Mecanismos de Nucleación y Endurecimiento en Metales
Nucleación Homogénea
Suele darse en los metales puros. Tiene lugar cuando el metal fundido proporciona los átomos para formar los núcleos. Se enfría el metal fundido por debajo de su temperatura de solidificación y, debido al movimiento lento de los átomos, es posible que se mantengan unidos.
Nucleación Heterogénea
Se da en metales no puros (aleaciones) y consiste en introducir agentes nucleantes (impurezas) que favorecen la creación de cristales. Estos proveen una superficie sobre la cual se puede formar el sólido.
Endurecimiento por Afino de Grano (Ecuación de Hall-Petch)
El tamaño de grano afecta a las propiedades mecánicas del metal policristalino. Un material con grano fino es más duro y resistente que aquel que tiene grano grueso, ya que tiene un mayor número de fronteras de grano para el mismo volumen. Para muchos metales, el límite elástico varía con el tamaño de grano según la ecuación de Hall-Petch, donde una de sus variables representa el límite elástico intrínseco, que es el que tendría un metal si fuera monocristalino. Finalmente, hay que decir que la reducción del tamaño de grano no solo mejora la resistencia mecánica, sino que también mejora la tenacidad de muchas aleaciones.
Endurecimiento por Aleación (Solución Sólida)
Se sabe que los metales puros, sin alear, son siempre más blandos y menos resistentes que las soluciones sólidas formadas usando el mismo metal como base. El aumento de la concentración de átomos de impurezas (lo que estamos añadiendo) produce un aumento de la resistencia a tracción, de la dureza y del límite elástico. Entre los factores que tienen mayor influencia sobre el endurecimiento por aleación se encuentran el tamaño relativo de los átomos y el orden a corto alcance.
Endurecimiento por Precipitación o Envejecimiento (Precipitation Hardening)
Se produce por una secuencia de transformaciones de fase que conducen a una dispersión uniforme de precipitados finos y duros en una matriz más blanda y dúctil. Este tipo de endurecimiento es un ejemplo de cómo los elementos nanoestructurales se usan para mejorar las propiedades mecánicas. El ejemplo más importante es el de la aleación de aluminio con hasta un 4% de cobre. El tratamiento térmico consiste en calentar la solución sólida sobresaturada (alfa) a una determinada temperatura a la cual la velocidad de difusión es apreciable. La fase que ha precipitado (beta) comienza a formarse como partículas finamente divididas y dispersas a la vez que va envejeciendo. Transcurrido un tiempo, la aleación se enfría hasta temperatura ambiente.
Endurecimiento por Dispersión de Partículas
Depende básicamente del tamaño de los precipitados o dispersoides, pero también de la naturaleza de las superficies de contacto o interfaz entre las partículas. Hay un tamaño de partícula que optimiza el endurecimiento del metal. Cuando los precipitados son lo suficientemente grandes y con una red muy diferente de la matriz, la interfaz será incoherente. En esta situación, las dislocaciones no pueden atravesar los precipitados y simplemente los rodean por un proceso que se inicia con un arqueo de la dislocación alrededor de la partícula y que termina dejando un lazo de dislocación en torno al precipitado. Este mecanismo, propuesto por Orowan, produce un aumento del límite elástico menor que el de las partículas coherentes. La tensión mínima que es necesario aplicar para que la dislocación supere el precipitado incoherente mediante este mecanismo se denomina tensión de Orowan. Como consecuencia, los precipitados incoherentes producen un endurecimiento por deformación muy superior al de los coherentes. El efecto endurecedor de los precipitados aumenta rápidamente a medida que disminuye la distancia entre ellos, de manera que el límite elástico (σ) es proporcional a 1/L, siendo L la distancia entre precipitados.
Endurecimiento por Temple
Se imprime un enfriamiento muy brusco al metal o aleación. Para ello, las piezas se sumergen en un líquido, generalmente agua o aceite. El enfriamiento brusco genera un cambio de fase a la vez que imposibilita los mecanismos de difusión, impidiendo que los átomos se muevan y quedando atrapados en la celdilla unidad original, por lo que la deformación es la misma por sobresaturación. El estado tensional provocado por la sobresaturación provoca que las fases deformadas tengan durezas superiores a las fases originales.
Endurecimiento por Deformación en Frío (Acritud)
De modo análogo a como la deformación elástica se describe con la ley de Hooke, el comportamiento plástico se puede describir de acuerdo a la ley de Hollomon: σ = Kεn.
- K es el coeficiente de resistencia y es el esfuerzo real necesario para causar una deformación unidad.
- El exponente n es el exponente de endurecimiento por deformación y se encuentra relacionado con la resistencia del material a la formación del cuello durante la deformación plástica. Representa una medida de la capacidad de un metal para endurecerse durante la deformación; a mayor n, mayor es el endurecimiento que sufre para una determinada deformación plástica.
Estructuras y Materiales Relevantes
Fundición Blanca
Son fundiciones en las que todo el carbono está como cementita. Presentan una fractura de aspecto blanco. Si la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rápida, solidificará con ausencia total de grafito en láminas. Su matriz está formada por perlita. Son fundiciones muy duras, resistentes al desgaste y a la abrasión, y sumamente frágiles y quebradizas, lo que las hace difíciles de mecanizar. Se aplican como materia prima para la obtención de una fundición maleable y para la fabricación de piezas que requieran gran dureza superficial pero poca ductilidad. Ejemplos de su utilización son camisas interiores de hormigoneras o boquillas de extrusión.
Martensita
Cuando por un enfriamiento brusco se evita la formación de perlita, la austenita (gamma) es llevada a temperaturas más bajas que las de transformación bainítica. Se produce entonces una transformación sin difusión, dando lugar a un constituyente de idéntico contenido en carbono que la austenita, que recibe el nombre de martensita. Cristalográficamente, es una estructura tetragonal con átomos de carbono en posición intersticial. Una vez que son ocupados todos los huecos intersticiales, el carbono sigue difundiendo hacia la estructura FCC de la austenita, deformando la estructura principalmente a lo largo del eje Z, aumentando su parámetro de red en dicho eje y disminuyéndolo en el eje X, transformándose en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita y la bainita, siendo una solución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras al aplicarle cambios de temperatura.