INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALESÁlvarez Pérez José Raziel

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN

El endurecimiento por precipitación proporciona uno de los mecanismos más utilizados para el fortalecimiento de las aleaciones metálicas. La comprensión fundamental y la base de esta técnica se establecieron en los primeros trabajos realizados en la Oficina de Normas de EE.UU. en una aleación conocida como duraluminio (aleación de aluminio que contiene cobre y magnesio con pequeñas cantidades de hierro y silicio). Las bases de la teoría se desarrollaron en un intento de comprender el fortalecimiento de este, así, Paul D. Mérica y colaboradores, estudiaron el efecto de diversos tratamientos térmicos y la influencia de la composición química sobre la dureza. El endurecimiento por precipitación es una técnica donde pequeñas partículas (de una fase diferente y conocidos como precipitados) se dispersan de una manera uniforme en la matriz de la fase original. Esto ocurre cuando se enfría una solución sólida, de tal modo que pasa por una región bifásica en el diagrama de fases queda sobresaturada con respecto a una nueva fase. Entonces se forma una nueva fase por una reacción de precipitación de estado sólido, en el que la nueva fase se forma debido a que al hacerlo disminuye la energía libre del sistema. Así, la precipitación ocurre durante el enfriamiento de una reacción en esta sólido, del tipo

α → α + β

La precipitación es acelerada aumentando la temperatura, pero siempre que ésta sea menor que la temperatura crítica, de otra forma la fase β se disolverá de nuevo en α. A este proceso también se le llama envejecido.La teoría del retículo coherente explica el fenómeno del endurecimiento por precipitación. Según esta teoría, el nucleo inicial del precipitado se forma como consecuencia de las fluctuaciones estadísticas de las concentraciones locales en la solución sólida. Estos núcleos son ricos en el metal soluto, por lo que aquéllos sólo pueden crecer si llegan a ellos, por

Figura 1.Solidificación, precipitación y microestructura de una aleación Pb-10%Sn.

difusión, átomos del soluto. El hecho de que la difusión regule este proceso explica por qué la velocidad de precipitación aumenta rápidamente a medida que se eleva la temperatura del tratamiento. Cabe mencionar, que durante las primeras etapas de la precipitación no se produce directamente la segunda fase, sino que, en íntimo contacto con la disolución sólida, se forma una estructura cristalina intermedia relacionada con aquélla.

Debido a que no ha sido determinada inequívocamente la naturaleza cristalográfica exacta del núcleo en las aleaciones endurecidas por precipitación, no es posible establecer en forma definitiva la manera en que las partículas de precipitado endurecen a la matriz o red disolvente. En general, sin embargo, puede decirse que el aumento en la dureza es proporcional a la dificultad de mover dislocaciones.La interacción de las dislocaciones deslizantes con las partículas dispersas incrementará el esfuerzo cortante crítico resuelto por una cantidad que se denomina Δτ. Las teorías intentan determinar Δτ como una función de los parámetros que caracterizan la interacción dislocación-partícula. Al realizar el primer análisis de este problema, Mott y Nabarro consideraron que las líneas de dislocaciones toman una forma ligeramente curva cuando se desplazan a través de la red, en vez de moverse en línea recta. Puesto que los diferentes segmentos de la línea de dislocación pueden moverse parcialmente independientes unos de otros, los campos aleatorios de tensiones en la matriz, que interactúan con la línea de dislocación no se cancelan. Como quiera que las dislocaciones posean una tensión lineal, que tiende a mantener su longitud en un mínimo, cualquier flexión o aumento de longitud en las líneas de dislocación requiere un consumo extra de energía.El radio mínimo de curvatura hasta el que puede ser curvada una dislocación bajo la influencia de un campo interno de tensiones τi, está dada por

R=Gb2 τ i

En donde G es el módulo de elasticidad en cizallamiento y b la anchura. Orowan ha sugerido que el límite elástico de una aleación que contenga una dispersión de partículas

Figura 2.Consideraciones para un endurecimiento eficaz: (a) el precipitado deberá ser duro y discontinuo; (b) las partículas del precipitado deberán ser pequeñas y numerosas; (c) las partículas del precipitado deberán ser redondas y (d) a mayor cantidad de precipitado mayor endurecimiento

finas está determinado por la tensión cizallante requerido para forzar a una línea de dislocación a pasar entre dos partículas separadas por una distancia L, en que las dislocaciones se curvarán alrededor de las partículas hasta colapsar y formar anillos alrededor de las mismas. Este proceso se conoce como mecanismo de Orowan. Además de contribuir al endurecimiento por el esfuerzo extra para curvar las dislocaciones, los anillos de dislocaciones formados alrededor de las partículas ejercerán una oposición al paso de nuevas dislocaciones, por lo que existe también un endurecimiento por deformación asociado. El esfuerzo necesario para curvar una dislocación sobre una partícula, hasta hacer colapsar la dislocación es

τ=Gb

L

El efecto del endurecimiento aumenta linealmente en relación con la disminución del espaciamiento entre las partículas del precipitado. Además, este fenómeno se complica más algunas veces por la ocurrencia de la recristalización durante la formación del precipitado. Cuando esto sucede, es la matriz la que recristaliza; los átomos de la matriz se reagrupan para formar nuevos cristales.

BIBLIOGRAFIA Dieter, George E. Metalurgia Mecánica. Agular. España, 1967. Avner, Sydney H. Introducción a la metalurgia física. 2° ed., Mc Graw-Hill. México,

1988.