7.2: Endurecimiento por trabajo, aleación y recocido

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Una de las preguntas que nos gustaría hacernos es, ¿por qué los límites de fluencia de las muestras normales de metal (policristalino) son mucho menores (en un factor de 1000) que en cristales simples perfectos? La respuesta tiene que ver con el movimiento de dislocaciones. Considera la siguiente imagen, que muestra planos de átomos metálicos cerca de una dislocación (los átomos individuales están numerados para ayudarte a ver qué enlaces se rompen y cuáles se forman). Las flechas indican la fuerza aplicada bajo esfuerzo cortante. Observe cómo se mueve la dislocación rompiendo/haciendo enlaces metal-metal.

El punto clave aquí es que podemos inducir la deformación plástica (cizallamiento) rompiendo solo una línea de enlaces metal-metal a la vez a lo largo de la línea de dislocación. Esto implica mucha menos fuerza que romper todo un plano de enlaces, como necesitaríamos hacer para esquilar un cristal perfecto. En una muestra policristalina dada, hay muchas líneas de dislocación que corren perpendiculares a todas las direcciones posibles de corte, por lo que su movimiento puede usarse para “desgarrar” el metal. Los rotores de turbina en chorros grandes están hechos de aleaciones de níquel-titanio monocristalino muy costosas, por lo que se pueden evitar estas deformaciones por cizallamiento. ^[1]

Podemos ver que el movimiento de las dislocaciones es básicamente una mala noticia si queremos que un metal sea fuerte y duro (por ejemplo, si queremos un material estructural, o un cuchillo que pueda sostener un filo decente). Hay varias formas en las que podemos superar (hasta cierto punto) este problema:

1. Use cristales individuales y recozca todas las dislocaciones (caras, especialmente con artículos grandes como palas de turbina, e imposible con artículos muy grandes como alas de avión o puentes).

2. Endurecimiento por trabajo del metal: esto mueve todas las dislocaciones a los límites de grano (la dislocación esencialmente se convierte en parte del límite de grano). Dado que un límite de grano es un defecto plano, es mucho menos sensible a la tensión que un defecto de línea.

3. Introducir átomos de impurezas (es decir, elementos de aleación) o fases de impurezas que “fijan” el movimiento de los defectos. Un átomo de impureza detiene el movimiento porque es de un tamaño diferente, o hace enlaces más fuertes, que los otros átomos metálicos; el defecto de la línea tiene dificultad para alejarse de las filas de tales átomos. Una fase de impurezas (como Fe ₃ C en hierro) crea límites de grano adicionales que pueden detener el movimiento de defectos. Este efecto es análogo a las fibras de grafito en polímeros reticulados reforzados con fibra (utilizados, por ejemplo, en raquetas de tenis) que detienen la propagación de grietas.

Una simple ilustración del endurecimiento por trabajo se puede hacer con un trozo de alambre de cobre. Al ser golpeado muchas veces con un martillo, el alambre de cobre se vuelve más rígido, y es posible colgarle un peso de él. Las dislocaciones se mueven a los límites de los granos de cristal durante el endurecimiento por trabajo, deteniendo efectivamente su movimiento y al mismo tiempo haciendo que los granos de cristal individuales sean más pequeños. Debido a que los granos cristalinos son ahora más pequeños, la cantidad de área límite de grano ha aumentado, y con ello la energía libre del material. El recocido invierte el proceso al disminuir la energía libre. Cuando el alambre se recuece en una llama (se calienta para que los átomos puedan moverse y reorganizarse), los granos de cristal crecen y las dislocaciones reaparecen. El cobre vuelve a ser dúctil y se dobla fácilmente. El trabajo en frío (endurecimiento por trabajo) de los metales es importante para fortalecer los materiales estructurales (por ejemplo, vigas de hierro) y para hacer bordes quebradizos y duros (es por eso que los herreros martillan cuchillos y espadas cuando los están fabricando. Si alguna vez las has visto, hacen lo mismo con las herraduras, cuando se enfrían, para hacerlas rígidas).

Herrero, 1606