Cuatro formas de fortalecer los materiales metálicos

El reforzamiento de materiales metálicos es un proceso de mejora de la resistencia y dureza de los metales mediante una serie de procesos y métodos. Estos mecanismos de reforzamiento se basan en la microestructura y las propiedades de los metales y se consiguen regulando las mismas.

El refuerzo de materiales metálicos tiene los siguientes usos principales:

1. Mejora de las propiedades mecánicas: a través del tratamiento de refuerzo, se mejoran la resistencia y la dureza de los materiales metálicos, lo que mejora directamente la durabilidad y la fiabilidad de los materiales en las aplicaciones.
2. Optimización del rendimiento del producto: Diferentes tecnologías de fortalecimiento pueden optimizar el rendimiento de los materiales en diferentes aplicaciones industriales, como la industria aeroespacial, la fabricación de automóviles y los equipos mecánicos de alto rendimiento.
3. Mayor seguridad: En piezas donde la tensión está concentrada o sobrecargada, el refuerzo de materiales puede evitar una mayor deformación, mejorando así la seguridad en el uso.
4. Promoción del desarrollo industrial: El desarrollo y la aplicación de tecnologías de fortalecimiento no solo promueven el avance de la ciencia de los materiales, sino que también proporcionan una base sólida para diversas aplicaciones industriales.
5. Mejora del valor económico: Al mejorar el rendimiento y la confiabilidad de los materiales, el fortalecimiento de la tecnología ayuda a reducir los costos de mantenimiento y mejorar la eficiencia de la producción, generando así beneficios económicos.

Fortalecimiento de la solución sólida

1. Definición El fenómeno por el cual los elementos de aleación se disuelven en el metal base para provocar un cierto grado de distorsión reticular, mejorando así la resistencia de la aleación.
2. Principio Los átomos de soluto disueltos en la solución sólida provocan una distorsión reticular, lo que aumenta la resistencia al movimiento de dislocación y dificulta el deslizamiento, aumentando así la resistencia y dureza de la solución sólida de aleación. Este fenómeno de fortalecimiento del metal disolviendo un determinado elemento soluto para formar una solución sólida se denomina fortalecimiento de la solución sólida. Cuando la concentración de átomos de soluto es adecuada, se puede mejorar la resistencia y dureza del material, al tiempo que se reducen su tenacidad y plasticidad.
3. Factores influyentes Cuanto mayor sea la fracción atómica de los 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 de tamaño atómico entre los átomos de soluto y el metal de la matriz, mayor será el efecto de fortalecimiento. Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto de fortalecimiento de la solución sólida que los átomos sustitucionales, 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 la solubilidad sólida de los átomos intersticiales es muy limitada, por lo que el efecto de fortalecimiento real también es limitado. Cuanto mayor sea la diferencia entre el número de electrones de valencia de los átomos de soluto y el metal de la matriz, 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: La diferencia de tamaño entre los átomos de la matriz y los átomos del soluto. Cuanto mayor sea la diferencia de tamaño, mayor será la perturbación de la estructura cristalina original y más difícil será el deslizamiento de la dislocación. La cantidad de elementos de aleación. Cuantos más elementos de aleación se añadan, mayor será el efecto de fortalecimiento. Si se añaden demasiados átomos demasiado grandes o demasiado pequeños, se superará la solubilidad. Esto implica otro mecanismo de fortalecimiento, el fortalecimiento de la fase dispersa. Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto de fortalecimiento de la solución sólida que los átomos sustitucionales. Cuanto mayor sea la diferencia entre el número de electrones de valencia de los átomos de soluto y el metal de la matriz, más significativo será el efecto de fortalecimiento de la solución sólida.
5. Efectos La resistencia al rendimiento, la resistencia a la tracción y la dureza son más fuertes que las de los metales puros; en la mayoría de los casos, la ductilidad es menor que la de los metales puros; la conductividad es mucho menor que la de los metales puros; la resistencia a la fluencia, o pérdida de resistencia a altas temperaturas, se puede mejorar mediante el fortalecimiento con solución sólida.

Endurecimiento por trabajo

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 El fenómeno por el cual la resistencia y dureza de los materiales metálicos aumentan mientras que la plasticidad y tenacidad disminuyen cuando se deforman plásticamente por debajo de la temperatura de recristalización. También se denomina endurecimiento por trabajo en frío. La razón de esto es que cuando los metales se deforman plásticamente, los granos se deslizan, las dislocaciones se enredan, los granos se alargan, se rompen y se vuelven fibrosos, y se genera una tensión residual dentro del metal. El grado de endurecimiento por trabajo generalmente se expresa por la relación entre la microdureza de la capa superficial antes y después del procesamiento y la profundidad de la capa endurecida.
3. Explicación desde la perspectiva de la teoría de la dislocación

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

(2) Se producen reacciones entre dislocaciones y las dislocaciones fijas formadas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones;

(3) Las dislocaciones se multiplican y el aumento de la densidad de dislocaciones aumenta aún más la resistencia al movimiento de dislocación.

4. Peligros El endurecimiento por deformación dificulta el procesamiento posterior de las piezas metálicas. Por ejemplo, en el proceso de laminado en frío de chapas de acero, las chapas de acero se endurecerán cada vez más hasta que no se puedan laminar. Por lo tanto, es necesario disponer un recocido intermedio durante el procesamiento para eliminar el endurecimiento por deformación mediante calentamiento. Otro ejemplo es que en el proceso de corte, la superficie de la pieza de trabajo se vuelve quebradiza y dura, 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 para metales puros y ciertas aleaciones que no se pueden mejorar mediante tratamiento térmico. Por ejemplo, el alambre de acero de alta resistencia estirado en frío y los resortes laminados en frío utilizan la deformación por trabajo en frío para mejorar su resistencia y límite elástico. Por ejemplo, las orugas de los tanques y tractores, las placas de mandíbula de las trituradoras y los cambios de vía también utilizan el endurecimiento por trabajo para mejorar su dureza y resistencia al desgaste.
6. Papel en la ingeniería mecánica A través de procesos como el trefilado en frío, el laminado y el granallado (ver refuerzo de superficies), se puede mejorar significativamente la resistencia superficial de los materiales, piezas y componentes metálicos; después de que las piezas se someten a fuerza, la tensión local en algunas piezas a menudo excede el límite de fluencia del material, lo que provoca una deformación plástica. Dado que el endurecimiento por trabajo limita el desarrollo continuo de la deformación plástica, se puede mejorar la seguridad de las piezas y componentes; cuando se estampan piezas o componentes metálicos, su deformación plástica va acompañada de un refuerzo, de modo que la deformación se transfiere a las piezas circundantes no endurecidas. Después de tales acciones alternas repetidas, se pueden obtener piezas estampadas en frío con una deformación transversal uniforme; se puede mejorar el rendimiento de corte del acero con bajo contenido de carbono, lo que facilita la separación de las virutas. Sin embargo, el endurecimiento por trabajo también trae dificultades al procesamiento posterior de las piezas metálicas. Por ejemplo, el alambre de acero trefilado en frío, debido al endurecimiento por trabajo, el trefilado adicional consume mucha energía e incluso puede romperse, por lo que debe recocerse en el medio para eliminar el endurecimiento por trabajo antes del trefilado. Otro ejemplo es en el procesamiento de corte, para hacer que la superficie de la pieza de trabajo sea quebradiza y dura, se aumenta la fuerza de corte durante el corte y se acelera el desgaste de la herramienta.

Fortalecimiento del refinamiento del grano

1. Definición El método de mejora de las propiedades mecánicas de los materiales metálicos mediante el refinamiento de los granos se denomina reforzamiento por refinamiento de grano. En la industria, el refinamiento de grano se utiliza para mejorar la resistencia de los materiales.
2. Principio Los metales suelen ser policristalinos compuestos de muchos granos. El tamaño de los granos se puede expresar por el número de granos por unidad de volumen. Cuanto mayor sea el número, más finos serán los granos. Los experimentos muestran que los metales de grano fino a temperatura ambiente tienen mayor resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad que los metales de grano grueso. Esto se debe a que la deformación plástica de los granos finos bajo fuerzas externas se puede dispersar 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, más tortuoso será el límite de grano y menos propicio para la expansión de grietas. Por lo tanto, en la industria, el método de mejorar la resistencia de los materiales refinando los granos se denomina fortalecimiento por refinamiento de grano.
3. Efecto Cuanto más finos sean los granos, menor será el número de dislocaciones (n) en el grupo de dislocaciones. Según τ=nτ0, la concentración de tensión es menor, por lo que la resistencia del material es mayor. Según la ley de fortalecimiento del fortalecimiento de grano fino, cuanto más límites de grano haya, más finos serán los granos. Según la relación de Hall-Petch, cuanto menor sea el valor medio de los granos (d), mayor será la resistencia al límite elástico del material.
4. Métodos para el refinamiento de granos Aumentar el grado de sobreenfriamiento; Modificación; Vibración y agitación; Para los metales deformados en frío, los granos se pueden refinar controlando el grado de deformación y la temperatura de recocido.

Fortalecimiento de la segunda fase

1. Definición En comparación con las aleaciones monofásicas, las aleaciones multifásicas tienen una segunda fase además de la fase matriz. Cuando la segunda fase se distribuye uniformemente en la fase matriz como partículas finas dispersas, producirá un efecto de fortalecimiento significativo. Este efecto de fortalecimiento se denomina fortalecimiento de segunda fase.
2. Clasificación Para el movimiento de dislocaciones, la segunda fase contenida en la aleación tiene las dos situaciones siguientes: (1) Efecto de refuerzo de partículas no deformables (mecanismo de derivación). (2) Efecto de refuerzo de partículas deformables (mecanismo de corte). El refuerzo por dispersión y el refuerzo por precipitación son casos especiales de refuerzo de segunda fase.

3. Efecto La principal razón del refuerzo de la segunda fase es la interacción entre éstas y las dislocaciones, lo que dificulta el movimiento de las dislocaciones y mejora la resistencia a la deformación de la aleación. Resumen

Los factores más importantes que afectan la resistencia son la composición, la estructura y el estado de la superficie del propio material; el segundo es el estado de tensión, como la velocidad de aplicación de la fuerza, el método de carga, ya sea un estiramiento simple o una fuerza repetida, que mostrará diferentes resistencias; además, la geometría y el tamaño de la muestra y el medio de prueba también tienen una gran influencia, a veces incluso decisiva, como la resistencia a la tracción del acero de ultra alta resistencia en una atmósfera de hidrógeno puede disminuir exponencialmente.

Solo hay dos formas de fortalecer los materiales metálicos. Una es mejorar la fuerza de enlace interatómico de la aleación, mejorar su resistencia teórica y producir cristales completos sin defectos, como los bigotes. Se sabe que la resistencia de los bigotes de hierro está cerca del valor teórico. Se puede considerar que esto se debe a que no hay dislocaciones en los bigotes, o solo una pequeña cantidad de dislocaciones que no se pueden multiplicar durante la deformación. Desafortunadamente, cuando el diámetro de los bigotes es grande, la resistencia caerá bruscamente.

Otro método de fortalecimiento consiste en introducir en el cristal una gran cantidad de defectos, como dislocaciones, defectos puntuales, átomos heterogéneos, límites de grano, partículas muy dispersas o inhomogeneidades (como la segregación). Estos defectos dificultan el movimiento de las dislocaciones y también pueden aumentar significativamente la resistencia del metal. Los hechos han demostrado que esta es la forma más eficaz de aumentar la resistencia de los metales. En el caso de los materiales de ingeniería, en general, se consigue un mejor rendimiento integral mediante efectos de fortalecimiento integral.