¿Cómo mejorar la resistencia del acero?

La resistencia del acero se refiere al comportamiento de deformación y fractura de los materiales metálicos bajo la acción de una fuerza externa, que generalmente incluye la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión y la resistencia a la compresión. Cuanto más resistente sea el acero a las fuerzas externas, más fuerte será. Entonces, ¿cómo podemos mejorar la resistencia del acero?

Solución Strengthening

La solución sólida de elementos de aleación en el metal matriz provoca cierta distorsión reticular y aumenta la resistencia de la aleación. La distorsión reticular aumenta la resistencia al movimiento de dislocación y dificulta el deslizamiento, aumentando así la resistencia y la dureza de la solución sólida de aleación. Este fenómeno de fortalecimiento de un metal por disolución en un elemento soluto para formar una solución sólida se denomina fortalecimiento por solución sólida.

La resistencia y la dureza del material aumentan con la concentración adecuada de átomos de soluto, pero la tenacidad y la plasticidad disminuyen. Cuanto mayor sea la fracción atómica del átomo de soluto, mayor será la diferencia de tamaño atómico entre el átomo de soluto y el metal de la matriz, y más fuerte será el refuerzo. 

Los átomos intersticiales del soluto tienen un mayor efecto de refuerzo de la solución que los átomos sustitutivos, y el efecto de refuerzo de los átomos intersticiales es mayor que el de los cristales cúbicos centrados en la cara porque la distorsión de la red de los átomos intersticiales en los cristales cúbicos centrados en el cuerpo es asimétrica. Sin embargo, la solubilidad sólida de los átomos intersticiales es muy limitada y el efecto de refuerzo real también es limitado. Cuanto mayor es la diferencia en el número de electrones de valencia entre el átomo de soluto y el metal del sustrato, más evidente es el refuerzo de la solución, es decir, el límite elástico de la solución sólida aumenta con el incremento de la concentración de electrones de valencia.

Endurecimiento del trabajo

Con el aumento de la deformación en frío, la resistencia y la dureza de los materiales metálicos aumentan, pero la plasticidad y la tenacidad disminuyen. El endurecimiento por deformación en frío es el fenómeno por el cual la resistencia y la dureza de los materiales metálicos aumentan mientras que la plasticidad y la tenacidad disminuyen durante la deformación plástica por debajo de la temperatura de recristalización. Debido a que el metal en la deformación plástica, deslizamiento de grano, dislocación causa alargamiento de grano, fragmentación y fibrosis, la tensión residual interna del metal. El endurecimiento por deformación se expresa generalmente por la relación entre la microdureza de la capa superficial después del mecanizado y antes del mecanizado y la profundidad de la capa de endurecimiento.

El endurecimiento por deformación puede mejorar el rendimiento de corte de los aceros con bajo contenido en carbono y facilitar la separación de la viruta, pero conlleva dificultades para el mecanizado posterior de las piezas metálicas. Por ejemplo, en el proceso de la placa de acero laminado en frío y alambre de acero estirado en frío, el consumo de energía de dibujo se incrementa e incluso se rompe, por lo que debe ser a través de recocido intermedio para eliminar el endurecimiento por trabajo. En el proceso de corte para hacer que la superficie de la pieza de trabajo quebradizo y duro, aumentar la fuerza de corte y acelerar el desgaste de la herramienta, etc.

Mejora la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste de los aceros, especialmente para aquellos metales puros y algunas aleaciones cuya resistencia no puede mejorarse mediante tratamiento térmico. Como el alambre de acero de alta resistencia estirado en frío y el resorte de bobina en frío, es el uso de la deformación de procesamiento en frío para mejorar la resistencia y el límite elástico. La vía del tanque, tractor, y el desvío de ferrocarril también utilizan endurecimiento por trabajo para mejorar su dureza y resistencia al desgaste.

Refuerzo de grano fino

El método de mejorar las propiedades mecánicas del metal mediante el refinado del grano se denomina refuerzo de grano fino. Sabemos que un metal es un policristal compuesto de muchos granos, y el tamaño de los granos puede expresarse por el número de granos por unidad de volumen. Cuanto mayor es el número, más finos son los granos. Los experimentos demuestran que el metal de grano fino tiene mayor resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad que el metal de grano grueso a temperatura normal. Esto se debe a que los granos finos pueden dispersarse en más granos cuando se produce la deformación plástica bajo una fuerza externa, por lo que la deformación plástica es más uniforme y la concentración de tensiones es pequeña.

Además, cuanto más fino es el grano, mayor es el área del límite de grano, y cuanto más tortuoso es el límite de grano, más desventajosa es la propagación de la grieta. Por lo tanto, el método industrial para mejorar la resistencia del material refinando el grano se denomina refuerzo de grano fino. Cuantos más límites de grano haya, menor será la concentración de tensiones y mayor será el límite elástico del material. Los métodos para refinar el grano incluyen: aumentar el grado de superenfriamiento;

Tratamiento metamórfico;

Vibración y agitación;

Los metales deformados en frío pueden refinarse controlando el grado de deformación y la temperatura de recocido.

Segunda fase de refuerzo

Además de la fase matriz, en la aleación multifásica existe la segunda fase en comparación con la aleación monofásica. Cuando la segunda fase se distribuye uniformemente en la fase matriz como partículas finamente dispersas, el efecto de refuerzo será significativo. Este refuerzo se denomina refuerzo de segunda fase. Para el movimiento de dislocación, la segunda fase de la aleación tiene las dos condiciones siguientes: (1) Refuerzo por una partícula indeformable (un mecanismo de derivación). (2) El efecto de refuerzo de las partículas deformables (un mecanismo de corte).

Tanto el refuerzo por dispersión como el refuerzo por precipitación pertenecen a los casos especiales del refuerzo de la segunda fase. La razón principal del fortalecimiento de la segunda fase es la interacción entre ellas y la dislocación, que dificulta el movimiento de dislocación y aumenta la resistencia a la deformación de la aleación.

En general, lo más importante que afecta a la resistencia es la composición del propio metal, la estructura organizativa y el estado de la superficie, seguido del estado de tensión, como la velocidad de la fuerza posterior, el método de carga, el estiramiento simple o la tensión repetida, mostrarán una resistencia diferente; Además, la forma y el tamaño del metal y el medio de prueba también tienen un efecto, a veces incluso decisivo, como la resistencia a la tracción de los aceros de ultra alta resistencia puede reducirse exponencialmente en una atmósfera de hidrógeno.

Hay dos formas principales de mejorar la resistencia: una es mejorar la fuerza de enlace interatómico de la aleación para mejorar su resistencia teórica, y otra producir un cristal completo sin defectos como los bigotes. La resistencia de los bigotes de hierro conocidos se aproxima al valor teórico, lo que puede suponerse que se debe a la falta de dislocaciones en los bigotes o al hecho de que sólo contienen un pequeño número de dislocaciones que no pueden proliferar durante la deformación. Sin embargo, cuando el diámetro del bigote es grande, la resistencia disminuye bruscamente. En segundo lugar, se introduce en el cristal un gran número de defectos, como dislocaciones, defectos puntuales, átomos heterogéneos, límites de grano, partículas muy dispersas o falta de homogeneidad (como segregación), etc. Estos defectos dificultan el movimiento de las dislocaciones y mejoran notablemente la resistencia del metal. Se ha demostrado que ésta es la forma más eficaz de aumentar la resistencia del metal.