Efecto dos elementos de aliaxe nas propiedades mecánicas dos metais
Os metais puros raramente se empregan directamente en aplicacións de enxeñaría que requiren alta resistencia, resistencia ao desgaste ou tenacidade en condicións extremas. O aluminio puro, por exemplo, é lixeiro e resistente á corrosión, pero relativamente brando. O ferro puro é maleable, pero a súa resistencia é limitada. Polo tanto, a industria case sempre emprega aliaxes metálicas, que son metais básicos mesturados con outros elementos en proporcións específicas para conseguir unha combinación superior de propiedades. Estes elementos engadidos denomínanse elementos de aliaxe e a súa influencia nas propiedades mecánicas, como a resistencia á tracción, a dureza, a ductilidade, a tenacidade, a resistencia á fatiga e a resistencia ao desgaste, é significativa.
Concepto básico: por que os elementos de aliaxe cambian as propiedades mecánicas?
As propiedades mecánicas dos metais están determinadas pola súa microestrutura: tamaño do gran, tipo e número de fases, distribución de precipitados e presenza de defectos cristalinos como dislocacións. Os elementos de aliaxe inflúen nestas propiedades a través de varios mecanismos clave:
1. Fortalecemento de solucións sólidas
Os átomos dos elementos de aliaxe poden substituír os átomos do metal base (substitución) ou encher os ocos entre os átomos (intersticio). As diferenzas no tamaño atómico e nas ligazóns químicas crean distorsións da rede que inhiben o movemento das dislocacións. Isto resulta nun aumento da resistencia e a dureza, pero nunha diminución da ductilidade.
2. Endurecemento por precipitación (endurecemento por idade)
En certas aliaxes, o tratamento térmico produce partículas de precipitado de gran fino (por exemplo, Al-Cu ou Al-Mg-Si). Estes precipitados actúan como unha "barreira" para as dislocacións, aumentando drasticamente a resistencia.
3. Fortalecemento mediante a formación de fases duras (por exemplo, carburos, nitruros, intermetálicos)
Elementos como o Cr, o V, o W e o Mo tenden a formar carburos duros no aceiro. Estas fases duras aumentan a dureza e a resistencia ao desgaste, pero poden reducir a tenacidade se están presentes en exceso ou mal distribuídas.
4. Refinamento do gran
Certos elementos ou procesos metalúrxicos influenciados por elementos de aliaxe poden producir grans máis finos. Os grans máis finos xeralmente aumentan o límite elástico e a tenacidade.
5. Cambios no diagrama de fases e na tratabilidade térmica
Os elementos de aliaxe poden estabilizar certas fases, cambiar a temperatura de transformación e aumentar a templabilidade. No aceiro, por exemplo, a adición de certos elementos permite que se forme martensita mesmo se o arrefriamento non é moi rápido.
O efecto dos elementos de aliaxe no aceiro: os exemplos máis extensos
O aceiro é o sistema de aliaxes máis común, principalmente porque pequenos cambios no contido dos elementos poden producir grandes variacións nas propiedades mecánicas.
1. Carbono (C)
O carbono é o elemento de aliaxe máis importante do aceiro. Aumenta a resistencia e a dureza mediante a formación de cementita (Fe₃C) e a capacidade de formar martensita despois do endurecemento.
– Resistencia e dureza: aumentan ao aumentar o contido de C.
– Tenacidade e dureza: tende a diminuír cando C é demasiado alto.
– Resistencia ao desgaste: aumentada debido a unha fase máis dura.
O aceiro baixo en carbono é máis dúctil e máis fácil de soldar, mentres que o aceiro alto en carbono é máis duro pero máis fráxil.
2. Manganeso (Mn)
O manganeso aumenta a resistencia a través dunha solución sólida e axuda a unirse ao xofre para formar MnS (reducindo a falta de calor).
– Resistencia e templabilidade: aumento.
– Tenacidade: pode aumentar a niveis moderados, pero a niveis altos requírese control microestrutural.
3. Cromo (Cr)
O cromo é máis coñecido no aceiro inoxidable, pero tamén se usa amplamente pola súa resistencia e resistencia ao desgaste.
– Resistencia ao desgaste e dureza: aumentada mediante a formación de carburos de Cr duros.
– Templabilidade: maior, o que permite o endurecemento de seccións transversais máis grosas.
– Resistencia á corrosión: aumenta cando é o suficientemente alta (xeralmente ≥ ~10,5 % en aceiro inoxidable) debido á formación dunha capa pasiva de Cr₂O₃.
– Risco: o exceso de carburos pode reducir a tenacidade.
4. Níquel (Ni)
O níquel é un excelente potenciador da tenacidade, especialmente a baixas temperaturas.
– Tenacidade e ductilidade: maior, axuda a evitar a fractura fráxil.
– Forza: aumentada mantendo unha boa tenacidade.
– Aplicación: aceiro de aliaxe de níquel para buques, tanques crioxénicos e compoñentes que requiren alta tenacidade.
5. Molibdeno (Mo)
O molibdeno úsase amplamente para aplicacións a altas temperaturas e para resistir o abrandamento.
– Resistencia a altas temperaturas: maior (mellor resistencia á fluencia).
– Temperabilidade: aumentada.
– Resistencia á fragilización por revenido: o Mo pode axudar a reducir a tendencia á fragilización despois do revenido a certos rangos de temperatura.
6. Vanadio (V), niobio (Nb), titanio (Ti)
Estes elementos de microaliaxe son eficaces mesmo en baixas concentracións. Forman carburos/nitruros finos e refinan o gran.
– Límite elástico: aumento significativo debido aos precipitados finos e ao refinamento do gran.
– Resiliencia: pode manterse boa se o control do proceso é axeitado.
– Aplicación: Aceiro HSLA (de alta resistencia e baixa aliaxe) para estruturas.
7. Silicio (Si)
O silicio é un desoxidante xeral e tamén fortalece as solucións sólidas.
– Forza: aumentada.
– Resistencia á oxidación: aumenta en determinadas condicións.
– Nota: un contido elevado de Si pode afectar a ductilidade e a capacidade de conformación.
O efecto dos elementos de aliaxe nas aliaxes de aluminio
O aluminio é moi sensible ao fortalecemento por precipitación. Polo tanto, o elemento de aliaxe principal, o Al, está deseñado para formar precipitados finos mediante tratamento en solución e envellecemento.
– Cobre (Cu): aumenta a alta resistencia (serie 2xxx) por precipitación, pero a resistencia á corrosión pode diminuír.
– Magnesio (Mg): aumenta a resistencia á corrosión; xunto co Si forma Mg₂Si (serie 6xxx), que equilibra a resistencia e a procesabilidade.
– Zinc (Zn) + Mg (e a miúdo Cu): produce aliaxes moi fortes (serie 7xxx), populares na industria aeroespacial, pero algunhas composicións son susceptibles á corrosión por tensión (SCC) e requiren control e protección térmica.
– Silicio (Si): axuda á capacidade de fundición e, xunto co Mg, favorece a precipitación.
No aluminio, o aumento da resistencia adoita "pagarse" cunha ductilidade reducida, así como pola sensibilidade á corrosión en certas combinacións de elementos.
O efecto dos elementos de aliaxe nas aliaxes de cobre e titanio (dunha ollada)
Nas aliaxes de cobre, a adición de Zn (latón) aumenta a resistencia e a procesabilidade, mentres que o Sn (bronce) aumenta a resistencia ao desgaste e certa resistencia á corrosión. Non obstante, os elementos de aliaxe superior xeralmente reducen a condutividade eléctrica/térmica, o que supón un compromiso significativo nos compoñentes eléctricos.
Nas aliaxes de titanio, elementos como o Al estabilizan a fase alfa, mentres que o V e o Mo estabilizan a fase beta. As aliaxes alfa-beta (por exemplo, Ti-6Al-4V) ofrecen unha combinación de alta resistencia, tenacidade e resistencia á corrosión, cunha baixa gravidade específica. As propiedades mecánicas do titanio dependen en gran medida das fases formadas e do tratamento térmico.
A relación entre os elementos de aliaxe e as principais propiedades mecánicas
Aquí tes un resumo das relacións que se atopan con máis frecuencia:
– Resistencia á tracción/límite elástico: xeralmente aumenta coa solución sólida, a precipitación, os grans finos e as fases duras.
– Dureza: aumenta coa martensita (no aceiro), precipitados e carburos/nitruros.
– Tenacidade: a miúdo diminúe a medida que aumenta a resistencia/dureza, pero elementos como o níquel poden manter a tenacidade.
– Tenacidade ao impacto: influenciada polo tamaño do gran, a distribución da fase dura e a presenza de inclusións; o níquel e o refinamento do gran tenden a axudar.
– Resistencia á fatiga: aumenta coa microestrutura homoxénea, as inclusións pequenas e o aumento da resistencia; non obstante, os precipitados grosos/microfendas poden empeorar.
– Resistencia ao desgaste: aumentada con carburos duros, martensita e boa dureza superficial.
Peche
Os elementos de aliaxe son "ferramentas de enxeñaría" clave na metalurxia para adaptar as propiedades mecánicas dos metais ás necesidades da aplicación. Ao seleccionar o tipo e a concentración dos elementos e, a continuación, controlar procesos como o tratamento térmico, o temple e o control microestrutural, os enxeñeiros poden producir materiais que sexan lixeiros pero fortes, duros pero resistentes ou resistentes ao desgaste e que funcionen a altas temperaturas. Non obstante, calquera mellora nas propiedades adoita ter consecuencias negativas: o aumento da resistencia pode reducir a ductilidade, o fortalecemento por precipitación pode aumentar o risco de certas corrosións e as fases de endurecemento poden reducir a tenacidade se non se controlan. Polo tanto, o deseño da aliaxe é sempre un equilibrio entre a composición, o proceso e as esixencias de rendemento no campo.
