¿Cómo altera el proceso de trabajo en frío la resistencia a la tracción y la ductilidad de las aleaciones a base de níquel-?

El trabajo en frío, definido como la deformación plástica de aleaciones a base de níquel-a temperaturas inferiores a su temperatura de recristalización (normalmente temperatura ambiente a 300 grados), induce cambios significativos en la microestructura de las aleaciones, lo que a su vez modifica su resistencia a la tracción y ductilidad en unrelación de compensación-. Los mecanismos y efectos específicos se detallan a continuación:

1. Mecanismos de cambios microestructurales inducidos por el trabajo en frío

El trabajo en frío altera la microestructura uniforme y estable original de las aleaciones a base de níquel-a través de la deformación plástica, lo que genera los siguientes cambios clave:

Multiplicación y enredo de dislocaciones.: Bajo tensión externa, se genera una gran cantidad de dislocaciones dentro de los granos de la aleación. Estas dislocaciones se mueven e interactúan entre sí, formando grupos de dislocaciones enredados, estructuras celulares o paredes de dislocaciones. Esto crea una zona de dislocación de alta-densidad que dificulta el movimiento posterior de la dislocación.

Distorsión y fragmentación del grano.: Los granos equiaxiales originales se alargan, aplanan o incluso fragmentan a lo largo de la dirección de deformación, formando una microestructura fibrosa. Para aleaciones a base de níquel-endurecido por precipitación-(p. ej., Inconel 718), el trabajo en frío también puede provocar la deformación de las fases de refuerzo (p. ej., fase '') y su alineación a lo largo de la dirección de deformación.

Efecto de endurecimiento por trabajo: La acumulación de dislocaciones y distorsión del grano aumenta la energía interna de la aleación, lo que lleva al fenómeno de endurecimiento por trabajo, que es la razón principal del cambio en las propiedades mecánicas.

2. Efecto sobre la resistencia a la tracción: mejora significativa

El trabajo en frío es un método eficaz para mejorar la resistencia a la tracción de las aleaciones a base de níquel-, incluido el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción, a través de las siguientes vías:

Fortalecimiento de la dislocación: Las dislocaciones enredadas y las densas paredes de dislocación actúan como obstáculos al movimiento de la dislocación. Cuando la aleación se somete a esfuerzos de tracción, se requiere fuerza adicional para superar estos obstáculos, lo que resulta en un fuerte aumento en el límite elástico. Por ejemplo, la aleación Inconel 625 laminada en frío-puede ver su límite elástico aumentar entre un 50% y un 80% en comparación con el estado recocido.

Fortalecimiento del refinamiento del grano (efecto secundario): El trabajo intenso en frío puede fragmentar los granos gruesos en subgranos finos. Según la relación Hall-Petch, los granos más finos significan más límites de grano, lo que puede dificultar aún más el movimiento de las dislocaciones y contribuir a mejorar la resistencia.

Fortalecimiento sinérgico con fases de precipitación.: Para las aleaciones a base de níquel-endurecido-por precipitación, el trabajo en frío promueve la precipitación uniforme de las fases de refuerzo finas durante el tratamiento de envejecimiento posterior. Estas finas fases cooperan con las dislocaciones para mejorar aún más la resistencia a la tracción. Por ejemplo, la aleación Monel K-500 estirada en frío-exhibe una mayor resistencia a la tracción después del envejecimiento que la aleación procesada solo con envejecimiento.

El grado de mejora de la fuerza se correlaciona positivamente con latasa de reducción de trabajo en frío(es decir, el porcentaje de reducción del espesor o del área de sección transversal-después de la deformación). Tasas de reducción más altas conducen a una acumulación de dislocaciones y una distorsión del grano más significativas, lo que resulta en mayores ganancias de resistencia.

3. Efecto sobre la ductilidad: reducción gradual

Si bien mejora la resistencia, el trabajo en frío reduce inevitablemente la ductilidad de las aleaciones a base de níquel-, caracterizadas por una menor elongación y reducción del área:

Acumulación de dislocaciones-fragilidad inducida: Una alta densidad de dislocaciones enredadas reduce la movilidad de las dislocaciones dentro de los granos. Durante la deformación por tracción, la aleación no puede sufrir una deformación plástica suficiente mediante el movimiento de dislocación, lo que provoca una fractura temprana y un alargamiento reducido.

Iniciación de microfisuras: Un trabajo en frío intenso puede provocar la formación de microfisuras en las interfaces entre los granos deformados o entre los granos y las fases de refuerzo. Estas microfisuras se propagan rápidamente bajo tensión de tracción, deteriorando aún más la ductilidad.

Efecto de anisotropía: La microestructura fibrosa formada por trabajo en frío hace que la ductilidad de la aleación sea anisotrópica. La ductilidad a lo largo de la dirección de deformación es relativamente mejor, mientras que la ductilidad perpendicular a la dirección de deformación disminuye significativamente.

Vale la pena señalar que la reducción de la ductilidad no es lineal. Cuando la tasa de reducción del trabajo en frío es baja (menos del 10%), la ductilidad disminuye ligeramente; cuando la tasa de reducción excede el 30%, la ductilidad cae bruscamente y la aleación tiende a ser quebradiza.

4. Recuperación y recristalización: revertir los cambios de propiedad

Los cambios en la resistencia a la tracción y la ductilidad causados por el trabajo en frío sonreversiblemediante procesos de tratamiento térmico como recuperación y recristalización:

Recuperación: Calentar la aleación trabajada en frío-a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización elimina la tensión interna de la aleación sin cambiar la microestructura fibrosa. Este proceso reduce ligeramente la resistencia y recupera una pequeña cantidad de ductilidad.

Recristalización: Calentar a la temperatura de recristalización (normalmente entre 800 y 1100 grados para las aleaciones a base de níquel-) permite la nucleación y el crecimiento de nuevos granos equiaxiales, reemplazando la microestructura fibrosa deformada. Esto elimina por completo el endurecimiento por trabajo, restaurando la ductilidad de la aleación al estado recocido, mientras que la resistencia a la tracción disminuye en consecuencia.

Resumen

El trabajo en frío mejora la resistencia a la tracción de las aleaciones a base de níquel-mediante el fortalecimiento por dislocación y el refinamiento del grano, al tiempo que reduce la ductilidad debido al enredo de las dislocaciones y la distorsión microestructural. El alcance de los cambios de propiedad depende de la tasa de reducción del trabajo en frío. Además, las propiedades modificadas se pueden ajustar de manera flexible mediante un tratamiento térmico de recuperación o recristalización posterior para cumplir con los requisitos de propiedades mecánicas de diferentes aplicaciones de ingeniería.

Resistencia a la tracción y ductilidad de las aleaciones de níquel