Endurecimiento de metales: mecanismos y propiedades
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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. Proveen una superficie sobre la cual se puede formar el sólido. Endurecimiento por afinamiento 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. Tiene por tanto un mayor número de fronteras de grano para el mismo volumen que el grano grueso. Para muchos metales el límite elástico varía con el tamaño de grano según la ecuación de Hall-Petch donde σ es el límite elástico intrínseco, que se trata del 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
Se sabe que los metales puros sin aleación 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 encuentra el tamaño relativo y el orden a corto alcance.
Endurecimiento por precipitación o envejecimiento (precipitación 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 hasta en un 4% en cobre. El tratamiento térmico dado consiste en calentar la solución sólida sobresaturada (alpha) a una determinada temperatura a la cual la velocidad de difusión es apreciable. La fase que ha precipitado (beta) comienza a formarse como partículas finalmente 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, es decir, cuando los precipitados son los suficientemente grandes y, con una red muy diferente de la matriz, la interfase será incoherente, por lo que 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 entorno 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 los precipitados, 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, 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)/Trabajo frente acritud
De modo análogo a como la deformación elástica se describe con la ley de Hooke explica el comportamiento elástico, el comportamiento plástico se puede describir de acuerdo a la ley de Holloman (σ=k E^n), donde k es el coeficiente de resistencia y σ 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, y 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.
Fundición blanca
Son fundiciones en las que todo el carbono está como cementita. Presentan una fractura de aspecto blanca. 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 abrasión, y sumamente frágiles y quebradizas (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 (debido a la fragilidad y falta de mecanizado). Ejemplos de su utilización son camisas interiores de hormigoneras, boquillas de extrusión...
Martensita
Cuando por un enfriamiento brusco que evite la formación de perlita, la austenita (gamma) es llevada a temperaturas más bajas que las de transformación bainítica, se produce una transformación sin difusión, donde un constituyente de idéntico contenido en C 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 intersticios o huecos, 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 el mismo 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, considerando una solución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras al aplicarle cambios de temperatura.