Endurecimiento de Materiales: Mecanismos Clave y el Rol de la Difusión

Mecanismos de Endurecimiento de Materiales

El límite elástico se alcanza cuando el campo de tensiones provoca un desplazamiento irreversible de las dislocaciones. En el proceso de endurecimiento, se producen cambios a nivel microscópico que dificultan el inicio de este desplazamiento de las dislocaciones.

Endurecimiento por Acritud (Deformación en Frío)

La deformación en frío de un metal produce un aumento de su límite elástico y una disminución de su alargamiento a la rotura. Cuando un material es deformado plásticamente en frío, se produce un aumento del número de dislocaciones. Si se crean más dislocaciones de las que se eliminan, el material se endurece, lo que dificulta el movimiento de las dislocaciones. Un aumento significativo del número de dislocaciones incrementa la probabilidad de que dos dislocaciones pertenecientes a planos distintos se bloqueen entre sí.

Endurecimiento por Solución Sólida (Aleaciones)

La presencia de átomos de elementos de aleación entre los átomos del metal base distorsiona la estructura cristalina. Esta distorsión dificulta el avance de las dislocaciones. A temperaturas más altas, la red se dilata, disminuyendo la distorsión y, por ende, el efecto de endurecimiento.

Endurecimiento por Precipitación (Agrupación de Átomos)

En comparación con el endurecimiento por acritud, este método permite aumentar el límite elástico con una menor pérdida de ductilidad. Las dislocaciones se encuentran con los precipitados, que obstaculizan su movimiento. Si el precipitado es lo suficientemente pequeño, la dureza del material crece con el tamaño y la cantidad de precipitados. Sin embargo, por encima de un tamaño crítico, el precipitado pierde eficacia para endurecer el material. El máximo endurecimiento se obtiene cuando se forman precipitados pequeños y uniformemente distribuidos en el interior de los granos.

Etapas del Tratamiento de Precipitación:

• Tratamiento de Solubilización: Consiste en disolver todos los precipitados formados de manera no adecuada (por ejemplo, en las juntas de grano).
• Enfriamiento Rápido: Se realiza hasta temperatura ambiente para evitar la precipitación. El elemento aleante queda en sobresaturación.
• Envejecimiento (Precipitación): Si se deja transcurrir tiempo a temperatura ambiente (envejecimiento natural) o se aplica un tratamiento térmico a baja temperatura (envejecimiento artificial), se forman precipitados pequeños y uniformemente distribuidos en el interior de los granos, logrando el endurecimiento deseado.

Endurecimiento por Dispersión

Este mecanismo implica la dispersión de partículas (como óxidos) en el estado líquido del material. Produce un mecanismo de endurecimiento combinado, similar al endurecimiento por precipitación y al endurecimiento por acritud. A diferencia de otros métodos de endurecimiento, permite endurecer a alta temperatura, ya que las partículas dispersadas suelen ser muy estables térmicamente. Es crucial considerar desde el diseño si el material estará expuesto a altas temperaturas.

Endurecimiento por Transformaciones Martensíticas

Este tipo de endurecimiento solo ocurre en materiales que presentan diferente estructura cristalina en función de la temperatura (ej. BCC → FCC). Si el enfriamiento es lento, se forma la estructura cristalina de equilibrio a temperatura ambiente, no produciéndose el endurecimiento. Sin embargo, si se enfría rápidamente, se obtiene una estructura cristalina con menor simetría, un mayor número de dislocaciones y, en general, una alta concentración de átomos intersticiales en solución sólida, lo que resulta en un material endurecido.

Endurecimiento por Afino de Grano

Cuanto menor es el tamaño de grano, mayor es el límite elástico del material. Esto se debe a que las juntas de grano frenan el deslizamiento de las dislocaciones, que se acumulan en ellas. Además de endurecer, el afino del tamaño de grano permite aumentar la tenacidad del material, es decir, se reduce su fragilidad.

Difusión en Materiales

La difusión es el flujo de materia a través de un sistema determinado. La difusión en estado sólido es significativa a temperaturas elevadas (T > 0,5 Tf, donde Tf es la temperatura de fusión absoluta).

Procesos de Fabricación donde la Difusión es Relevante:

• Laminación en caliente
• Forja en caliente
• Soldadura
• Sinterizado
• Tratamientos térmicos
• Tratamientos superficiales

La difusión puede emplearse en ciertos procesos para obtener propiedades específicas en los materiales o, por el contrario, puede tener un efecto perjudicial.