Fortalecimiento de la solución sólida

1. Definición

Un fenómeno en el que los elementos de aleación se disuelven en el metal base para provocar un cierto grado de distorsión reticular y aumentar así la resistencia de la aleación.

2. Principio

Los átomos de soluto disueltos en la solución sólida causan distorsión reticular, lo que aumenta la resistencia al movimiento de dislocación, dificulta el deslizamiento y aumenta la resistencia y dureza de la solución sólida de la aleación. Este fenómeno de fortalecimiento del metal mediante la disolución de un soluto para formar una solución sólida se denomina fortalecimiento por solución sólida. Cuando la concentración de átomos de soluto es adecuada, se puede aumentar la resistencia y dureza del material, pero se reducen su tenacidad y plasticidad.

3. Factores influyentes

Cuanto mayor sea la fracción atómica de átomos de soluto, mayor será el efecto de fortalecimiento, especialmente cuando la fracción atómica es muy baja, el efecto de fortalecimiento es más significativo.

Cuanto mayor sea la diferencia entre los átomos de soluto y el tamaño atómico del metal base, mayor será el efecto de fortalecimiento.

Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto de fortalecimiento de la solución sólida que los átomos de reemplazo, y debido a que la distorsión reticular de los átomos intersticiales en los cristales cúbicos centrados en el cuerpo es asimétrica, su efecto de fortalecimiento es mayor que el de los cristales cúbicos centrados en las caras; pero los átomos intersticiales La solubilidad sólida es muy limitada, por lo que el efecto de fortalecimiento real también es limitado.

Cuanto mayor sea la diferencia en el número de electrones de valencia entre los átomos de soluto y el metal base, más obvio será el efecto de fortalecimiento de la solución sólida, es decir, el límite elástico de la solución sólida aumenta con el aumento de la concentración de electrones de valencia.

4. El grado de fortalecimiento de la solución sólida depende principalmente de los siguientes factores

Diferencia de tamaño entre los átomos de la matriz y los del soluto. Cuanto mayor sea la diferencia de tamaño, mayor será la interferencia con la estructura cristalina original y mayor la dificultad para el deslizamiento por dislocación.

La cantidad de elementos de aleación. Cuantos más elementos de aleación se añadan, mayor será el efecto de refuerzo. Si hay demasiados átomos, ya sean demasiado grandes o demasiado pequeños, se superará la solubilidad. Esto implica otro mecanismo de refuerzo: el refuerzo en fase dispersa.

Los átomos de soluto intersticial tienen un mayor efecto de fortalecimiento de la solución sólida que los átomos de reemplazo.

Cuanto mayor sea la diferencia en el número de electrones de valencia entre los átomos del soluto y el metal base, más significativo será el efecto de fortalecimiento de la solución sólida.

5. Efecto

El límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza son mayores que los de los metales puros;

En la mayoría de los casos, la ductilidad es menor que la del metal puro;

La conductividad es mucho menor que la del metal puro;

La resistencia a la fluencia, o pérdida de resistencia a altas temperaturas, se puede mejorar mediante el refuerzo con solución sólida.

Endurecimiento laboral

1. Definición

A medida que aumenta el grado de deformación en frío, la resistencia y la dureza de los materiales metálicos aumentan, pero la plasticidad y la tenacidad disminuyen.

2. Introducción

Fenómeno en el que la resistencia y la dureza de los materiales metálicos aumentan al deformarse plásticamente por debajo de la temperatura de recristalización, mientras que la plasticidad y la tenacidad disminuyen. También conocido como endurecimiento por acritud en frío. Esto se debe a que, al deformarse plásticamente el metal, los granos cristalinos se deslizan y las dislocaciones se entrelazan, lo que provoca que los granos cristalinos se alarguen, rompan y fibrizen, generando tensiones residuales en el metal. El grado de endurecimiento por acritud se expresa generalmente como la relación entre la microdureza de la capa superficial después del procesamiento y la anterior al procesamiento, y la profundidad de la capa endurecida.

3. Interpretación desde la perspectiva de la teoría de la dislocación

(1) Se produce una intersección entre dislocaciones y los cortes resultantes obstaculizan el movimiento de las dislocaciones;

(2) Se produce una reacción entre dislocaciones y la dislocación fija formada obstaculiza el movimiento de la dislocación;

(3) Se produce la proliferación de dislocaciones y el aumento de la densidad de dislocaciones aumenta aún más la resistencia al movimiento de dislocación.

4. Daño

El endurecimiento por acritud dificulta el procesamiento posterior de las piezas metálicas. Por ejemplo, durante el laminado en frío, la placa de acero se vuelve cada vez más difícil de laminar, por lo que es necesario aplicar un recocido intermedio durante el procesamiento para eliminar el endurecimiento por acritud mediante calentamiento. Otro ejemplo es que la superficie de la pieza se vuelva frágil y dura durante el corte, acelerando así el desgaste de la herramienta y aumentando la fuerza de corte.

5. Beneficios

Puede mejorar la resistencia, dureza y resistencia al desgaste de los metales, especialmente de metales puros y ciertas aleaciones que no se pueden mejorar mediante tratamiento térmico. Por ejemplo, el alambre de acero de alta resistencia trefilado en frío y los resortes enrollados en frío, entre otros, utilizan la deformación por trabajo en frío para mejorar su resistencia y límite elástico. Otro ejemplo es el uso del endurecimiento por trabajo para mejorar la dureza y resistencia al desgaste de tanques, orugas de tractores, mandíbulas de trituradoras y desvíos ferroviarios.

6. Papel en la ingeniería mecánica

Después del estirado en frío, el laminado y el granallado (ver refuerzo de superficie) y otros procesos, la resistencia superficial de los materiales, piezas y componentes metálicos se puede mejorar significativamente;

Tras someter las piezas a tensión, la tensión local de ciertas piezas suele superar el límite elástico del material, lo que provoca deformación plástica. Debido al endurecimiento por acritud, se limita el desarrollo continuo de la deformación plástica, lo que mejora la seguridad de las piezas y componentes.

Al estampar una pieza o componente metálico, su deformación plástica se acompaña de un refuerzo, de modo que la deformación se transfiere a la parte templada sin trabajar que la rodea. Tras estas repetidas alternancias, se pueden obtener piezas estampadas en frío con una deformación transversal uniforme.

Puede mejorar el rendimiento de corte del acero bajo en carbono y facilitar la separación de las virutas. Sin embargo, el endurecimiento por acritud también dificulta el procesamiento posterior de las piezas metálicas. Por ejemplo, el alambre de acero trefilado en frío consume mucha energía para su posterior trefilado debido al endurecimiento por acritud, e incluso puede romperse. Por lo tanto, debe recocerse para eliminar el endurecimiento por acritud antes del trefilado. Otro ejemplo es que, para que la superficie de la pieza de trabajo se vuelva frágil y dura durante el corte, la fuerza de corte aumenta durante el recorte, acelerando el desgaste de la herramienta.

Fortalecimiento del grano fino

1. Definición

El método para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos mediante el refinamiento de los granos cristalinos se denomina reforzamiento por refinamiento cristalino. En la industria, la resistencia del material se mejora mediante el refinamiento de los granos cristalinos.

2. Principio

Los metales suelen ser policristales compuestos por numerosos granos cristalinos. El tamaño de los granos cristalinos se expresa por la cantidad de granos cristalinos por unidad de volumen. Cuanto mayor sea la cantidad, más finos serán los granos cristalinos. Experimentos demuestran que, a temperatura ambiente, los metales de grano fino presentan mayor resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad que los de grano grueso. Esto se debe a que los granos finos experimentan deformación plástica bajo la acción de fuerzas externas y pueden dispersarse en más granos, la deformación plástica es más uniforme y la concentración de tensiones es menor. Además, cuanto más finos sean los granos, mayor será el área del límite de grano y más tortuosos serán los límites de grano. Por lo tanto, el método para mejorar la resistencia del material refinando los granos cristalinos se denomina en la industria "reforzamiento por refinamiento de grano".

3. Efecto

Cuanto menor sea el tamaño del grano, menor será el número de dislocaciones (n) en el conjunto de dislocaciones. Según τ=nτ0, cuanto menor sea la concentración de tensiones, mayor será la resistencia del material.

La ley de fortalecimiento del grano fino establece que cuantos más límites de grano haya, más finos serán los granos. Según la relación de Hall-Peiqi, cuanto menor sea el valor promedio (d) de los granos, mayor será el límite elástico del material.

4. El método de refinamiento del grano

Aumentar el grado de subenfriamiento;

Tratamiento de deterioro;

Vibración y agitación;

Para los metales deformados en frío, los granos de cristal se pueden refinar controlando el grado de deformación y la temperatura de recocido.

Refuerzo de segunda fase

1. Definición

En comparación con las aleaciones monofásicas, las aleaciones multifásicas cuentan con una segunda fase además de la fase matriz. Cuando esta segunda fase se distribuye uniformemente en la fase matriz con partículas finamente dispersas, produce un efecto de refuerzo significativo. Este efecto de refuerzo se denomina refuerzo de segunda fase.

2. Clasificación

Para el movimiento de dislocaciones, la segunda fase contenida en la aleación tiene las dos situaciones siguientes:

(1) Refuerzo de partículas indeformables (mecanismo de bypass).

(2) Refuerzo de partículas deformables (mecanismo de corte).

Tanto el fortalecimiento por dispersión como el fortalecimiento por precipitación son casos especiales de fortalecimiento de segunda fase.

3. Efecto

La razón principal para el fortalecimiento de la segunda fase es la interacción entre ellos y la dislocación, lo que dificulta el movimiento de la dislocación y mejora la resistencia a la deformación de la aleación.

Para resumir

Los factores más importantes que afectan la resistencia son la composición, la estructura y el estado superficial del propio material; el segundo es el estado de la fuerza, como la velocidad de la fuerza, el método de carga, el estiramiento simple o la fuerza repetida, que mostrarán diferentes resistencias. Además, la geometría y el tamaño de la muestra, así como el medio de prueba, también tienen una gran influencia, a veces incluso decisiva. Por ejemplo, la resistencia a la tracción del acero de ultraalta resistencia en una atmósfera de hidrógeno puede disminuir exponencialmente.

Solo hay dos maneras de fortalecer los materiales metálicos. Una es aumentar la fuerza de enlace interatómico de la aleación, lo que aumenta su resistencia teórica y prepara un cristal completo sin defectos, como los whiskers. Se sabe que la resistencia de los whiskers de hierro se acerca al valor teórico. Esto se debe a que no presentan dislocaciones, o solo una pequeña cantidad de ellas no proliferan durante el proceso de deformación. Desafortunadamente, al aumentar el diámetro del whisker, la resistencia disminuye drásticamente. Otra forma de fortalecer el cristal consiste en introducir una gran cantidad de defectos, como dislocaciones, defectos puntuales, átomos heterogéneos, límites de grano, partículas altamente dispersas o inhomogeneidades (como la segregación), etc. Estos defectos dificultan el movimiento de las dislocaciones y, además, mejoran significativamente la resistencia del metal. Los hechos han demostrado que esta es la manera más efectiva de aumentar la resistencia de los metales. En el caso de los materiales de ingeniería, generalmente se logra un mejor rendimiento mediante un fortalecimiento integral.