Endurecimiento de Metales por Segundas Fases: Mecanismos y Tipos de Partículas

La adición de elementos aleantes a un metal puede favorecer la aparición de distintas fases cristalinas. Si existen dos fases distintas, pueden darse dos casos: las dos fases pueden formar granos cristalinos individuales diferentes, o una de las fases puede estar embebida dentro de la otra.

Cuando hay una mezcla de cristales de dos fases, la fase más dura entorpece la deformación de la otra, produciéndose un endurecimiento. El mejor comportamiento mecánico se da cuando la fase matriz (la que rodea al disperso) es la más deformable plásticamente y la fase dispersa la más dura, lográndose un endurecimiento del material manteniendo la capacidad de deformación plástica.

La fase matriz permite el movimiento de las dislocaciones evitando la fragilidad, mientras que las partículas entorpecen su avance, obligando a aumentar la tensión para producir deformación plástica; es decir, endurecen. Existen distintos tipos de partículas de "refuerzo":

• Coherentes: Su red cristalina es la misma que la de la matriz, con parámetro de red similar y con la misma orientación. Existe continuidad en los planos y direcciones cristalográficas a través de la entrecara. Pueden ser cizalladas por las dislocaciones cuando su tamaño es pequeño. Existe un tamaño crítico por encima del cual la dislocación prefiere esquivar la partícula que cizallarla.
• Incoherentes: La matriz y la partícula tienen redes muy diferentes o diferentemente orientadas, por lo que no existe conexión entre sus planos y direcciones. No son cizallables. La dislocación quedará frenada frente a la partícula y podría superarla por trepado, deslizamiento cruzado o por el mecanismo de Orowan.
• Semicoherentes: La partícula y la matriz tienen redes parcialmente semejantes, con continuidad de planos y direcciones sólo en algunas zonas de la entrecara. Podrán ser cizalladas ocasionalmente, a lo largo de aquellas direcciones y planos en los que exista continuidad.

A baja temperatura (T), es el mecanismo más sencillo para que las dislocaciones superen partículas. Las dislocaciones superan los obstáculos en su plano de deslizamiento. Cuando una dislocación avanza, se encuentra con dos partículas impenetrables y se curva entre ambas. Al curvarse, quedan enfrentadas, alrededor de cada partícula, dos ramas de dislocación del mismo tipo, en el mismo plano y de signo opuesto, generando atracción y formando un bucle de dislocación que permite a la dislocación original seguir avanzando.

Si llega una segunda dislocación, la distancia entre los obstáculos se habrá reducido por los bucles de dislocación. La tensión necesaria para curvar la dislocación y superar las partículas es: τ_or = Gb/2L. Esta tensión depende de la distancia entre partículas (L), aumentando para curvar la nueva dislocación. Se produce un endurecimiento mayor cuanto más avance la deformación plástica.

Llegará un momento en el que las dislocaciones no podrán pasar por el pequeño espacio entre los bucles, necesitando una tensión elevadísima. Se dice que el mecanismo se ha agotado y se pierde capacidad de deformación plástica.