En metalurgia , el fortalecimiento por solución sólida es un tipo de aleación que se puede utilizar para mejorar la resistencia de un metal puro . [1] La técnica funciona añadiendo átomos de un elemento (el elemento de aleación) a la red cristalina de otro elemento (el metal base), formando una solución sólida . La no uniformidad local en la red debido al elemento de aleación hace que la deformación plástica sea más difícil al impedir el movimiento de dislocación a través de campos de tensión . Por el contrario, la aleación más allá del límite de solubilidad puede formar una segunda fase , lo que lleva al fortalecimiento a través de otros mecanismos (por ejemplo, la precipitación de compuestos intermetálicos ).
Dependiendo del tamaño del elemento de aleación, se puede formar una solución sólida sustitutiva o una solución sólida intersticial. [2] En ambos casos, los átomos se visualizan como esferas rígidas donde la estructura cristalina general permanece esencialmente inalterada. La lógica de la geometría cristalina para la predicción de la solubilidad de los átomos se resume en las reglas de Hume-Rothery y las reglas de Pauling .
El fortalecimiento de la solución sólida por sustitución ocurre cuando el átomo de soluto es lo suficientemente grande como para reemplazar a los átomos de solvente en sus posiciones reticulares. Algunos elementos de aleación solo son solubles en pequeñas cantidades, mientras que algunos pares de solvente y soluto forman una solución en todo el rango de composiciones binarias. Generalmente, se observa una mayor solubilidad cuando los átomos de solvente y soluto son similares en tamaño atómico (15% según las reglas de Hume-Rothery ) y adoptan la misma estructura cristalina en su forma pura. Ejemplos de sistemas binarios completamente miscibles son Cu-Ni y los sistemas binarios cúbicos centrados en las caras (FCC) de Ag-Au , y el sistema binario cúbico centrado en el cuerpo (BCC) de Mo-W .
Las soluciones sólidas intersticiales se forman cuando el átomo de soluto es lo suficientemente pequeño (radio de hasta el 57% del radio de los átomos originales) [2] como para caber en los sitios intersticiales entre los átomos del solvente. Los átomos se agolpan en los sitios intersticiales, lo que hace que los enlaces de los átomos del solvente se compriman y, por lo tanto, se deformen (este razonamiento se puede explicar con las reglas de Pauling ). Los elementos que se utilizan comúnmente para formar soluciones sólidas intersticiales incluyen H, Li, Na, N, C y O. El carbono en el hierro (acero) es un ejemplo de solución sólida intersticial.
La resistencia de un material depende de la facilidad con la que se puedan propagar las dislocaciones en su red cristalina. Estas dislocaciones crean campos de tensión dentro del material según su carácter. Cuando se introducen átomos de soluto, se forman campos de tensión locales que interactúan con los de las dislocaciones, impidiendo su movimiento y provocando un aumento de la tensión de fluencia del material, lo que significa un aumento de la resistencia del material. Esta ganancia es resultado tanto de la distorsión de la red como del efecto del módulo.
Cuando los átomos de soluto y disolvente difieren en tamaño, se crean campos de tensión locales que pueden atraer o repeler dislocaciones en su vecindad. Esto se conoce como el efecto del tamaño. Al aliviar la tensión de tracción o compresión en la red, el desajuste de tamaño del soluto puede poner la dislocación en un estado de energía más bajo. En soluciones sólidas sustitucionales, estos campos de tensión son esféricamente simétricos, lo que significa que no tienen un componente de tensión de corte. Como tal, los átomos de soluto sustitucionales no interactúan con los campos de tensión de corte característicos de las dislocaciones de tornillo. Por el contrario, en soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto causan una distorsión tetragonal, generando un campo de corte que puede interactuar con dislocaciones de borde, de tornillo y mixtas. La atracción o repulsión de la dislocación hacia el átomo de soluto depende de si el átomo se encuentra por encima o por debajo del plano de deslizamiento. Por ejemplo, considere una dislocación de borde que se encuentra con un átomo de soluto más pequeño por encima de su plano de deslizamiento. En este caso, la energía de interacción es negativa, lo que resulta en la atracción de la dislocación hacia el soluto. Esto se debe a la energía de dislocación reducida por el volumen comprimido que se encuentra sobre el núcleo de la dislocación. Si el átomo de soluto se ubicara debajo del plano de deslizamiento, la dislocación sería repelida por el soluto. Sin embargo, la energía de interacción general entre una dislocación de borde y un soluto más pequeño es negativa porque la dislocación pasa más tiempo en sitios con energía atractiva. Esto también es cierto para los átomos de soluto con un tamaño mayor que el átomo de solvente. Por lo tanto, la energía de interacción dictada por el efecto del tamaño es generalmente negativa. [3]
El módulo elástico del átomo de soluto también puede determinar el grado de fortalecimiento. Para un soluto “blando” con un módulo elástico menor que el del solvente, la energía de interacción debido al desajuste del módulo ( módulo U ) es negativa, lo que refuerza la energía de interacción de tamaño ( tamaño U ). Por el contrario, el módulo U es positivo para un soluto “duro”, lo que resulta en una energía de interacción total menor que un átomo blando. Aunque la fuerza de interacción es negativa (atractiva) en ambos casos cuando la dislocación se aproxima al soluto. La fuerza máxima ( Fmax ) necesaria para arrancar la dislocación del estado de energía más bajo (es decir, el átomo de soluto) es mayor para el soluto blando que para el duro. Como resultado, un soluto blando fortalecerá un cristal más que un soluto duro debido al fortalecimiento sinérgico al combinar los efectos del tamaño y del módulo. [3]
Los efectos de interacción elástica (es decir, efectos de tamaño y módulo) dominan el fortalecimiento de la solución sólida para la mayoría de los materiales cristalinos. Sin embargo, otros efectos, incluidos los efectos de carga y falla de apilamiento, también pueden desempeñar un papel. Para los sólidos iónicos donde la interacción electrostática dicta la fuerza del enlace, el efecto de carga también es importante. Por ejemplo, la adición de un ion divalente a un material monovalente puede fortalecer la interacción electrostática entre el soluto y los átomos de la matriz cargados que comprenden una dislocación. Sin embargo, este fortalecimiento es en menor medida que los efectos de fortalecimiento elástico. Para materiales que contienen una mayor densidad de fallas de apilamiento , los átomos de soluto pueden interactuar con las fallas de apilamiento de forma atractiva o repulsiva. Esto reduce la energía de la falla de apilamiento, lo que lleva a la repulsión de las dislocaciones parciales , lo que hace que el material sea más fuerte. [3]
La carburación superficial, o endurecimiento superficial , es un ejemplo de fortalecimiento por solución sólida en el que se aumenta la densidad de átomos de carbono del soluto cerca de la superficie del acero, lo que da como resultado un gradiente de átomos de carbono en todo el material. Esto proporciona propiedades mecánicas superiores a la superficie del acero sin tener que utilizar un material de mayor costo para el componente. [4]
El fortalecimiento con solución sólida aumenta la resistencia al rendimiento del material al aumentar la tensión cortante, para mover las dislocaciones: [1] [2]
donde c es la concentración de átomos de soluto, G es el módulo de corte , b es la magnitud del vector de Burger y es la deformación reticular debida al soluto. Está compuesta por dos términos, uno que describe la distorsión reticular y el otro el cambio de módulo local.
Aquí, el término que captura el cambio del módulo local, una constante que depende de los átomos de soluto, es el término de distorsión reticular.
El término de distorsión reticular se puede describir como:
, donde a es el parámetro reticular del material.
Mientras tanto, el cambio del módulo local se captura en la siguiente expresión:
, donde G es el módulo de corte del material soluto.
Para lograr un fortalecimiento notable del material mediante el fortalecimiento de la solución, se debe alear con solutos de mayor módulo de corte, aumentando así el módulo de corte local en el material. Además, se debe alear con elementos de diferentes constantes de red de equilibrio. Cuanto mayor sea la diferencia en el parámetro de red, mayores serán los campos de tensión local introducidos por la aleación. La aleación con elementos de mayor módulo de corte o de parámetros de red muy diferentes aumentará la rigidez e introducirá campos de tensión local respectivamente. En cualquier caso, la propagación de dislocaciones se verá obstaculizada en estos sitios, lo que impedirá la plasticidad y aumentará la resistencia a la fluencia proporcionalmente a la concentración de soluto.
El fortalecimiento de la solución sólida depende de:
Para muchas aleaciones comunes, se pueden encontrar ajustes experimentales aproximados para la adición de refuerzo proporcionado en la forma de: [2]
donde es un coeficiente de fortalecimiento de la solución sólida y es la concentración de soluto en fracciones atómicas.
Sin embargo, no se debe añadir tanto soluto como para precipitar una nueva fase. Esto ocurre si la concentración del soluto alcanza un cierto punto crítico dado por el diagrama de fases del sistema binario. Por lo tanto, esta concentración crítica pone un límite a la cantidad de solidificación de la solución sólida que se puede lograr con un material determinado.
Un ejemplo de aleaciones de aluminio en las que el fortalecimiento por solución sólida se produce añadiendo magnesio y manganeso a la matriz de aluminio. En el mercado, se puede añadir Mn a la serie AA3xxx y Mg a la serie AA5xxx. [5] La adición de Mn a las aleaciones de aluminio ayuda a la recristalización y recuperación de la aleación, lo que también influye en el tamaño del grano . [5] Ambos sistemas se utilizan en aplicaciones de resistencia baja a media, con una formabilidad y resistencia a la corrosión apreciables . [6]
Muchas superaleaciones a base de níquel dependen de la solución sólida como mecanismo de fortalecimiento. El ejemplo más popular es la familia Inconel, donde muchas de estas aleaciones contienen cromo y hierro y algunas otras adiciones de cobalto, molibdeno, niobio y titanio. [7] Las superaleaciones a base de níquel son bien conocidas por su uso intensivo en el campo industrial, especialmente en la industria aeronáutica y aeroespacial, debido a sus propiedades mecánicas y de corrosión superiores a altas temperaturas. [8]
Un ejemplo del uso de las superaleaciones a base de níquel en el campo industrial serían las palas de turbinas. En la práctica, esta aleación se conoce como MAR-M200 y está reforzada por solución sólida con cromo, tungsteno y cobalto en la matriz y también está endurecida por precipitación con precipitados de carburo y boruro en los límites de grano. [9] [10] El factor clave que impacta en estas palas de turbinas radica en el tamaño de grano, cuyo aumento puede conducir a una reducción significativa en la velocidad de deformación. Un ejemplo de esta velocidad de deformación reducida en MAR-M200 se puede ver en las figuras de la derecha, donde la figura de la parte inferior tiene un tamaño de grano de 100 um y la figura de la parte superior tiene un tamaño de grano de 10 mm. [11]
Esta tasa de deformación reducida es extremadamente importante para el funcionamiento de las palas de turbinas, ya que están sometidas a un estrés mecánico significativo y a altas temperaturas que pueden provocar la aparición de deformaciones por fluencia. Por lo tanto, el control preciso del tamaño de grano en las superaleaciones a base de níquel es clave para la resistencia a la fluencia, la fiabilidad mecánica y la longevidad. Algunas formas de controlar el tamaño de grano se encuentran en las técnicas de fabricación, como la solidificación direccional y la fundición monocristalina. [12]
El acero inoxidable es uno de los metales más utilizados en muchas industrias. El fortalecimiento del acero mediante solución sólida es uno de los mecanismos utilizados para mejorar las propiedades de la aleación. Los aceros austeníticos contienen principalmente cromo, níquel, molibdeno y manganeso. [13] Se utiliza principalmente para utensilios de cocina, equipos de cocina y en aplicaciones marinas por sus buenas propiedades anticorrosivas en entornos salinos.
El titanio y las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, médicas y marítimas. La aleación de titanio más conocida que adopta el fortalecimiento por solución sólida es Ti-6Al-4V. Además, la adición de oxígeno a la aleación de Ti puro adopta un fortalecimiento por solución sólida como mecanismo para el material, mientras que agregarlo a la aleación Ti-6Al-4V no tiene la misma influencia. [14]
Tanto el bronce como el latón son aleaciones de cobre reforzadas con una solución sólida. El bronce es el resultado de añadir alrededor de un 12 % de estaño al cobre, mientras que el latón es el resultado de añadir alrededor de un 34 % de zinc al cobre. Ambas aleaciones se utilizan en la producción de monedas, en herrajes para barcos y en el arte.
