho de la falla de apilamiento es una consecuencia del equilibrio entre la fuerza repulsiva entre dos dislocaciones parciales por un lado y la fuerza de atracción debido a la tensión superficial de la falla de apilamiento por el otro lado. El ancho de equilibrio está determinado parcialmente por la energía de la falla de apilamiento. Cuando la SFE es alta, la disociación de una dislocación completa en dos parciales es energéticamente desfavorable, y el material puede deformarse ya sea por deslizamiento de dislocación o deslizamiento cruzado. Los materiales con una SFE más baja muestran fallas de apilamiento más anchas y tienen más dificultades para el deslizamiento cruzado. La SFE modifica la capacidad de una dislocación en un cristal para deslizarse sobre un plano de deslizamiento que se cruza . [1]
Una falla de apilamiento es una irregularidad en la secuencia de apilamiento planar de átomos en un cristal; en los metales FCC, la secuencia de apilamiento normal es ABCABC, etc., pero si se introduce una falla de apilamiento, puede introducir una irregularidad como ABCBCABC en la secuencia de apilamiento normal. Estas irregularidades conllevan una cierta energía que se denomina energía de falla de apilamiento.
La energía de falla de apilamiento está fuertemente influenciada por algunos factores principales, específicamente el metal base, los metales de aleación, el porcentaje de metales de aleación y la relación electrón de valencia a átomo. [10]
Desde hace tiempo se ha demostrado que la adición de elementos de aleación reduce significativamente la SFE de la mayoría de los metales. [4] El elemento y la cantidad que se añaden afectan drásticamente a la SFE de un material. Las figuras de la derecha muestran cómo la SFE del cobre disminuye con la adición de dos elementos de aleación diferentes: zinc y aluminio. En ambos casos, la SFE del latón disminuye al aumentar el contenido de aleación. Sin embargo, la SFE de la aleación Cu-Al disminuye más rápido y alcanza un mínimo más bajo.
Otro factor que tiene un efecto significativo en la SFE de un material y está muy interrelacionado con el contenido de aleación es la relación e/a, o la relación de electrones de valencia a átomos. Thornton [10] demostró esto en 1962 al trazar una gráfica de la relación e/a vs SFE para algunas aleaciones basadas en Cu. Encontró que la relación de electrones de valencia a átomos es un buen predictor de la energía de falla de apilamiento, incluso cuando se cambia el elemento de aleación. Esto respalda directamente los gráficos de la derecha. El zinc es un elemento más pesado y solo tiene dos electrones de valencia, mientras que el aluminio es más liviano y tiene tres electrones de valencia. Por lo tanto, cada porcentaje en peso de aluminio tiene un impacto mucho mayor en la SFE de la aleación basada en Cu que el zinc.
Los dos métodos principales de deformación en los metales son el deslizamiento y el maclado. El deslizamiento se produce por deslizamiento de dislocaciones de tornillos o de aristas dentro de un plano de deslizamiento. El deslizamiento es, con diferencia, el mecanismo más común. El maclado es menos común, pero se produce fácilmente en determinadas circunstancias.
El maclado se produce cuando no hay suficientes sistemas de deslizamiento para acomodar la deformación y/o cuando el material tiene un SFE muy bajo. Los maclados son abundantes en muchos metales con bajo SFE como las aleaciones de cobre, pero rara vez se ven en metales con alto SFE como el aluminio. [11] [8] [4] [9] [5]
Para poder soportar grandes deformaciones sin fracturarse, deben existir al menos cinco sistemas de deslizamiento independientes y activos. Cuando se producen deslizamientos cruzados con frecuencia y se cumplen otros criterios determinados, a veces solo se necesitan tres sistemas de deslizamiento independientes para soportar grandes deformaciones. [12] [13]
Debido a los diferentes mecanismos de deformación en materiales con alto y bajo SFE, desarrollan diferentes texturas.
Los materiales con alto SFE se deforman por deslizamiento de dislocaciones completas. Debido a que no hay fallas de apilamiento, las dislocaciones de tornillo pueden sufrir deslizamiento cruzado. Smallman descubrió que el deslizamiento cruzado ocurre bajo baja tensión para materiales con alto SFE como el aluminio (1964). Esto le da a un metal una ductilidad adicional porque con deslizamiento cruzado solo necesita otros tres sistemas de deslizamiento activos para soportar grandes deformaciones. [12] [13] Esto es cierto incluso cuando el cristal no está orientado idealmente.
Por lo tanto, los materiales con alto SFE no necesitan cambiar la orientación para adaptarse a grandes deformaciones debido al deslizamiento transversal. Se producirá cierta reorientación y desarrollo de textura a medida que los granos se muevan durante la deformación. El deslizamiento transversal extenso debido a una gran deformación también causa cierta rotación de los granos. [14] Sin embargo, esta reorientación de los granos en materiales con alto SFE es mucho menos frecuente que en materiales con bajo SFE.
Los materiales con bajo coeficiente de fricción superficial se maclan y crean dislocaciones parciales. En lugar de dislocaciones helicoidales, se forman dislocaciones parciales. Las helicoidales que existen no pueden realizar deslizamientos cruzados a través de fallas de apilamiento, incluso bajo tensiones elevadas. [14] Deben estar activos cinco o más sistemas de deslizamiento para que se produzcan grandes deformaciones debido a la ausencia de deslizamiento cruzado. Para las direcciones <111> y <100> hay seis y ocho sistemas de deslizamiento diferentes, respectivamente. Si no se aplica carga cerca de una de esas direcciones, pueden estar activos cinco sistemas de deslizamiento. En este caso, también deben estar en su lugar otros mecanismos para acomodar grandes deformaciones.
Los materiales con bajo coeficiente de fricción también se maclan cuando se someten a deformación. Si el maclado por deformación se combina con una deformación por cizallamiento regular, los granos acaban alineándose hacia una orientación más preferida. [12] [15] Cuando se alinean muchos granos diferentes, se crea una textura altamente anisotrópica.