Tema 12. Endurecimiento por solución sólida, por tamaño del grano

Tema 12
Endurecimiento por solución sólida, por tamaño del grano y
por dispersión.
Endurecimiento por solución sólida
El endurecimiento por solución sólida se logra al añadirle impurezas al material. Dichas
impurezas distorsionan la estructura cristalina donde se alojan debido a que tienen un
tamaño diferente al de los átomos originales.
Estructura cristalina perfecta
Una impureza más pequeña que
los átomos originales hace que
éstos tiendan a acercarse entre sí.
Una impureza más grande que los
átomos originales hace que éstos
tiendan a alejarse entre sí.
A las dislocaciones les es más difícil moverse en las cercanías de las distorsiones que
se forman en la estructura cristalina lo cual causa que la resistencia del material
aumente, es decir, el material requiere de una fuerza externa mayor para hacer que sus
dislocaciones se muevan.
La presencia de impurezas en el material también causa que las dislocaciones queden
“adheridas” a la estructura cristalina. Impurezas de tamaño pequeño tienden a
acumularse en la zona de compresión de las dislocaciones mientras que impurezas de
tamaño grande se acumulan en las zonas de tensión. Las impurezas buscan estas
zonas porque son los lugares donde menos distorsión causarán en la estructura
cristalina, haciendo que la energía guardada en el material sea menor.
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Si la dislocación intenta moverse debido a una fuerza externa aplicada, el intentar
alejarse de la impureza causará un aumento de la distorsión de la estructura cristalina.
Por esa razón, el movimiento de las dislocaciones se hace difícil, aumentando la
resistencia del material.
El grado de endurecimiento que pueda lograrse debido a la solución sólida depende de
lo siguiente:
• La diferencia de tamaño entre la impureza y los átomos originales. A mayor
diferencia de tamaño se producen mayores distorsiones, haciendo más difícil el
deslizamiento de las dislocaciones.
• La cantidad de impurezas que se añadan.
Cuando a un metal puro le añadimos una impureza, decimos que estamos aleando al
metal. Las aleaciones no son más que metales con impurezas. Las aleaciones tienen
mayor resistencia que los metales puros debido al endurecimiento por solución sólida.
Por ejemplo, el acero no es más que una aleación de hierro y carbono. Los átomos de
carbono son impurezas que se encuentran ubicadas en los sitios intersticiales entre los
átomos de hierro. Debido a que el tamaño de los átomos de carbono es ligeramente
mayor al del sitio intersticial, se genera una distorsión de la estructura cristalina de los
átomos de hierro. Dicha distorsión produce el aumento de la resistencia del metal. Por
esta razón, los aceros son metales con mayor resistencia que el hierro.
La resistencia a la fluencia, la resistencia a la tensión y la dureza son mayores en los
metales aleados que en los metales puros, sin embargo, la ductilidad de una aleación
suele ser menor que la del metal puro.
La conductividad eléctrica es afectada por el endurecimiento por solución sólida. Los
metales aleados tienen menor conductividad eléctrica que los metales puros. Esto se
debe a que la distorsión de la estructura cristalina que produce el endurecimiento
también dificulta el movimiento de los electrones libres del metal.
El endurecimiento por solución sólida mejora la resistencia a la Termofluencia.
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Endurecimiento por tamaño del grano.
Las fronteras de los granos son barreras que dificultan el movimiento de las
dislocaciones del metal. Una dislocación encuentra difícil pasar de un grano a otro a
través de las fronteras debido al desorden relativo en que se encuentran los átomos en
esa zona.
Material con granos grandes. Las
dislocaciones encuentran pocas
barreras al moverse. La resistencia
es baja
Material con granos pequeños. Las
dislocaciones encuentran muchas
barreras al moverse. La resistencia de
este metal es mayor.
La ecuación de Hall – Petch relaciona el tamaño del grano con la resistencia a la
fluencia del material.
σy = σ0 + K d-1/2
donde:
σ0 y K son constantes del material.
d es el diámetro promedio de los granos del material.
Los metales que tienen granos pequeños presentan mayor resistencia que los metales
con granos grandes, o en otras palabras, los metales con granos grandes son más
suaves y menos resistentes que los metales con granos pequeños.
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Endurecimiento por dispersión.
La dispersión sólo puede darse en aleaciones que tengan líneas de precipitación en su
diagrama de fases.
Si la aleación en el punto 2 se calienta hasta permitir la difusión (pero sin llegar a la
zona de la fase 1), se forman en la microestructura pequeños precipitados de la otra
fase.
precipitados
Los precipitados son pequeñas porciones finas y dispersas de la otra fase, y son tan
pequeños que pueden hacer difícil el movimiento de las dislocaciones sobre la
estructura cristalina, incrementando de esta manera la resistencia del material.
A este fenómeno se llama endurecimiento por precipitación o envejecido.
Si el tiempo al que se mantiene la aleación es demasiado largo, los precipitados buscan
agruparse para formar granos de la otra fase (por difusión). Al aumentar el tamaño de
la fase que ha precipitado, las dislocaciones pueden moverse con más facilidad,
disminuyendo la resistencia del metal.
A este fenómeno se le llama sobreenvejecimiento.
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El sobre-envejecimiento se debe a que la difusión permite que los precipitados se
agrupen formando la microestructura de equilibrio.
α
α
Si la fase está dispersa, a las
dislocaciones se les hace difícil
el movimiento.
β
Para las dislocaciones es fácil rodear a la
fase β, reduciéndose la resistencia.
No todas las aleaciones pueden ser endurecidas por precipitación ya que uno de los
requisitos es que exista una línea de solubilidad en el diagrama de fases. Las
aleaciones endurecidas por envejecimiento no se recomiendan para ser usadas a altas
temperaturas, ya que por difusión desaparecerá la fase dispersa. Además, suelen dar
problemas al ser soldadas debido a la aplicación de calor en el proceso de soldadura.
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