Deformación y Desacoplamiento en Segundas Fases: Impacto en la Microestructura de Materiales
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Efecto de Deformación por Desacoplamiento en Segundas Fases
La interacción entre la matriz y las segundas fases, como los precipitados, es crucial para las propiedades mecánicas de los materiales. La falta de acoplamiento entre estas fases puede generar deformaciones significativas. A continuación, se detallan los mecanismos asociados a este fenómeno.
Precipitados Coherentes
En los precipitados coherentes, existe una correspondencia atómica entre la red cristalina del precipitado y la de la matriz. Se deforman por fuerzas iguales de sentidos contrarios para mantener esta coherencia.
- Ecuación de equilibrio: ΣAi γi + ΔGs = mínimo.
- ΔGs: energía de acoplamiento.
Los parámetros de red de la matriz son aα y aβ. El desacoplamiento sin deformación se define como δ = (aβ - aα) / (aα). Las fuerzas para mantener la coherencia distorsionan aα.
- Si el precipitado es esférico: se produce una distorsión hidrostática (igual en todas direcciones).
- Acoplamiento forzado: ε = (a'β - aα) / (aα).
- Si el precipitado es un disco delgado, el desacoplamiento aumenta en sentido perpendicular.
La energía elástica depende de la forma y propiedades de la matriz e inclusión. Si la matriz es elásticamente isótropa (sus propiedades físicas no dependen de la dirección) y el precipitado y la matriz tienen el mismo módulo elástico (E), entonces ΔGs es independiente de la forma del precipitado:
ΔGs = 4μδ2 V
- V: volumen de la matriz.
- μ: módulo de cizalladura.
Si Eprecipitado ≠ Ematriz, ΔGs es dependiente de la forma, siendo mínima para una esfera si el precipitado es duro, o para un disco si el precipitado es blando.
Precipitados Incoherentes
En los precipitados incoherentes, las redes cristalinas no coinciden y no hay correspondencia atómica en las posiciones de la interfase. Puede haber deformaciones por falta de acoplamiento, ya que la inclusión tiene distintas dimensiones en el hueco que la aloja.
- Δ = (ΔV/V).
- V: volumen del hueco.
- Para una forma esférica: Δ = 3δ.
La energía de deformación por desacoplamiento se calcula como:
ΔGs = (2/3)μΔ2Vf(c/a)
- ΔGs: cantidad de energía (E) debida al desacoplamiento.
- c: espesor.
- a: diámetro.
La energía elástica varía significativamente con la relación c/a:
- Esfera: c/a = 1 (energía muy alta).
- Disco Delgado: c/a = 0 (energía muy baja).
- Aguja: c/a = ∞ (energía media).
La forma de equilibrio para un precipitado incoherente suele ser una obleta (lenteja).
Precipitados en Forma de Placas
Los precipitados en forma de placas presentan características de acoplamiento diferenciadas en sus caras:
- Las caras largas son coherentes y presentan gran deformación.
- Las caras cortas son semicoherentes o incoherentes, sin deformación significativa.
El desacoplamiento de las caras largas aumenta el ensanchamiento de las placas, lo que genera mayor deformación y tensiones de cizalladura (μ). Energéticamente, la configuración más favorable es la de caras largas semicoherentes.
Pérdida de Coherencia
La coherencia de un precipitado puede perderse, lo que implica un cambio en la energía total del sistema. En precipitados coherentes, aunque δ sea baja, el desacoplamiento genera energía.
ΔGcoherente = 4μδ2 (4/3)πr3 + 4πr2 γq
ΔGno coherente = 0 + 4πr2 (γq + γes)
- γq: energía interfacial química.
- γes: energía interfacial estructural.
Para un precipitado pequeño, la forma coherente presenta una baja ΔG. Para un precipitado grande, puede ser coherente o incoherente, dependiendo de la minimización de la energía total.
Intercaras Deslizantes (Glissile)
Las intercaras deslizantes se caracterizan por una continuidad cristalina a través de la interfase y la presencia de dislocaciones con un vector de Burgers que puede deslizar sobre un plano en las redes próximas. Cualquier dislocación cizalla, lo que da lugar a la desviación de la red α, que se cizalla internamente.
Este fenómeno se asocia con la dislocación parcial de Shockley, que puede producir un cambio macroscópico en la forma del cristal. Por ejemplo, en la transformación de estructuras cristalinas de Cúbica Centrada en el Cuerpo (CCC) a Hexagonal Compacta (HCP), se observa el mismo número de dislocaciones parciales de Shockley por cada plano.
La transformación de martensita se produce por el movimiento de las interfases deslizantes, lo que implica un cambio de forma, pero no de posición de los átomos en la red.