Mecanismes d'Enduriment dels Metalls: Guia Completa

Mecanismes d'Enduriment dels Metalls

Enduriment per Reducció de Mida de Gra (Hall-Petch)

Cada límit de gra actua com a barrera en els moviments de les dislocacions, ja que s’han d’adaptar a la seva direcció. A més, la dislocació troba poca compactació d’àtoms a la vora del gra que dificulta el seu moviment. (Si es redueix la mida de gra, hi ha més límits de gra, que actuen com a barreres addicionals per al moviment de les dislocacions.)

Enduriment per Solució Sòlida

La duresa augmenta en augmentar la concentració d'impureses (disminueix la ductilitat). Això vol dir que si s’afegeixen impureses en el material, aquestes bloquegen les dislocacions i n'impedeixen el moviment. Quan s’introdueixen impureses, apareixen tensions internes que interactuen amb les tensions produïdes per les dislocacions. Com més impureses, més dur és el material.

Enduriment per Treball en Fred (Acritud)

Es realitza a temperatures baixes en comparació amb la temperatura de fusió. Aquest procés fa que es produeixin noves dislocacions; aquestes s'acumulen i interactuen entre elles. Per tant, es dificulta el seu moviment i, per tant, s'endureix el material. Costa més deformar el material plàsticament. Aquest procés s’anomena acritud, que és la capacitat del material per endurir-se mitjançant el treball en fred.

Enduriment per Precipitació

Condicions necessàries:

• Metalls o aliatges parcialment solubles en estat sòlid.
• Que el límit de solubilitat disminueixi amb la temperatura.

Requisit inicial: El material ha de tenir una concentració de l'element B inferior al límit de solubilitat a la temperatura inicial.

Procés:

1. Tractament tèrmic de dissolució: El material inicialment té molta fase alfa i poca fase beta (a temperatura T1). S'escalfa el material fins a una temperatura (T2) on tota la fase beta es dissol en la fase alfa (zona monofàsica alfa).
2. Tremp: Es refreda ràpidament (tremp) fins a la temperatura inicial (T1). S'obté una solució sòlida sobresaturada de B en A (només fase alfa).
3. Tractament tèrmic de precipitació (Envelliment): S'escalfa a una temperatura d'envelliment (intermèdia) per permetre la difusió. Com a conseqüència, es formen precipitats petits i dispersos de la fase beta. Finalment, es refreda a T1.

Els precipitats de beta bloquegen les dislocacions.

Nota: A major temperatura d'envelliment, menor temps de tractament necessari.

Conceptes i Fórmules Clau

• ↑ Cristal·linitat → ↑ Resistència → ↑ Mòdul d'Elasticitat (E) → ↓ Volum → ↓ Ramificacions → ↑ Densitat
• ↑ Treball en Fred (CW) → ↓ Temperatura de Recristal·lització → ↑ Límit Elàstic (σy) → ↓ Ductilitat → ↑ Resiliència
• ↑ Temperatura d'envelliment → ↓ Temps de tractament (en envelliment per precipitació)
• Sobreenvelliment → ↑ Mida dels precipitats (disminueix l'enduriment)

1. Llei de Hooke: σ = E · ε₀
2. Tensió (definició): σ = F / S
3. Coeficient de Poisson: ν. Coeficient nominal (metalls): 0.25-0.35. Coeficient ideal (volum constant): 0.5. Fórmules: ν = - εL / ε₀ ; εL = ∆d / d₀ ; ε₀ = ∆L / L₀. Relació entre mòduls: E = 2 · G · (1 + ν).
4. (Deformació Plàstica) Llei de Hollomon: σ = K · εⁿ. n = coeficient d'enduriment.
5. Resiliència (mòdul de resiliència): Ur = (1/2) · (σ²y / E). Unitats: MPa o MJ/m³.
6. Ductilitat: % Elongació = ((Lruptura - L₀) / L₀) * 100%. % Reducció d'Àrea = ((A₀ - Aruptura) / A₀) * 100%.
7. Enduriment per reducció de mida de gra (Hall-Petch): σy = σ₀ + Ky · D⁻⁰.⁵.
8. % Treball en fred (CW): %CW = ((A₀ - Af) / A₀) * 100%.
9. A volum constant: Tensió Real: σᵣ = σ · (ε + 1). Deformació Real: εᵣ = ln(ε + 1).
10. Tensió de cisallament crítica resolta: τcrss = σ · cos(φ) · cos(λ).
11. Temperatura de Recristal·lització: Metall pur ≈ 0.3 · Tf. Aliatge ≈ 0.7 · Tf.
12. Isòtrop: Mateixes propietats en totes les direccions.
13. Anisòtrop: Les propietats depenen de la direcció/orientació.
14. Treball en calent: Manté les propietats (no endureix).