En metalurgia , el fortalecimiento con 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 falta de 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 de sustitución o una solución sólida intersticial. [2] En ambos casos, los átomos se visualizan como esferas rígidas donde la estructura cristalina general permanece esencialmente sin cambios. El fundamento de la geometría cristalina para la predicción de la solubilidad atómica se resume en las reglas de Hume-Rothery y las reglas de Pauling .
El fortalecimiento sustitucional de una solución sólida ocurre cuando el átomo de soluto es lo suficientemente grande como para poder reemplazar los átomos del solvente en sus posiciones en la red. Algunos elementos de aleación sólo son solubles en pequeñas cantidades, mientras que algunos pares de disolvente y soluto forman una solución en todo el rango de composiciones binarias. Generalmente, se observa una mayor solubilidad cuando los átomos del disolvente y del 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 los sistemas binarios cúbicos centrados en las caras (FCC) de Cu-Ni y 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 (radios de hasta el 57% de los radios de los átomos originales) [2] para caber en los sitios intersticiales entre los átomos del disolvente. Los átomos se apiñan en los sitios intersticiales, lo que hace que los enlaces de los átomos del disolvente se compriman y, por tanto, se deformen (este razonamiento se puede explicar con las reglas de Pauling ). Los elementos comúnmente utilizados 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 dependiendo de su carácter. Cuando se introducen átomos de soluto, se forman campos de tensiones locales que interactúan con los de las dislocaciones, impidiendo su movimiento y provocando un aumento en el límite elástico del material, lo que significa un aumento en la resistencia del material. Esta ganancia es el resultado tanto de la distorsión reticular 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 sus proximidades. Esto se conoce como efecto tamaño. Al aliviar la tensión de tracción o compresión en la red, el desajuste del tamaño del soluto puede poner la dislocación en un estado de menor energía. En soluciones sólidas de sustitución, estos campos de tensión son esféricamente simétricos, lo que significa que no tienen componente de tensión cortante. Como tal, los átomos de soluto sustitucionales no interactúan con los campos de tensión cortante 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 encuentra 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 reducción de la energía de dislocación debido al volumen comprimido que se encuentra encima del núcleo de dislocación. Si el átomo de soluto estuviera colocado debajo del plano de deslizamiento, el soluto repelería la dislocación. 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 de atracción. Esto también es válido para átomos de soluto con un tamaño mayor que el átomo de disolvente. Por tanto, la energía de interacción dictada por el efecto del tamaño es generalmente negativa. [3]
El módulo de elasticidad del átomo de soluto también puede determinar el grado de fortalecimiento. Para un soluto "blando" con un módulo elástico menor que el del disolvente, la energía de interacción debido al desajuste del módulo ( módulo U ) es negativa, lo que refuerza la energía de interacción del tamaño ( tamaño U ). Por el contrario, el módulo U es positivo para un soluto "duro", lo que da como resultado una energía de interacción total menor que la de un átomo blando. Aunque la fuerza de interacción es negativa (atractiva) en ambos casos cuando la dislocación se acerca 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 de tamaño y 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 influir. Para los sólidos iónicos donde la interacción electrostática dicta la fuerza de la unión, 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 cargados de la matriz que componen una dislocación. Sin embargo, este fortalecimiento es menor 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 falla de apilamiento, lo que provoca la repulsión de las dislocaciones parciales , lo que fortalece el material. [3]
La carburación superficial, o endurecimiento por cementación , es un ejemplo de fortalecimiento con solución sólida en el que la densidad de los átomos de carbono del soluto aumenta 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 coste para el componente. [4]
El fortalecimiento de la solución sólida aumenta el límite elástico del material al aumentar el esfuerzo cortante, para mover las dislocaciones: [1] [2]
donde c es la concentración de los átomos del soluto, G es el módulo de corte , b es la magnitud del vector de Burger y es la deformación de la red debida al soluto. Esto se compone de dos términos, uno que describe la distorsión de la red y el otro cambio de módulo local.
Aquí, el término que captura el cambio de módulo local, una constante que depende de los átomos del soluto, es el término de distorsión de la red.
El término de distorsión de la red 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 módulo de corte más alto, aumentando así el módulo de corte local en el material. Además, se deben alear elementos con diferentes constantes reticulares de equilibrio. Cuanto mayor es la diferencia en el parámetro de la red, mayores son los campos de tensión locales introducidos por la aleación. La aleación con elementos de módulo de corte más alto o de parámetros de red muy diferentes aumentará la rigidez e introducirá campos de tensión locales, respectivamente. En cualquier caso, la propagación de la dislocación se verá obstaculizada en estos sitios, impidiendo la plasticidad y aumentando el límite elástico proporcionalmente con 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 provisto en la forma de: [2]
donde es el 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 refuerzo de solución sólida que se puede lograr con un material determinado.
Un ejemplo de aleaciones de aluminio donde el fortalecimiento de una solución sólida se produce agregando magnesio y manganeso a la matriz de aluminio. Comercialmente se puede agregar 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 conformabilidad y resistencia a la corrosión apreciables . [6]
Muchas superaleaciones a base de níquel dependen de una 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]
El acero inoxidable es uno de los metales más utilizados en muchas industrias. El fortalecimiento del acero con 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. [9] Se utiliza principalmente para utensilios de cocina, equipos de cocina y en aplicaciones marinas por sus buenas propiedades de corrosión en ambientes 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 refuerzo con solución sólida es Ti-6Al-4V. Además, la adición de oxígeno a la aleación de Ti pura adopta una solución sólida que fortalece el material como mecanismo, mientras que agregarlo a la aleación Ti-6Al-4V no tiene la misma influencia. [10]
El bronce y el latón son aleaciones de cobre reforzadas con soluciones sólidas. El bronce es el resultado de agregar aproximadamente un 12% de estaño al cobre, mientras que el latón es el resultado de agregar aproximadamente un 34% de zinc al cobre. Ambas aleaciones se utilizan en la producción de monedas, herrajes para barcos y arte.
