Efecte dels elements d'aliatge sobre les propietats mecàniques dels metalls
Els metalls purs rarament s'utilitzen directament en aplicacions d'enginyeria que requereixen una alta resistència, resistència al desgast o tenacitat en condicions extremes. L'alumini pur, per exemple, és lleuger i resistent a la corrosió, però relativament tou. El ferro pur és mal·leable, però la seva resistència és limitada. Per tant, la indústria gairebé sempre utilitza aliatges metàl·lics, que són metalls base barrejats amb altres elements en proporcions específiques per aconseguir una combinació superior de propietats. Aquests elements afegits s'anomenen elements d'aliatge, i la seva influència en les propietats mecàniques, com ara la resistència a la tracció, la duresa, la ductilitat, la tenacitat, la resistència a la fatiga i la resistència al desgast, és significativa.
Concepte bàsic: per què els elements d'aliatge canvien les propietats mecàniques?
Les propietats mecàniques dels metalls estan determinades per la seva microestructura: mida de gra, tipus i nombre de fases, distribució de precipitats i presència de defectes cristal·lins com ara dislocacions. Els elements d'aliatge influeixen en aquestes propietats a través de diversos mecanismes clau:
1. Enfortiment de solucions sòlides
Els àtoms dels elements d'aliatge poden substituir els àtoms del metall base (substitució) o omplir els buits entre els àtoms (intersticial). Les diferències en la mida atòmica i l'enllaç químic creen distorsions de la xarxa que inhibeixen el moviment de dislocació. Això resulta en un augment de la resistència i la duresa, però una disminució de la ductilitat.
2. Enduriment per precipitació (enduriment per envelliment)
En certs aliatges, el tractament tèrmic produeix partícules de precipitat de gra fi (per exemple, Al-Cu o Al-Mg-Si). Aquests precipitats actuen com una "barrera" a les dislocacions, augmentant dràsticament la resistència.
3. Enfortiment mitjançant la formació de fases dures (per exemple, carburs, nitrurs, intermetàl·lics)
Elements com el Cr, el V, el W i el Mo tendeixen a formar carburs durs en l'acer. Aquestes fases dures augmenten la duresa i la resistència al desgast, però poden reduir la tenacitat si són presents en excés o mal distribuïdes.
4. Refinament del gra
Certs elements o processos metal·lúrgics influenciats pels elements d'aliatge poden produir grans més fins. Els grans més fins generalment augmenten el límit elàstic i la tenacitat.
5. Canvis en el diagrama de fases i la tractabilitat tèrmica
Els elements d'aliatge poden estabilitzar certes fases, canviar la temperatura de transformació i augmentar la trempabilitat. En l'acer, per exemple, l'addició de certs elements permet que es formi martensita fins i tot si el refredament no és gaire ràpid.
L'efecte dels elements d'aliatge sobre l'acer: els exemples més extensos
L'acer és el sistema d'aliatge més comú, principalment perquè petits canvis en el contingut dels elements poden produir grans variacions en les propietats mecàniques.
1. Carboni (C)
El carboni és l'element d'aliatge més important de l'acer. Augmenta la resistència i la duresa mitjançant la formació de cementita (Fe₃C) i la capacitat de formar martensita després de l'enduriment.
– Resistència i duresa: augmenten a mesura que augmenta el contingut de C.
– Tenacitat i resistència: tendeix a disminuir quan C és massa alt.
– Resistència al desgast: augmentada a causa d'una fase més dura.
L'acer baix en carboni és més dúctil i més fàcil de soldar, mentre que l'acer amb alt contingut en carboni és més dur però més fràgil.
2. Manganès (Mn)
El manganès augmenta la resistència a través d'una solució sòlida i ajuda a unir-se al sofre per formar MnS (reduint la manca d'energia calenta).
– Resistència i templabilitat: augmentades.
– Tenacitat: pot augmentar a nivells moderats, però a nivells alts cal control microestructural.
3. Crom (Cr)
El crom és més conegut en l'acer inoxidable, però també s'utilitza àmpliament per la seva resistència i resistència al desgast.
– Resistència al desgast i duresa: augmentada mitjançant la formació de carburs de Cr durs.
– Temprabilitat: augmentada, permetent l'enduriment de seccions transversals més gruixudes.
– Resistència a la corrosió: augmenta quan és prou alta (generalment ≥ ~10,5% en acer inoxidable) a causa de la formació d'una capa passiva de Cr₂O₃.
– Risc: l'excés de carburs pot reduir la tenacitat.
4. Níquel (Ni)
El níquel és un excel·lent potenciador de la tenacitat, especialment a baixes temperatures.
– Tenacitat i ductilitat: augmentades, ajuda a prevenir la fractura fràgil.
– Força: augmentada mantenint una bona tenacitat.
– Aplicació: Acer d'aliatge de Ni per a vaixells, tancs criogènics i components que requereixen una alta tenacitat.
5. Molibdè (Mo)
El molibdè s'utilitza àmpliament per a aplicacions d'alta temperatura i per resistir el reblaniment.
– Resistència a altes temperatures: augmentada (millor resistència a la fluència).
– Temperabilitat: augmentada.
– Resistència a la fragilització per reveniment: el Mo pot ajudar a reduir la tendència a la fragilització després del reveniment a certs rangs de temperatura.
6. Vanadi (V), Niobi (Nb), Titani (Ti)
Aquests elements de microaliatge són efectius fins i tot a baixes concentracions. Formen carburs/nitrurs fins i refinen el gra.
– Límit elàstic: augmenta significativament a causa de precipitats fins i refinament del gra.
– Resiliència: pot mantenir-se bona si el control del procés és adequat.
– Aplicació: acer HSLA (d'alta resistència i baixa aleació) per a estructures.
7. Silici (Si)
El silici és un desoxidant comú i també enforteix les solucions sòlides.
– Força: augmentada.
– Resistència a l'oxidació: augmenta en certes condicions.
– Nota: un contingut elevat de Si pot afectar la ductilitat i la capacitat de conformació.
L'efecte dels elements d'aliatge sobre els aliatges d'alumini
L'alumini respon molt bé a l'enduriment per precipitació. Per tant, l'element d'aliatge principal, l'Al, està dissenyat per formar precipitats fins mitjançant el tractament en solució i l'envelliment.
– Coure (Cu): augmenta l'alta resistència (sèrie 2xxx) per precipitació, però la resistència a la corrosió pot disminuir.
– Magnesi (Mg): augmenta la resistència a la corrosió; juntament amb el Si forma Mg₂Si (sèrie 6xxx) que equilibra la resistència i la processabilitat.
– Zinc (Zn) + Mg (i sovint Cu): produeix aliatges molt resistents (sèrie 7xxx), populars en l'aeroespacial, però algunes composicions són susceptibles a la corrosió sota tensió (SCC) i requereixen control i protecció tèrmica.
– Silici (Si): afavoreix la capacitat de fosa i, amb el Mg, afavoreix la precipitació.
En l'alumini, l'augment de la resistència sovint es "paga" per una ductilitat reduïda, així com per la sensibilitat a la corrosió en certes combinacions d'elements.
L'efecte dels elements d'aliatge sobre els aliatges de coure i titani (d'un cop d'ull)
En els aliatges de coure, l'addició de Zn (llautó) augmenta la resistència i la processabilitat, mentre que Sn (bronze) augmenta la resistència al desgast i una certa resistència a la corrosió. Tanmateix, els elements d'aliatge superior generalment disminueixen la conductivitat elèctrica/tèrmica, un compromís significatiu en els components elèctrics.
En els aliatges de titani, elements com l'Al estabilitzen la fase alfa, mentre que el V i el Mo estabilitzen la fase beta. Els aliatges alfa-beta (per exemple, Ti-6Al-4V) ofereixen una combinació d'alta resistència, tenacitat i resistència a la corrosió, amb una baixa gravetat específica. Les propietats mecàniques del titani depenen en gran mesura de les fases formades i del tractament tèrmic.
La relació entre els elements d'aliatge i les principals propietats mecàniques
Aquí teniu un resum de les relacions més freqüents:
– Resistència a la tracció / límit elàstic: generalment augmenta amb la solució sòlida, la precipitació, els grans fins i les fases dures.
– Duresa: augmenta amb la martensita (en acer), precipitats i carburs/nitrurs.
– Tenacitat: sovint disminueix a mesura que augmenta la resistència/duresa, però elements com el Ni poden mantenir la tenacitat.
– Tenacitat a l'impacte: influenciada per la mida del gra, la distribució de la fase dura i la presència d'inclusions; el Ni i el refinament del gra solen ajudar.
– Resistència a la fatiga: augmenta amb una microestructura homogènia, petites inclusions i una major resistència; no obstant això, els precipitats gruixuts/microesquerdes poden empitjorar.
– Resistència al desgast: augmentada amb carburs durs, martensita i bona duresa superficial.
Tancament
Els elements d'aliatge són "eines d'enginyeria" clau en la metal·lúrgia per adaptar les propietats mecàniques dels metalls a les necessitats de l'aplicació. Seleccionant el tipus i la concentració d'elements, i controlant processos com el tractament tèrmic, el tremp i el control microestructural, els enginyers poden produir materials lleugers però resistents, durs però resistents o resistents al desgast i que funcionin a altes temperatures. Tanmateix, qualsevol millora en les propietats sol tenir inconvenients: l'augment de la resistència pot reduir la ductilitat, l'enfortiment per precipitació pot augmentar el risc de certa corrosió i les fases d'enduriment poden reduir la tenacitat si no es controlen. Per tant, el disseny d'aliatges és sempre un equilibri entre la composició, el procés i les demandes de rendiment al camp.
