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Carburo kappa

Los κ-carburos son una clase especial de estructuras de carburo . Son más conocidos por aparecer en aceros que contienen manganeso y aluminio , donde tienen la fórmula molecular...

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Los κ-carburos son una clase especial de estructuras de carburo . Son más conocidos por aparecer en aceros que contienen manganeso y aluminio , donde tienen la fórmula molecular (Fe,Mn)
3AlC . [1]

Propiedades

Estructura

Estructura típica de carburo κ con Fe (rojo), Al (metálico) y C (negro)

Los κ-carburos cristalizan en el tipo de estructura de perovskita con el grupo espacial Pm 3 m (Nr. 221). [2] Esta estructura se elucida, entre otras cosas, con mediciones de XRD en aleaciones de acero que contienen precipitados de κ-carburos pero también en monocristales de κ-carburos de manganeso con una fórmula molecular de Mn 3,1 Al 0,9 C y un parámetro de red de a=3,87Å . [3] En aleaciones de acero donde son posibles diversas disposiciones de los átomos, se ha observado un efecto considerable del ordenamiento de corto alcance, por ejemplo de hierro y manganeso en las propiedades microscópicas de la aleación . [4] Esto es especialmente importante para el papel como trampas de hidrógeno en aceros . [5]

Composición

Un primer vistazo a la composición de una aleación de acero se logra analizando su superficie con la técnica EDX . [3]

Dependiendo del contenido de elementos de aleación del acero , se pueden formar diferentes tipos de carburos κ. Se presentan tanto en aceros ferríticos (α-Fe) como austeníticos (γ-Fe). [1] Los elementos de aleación típicos son el hierro , el manganeso , el aluminio , el carbono y el silicio . [2] [6]

Diagrama de fases de hierro y carbono

Magnetismo

Las mediciones SQUID en Mn 3.1 Al 0.9 C policristalino revelaron un comportamiento ferromagnético suave de este carburo κ con una temperatura de Curie de 295 ± 13 K, un momento magnético remanente de 3,22  μ B y un campo coercitivo de 1,9 mT. [3] Las simulaciones DFT confirmaron estos hallazgos e indicaron que otros carburos κ se comportan de manera similar. [7]

Aparición

Carburo κ de Fe3AlC con sitios intersticiales que pueden ser ocupados por átomos de H

Los κ-carburos se encuentran típicamente como precipitados en aceros de alto rendimiento. [8] Un ejemplo común es el acero TRIPLEX con la composición genérica Fe x Mn y Al z C que contiene 18-28 % de manganeso , 9-12 % de aluminio y 0,7-1,2 % de carbono (en porcentaje en masa). [9] Es un acero de alta resistencia y baja densidad que consiste en una solución sólida austenítica de γ– Fe(Mn,Al,C) , κ-carburos de tamaño nanométrico (Fe,Mn)
3AlC
1-xy ferrita α– Fe(Al,Mn) . [9] Otros aceros similares son conocidos por su alta ductilidad . [4] Los κ-carburos se forman generalmente a partir de áreas enriquecidas en carbono a través de la descomposición espinodal y son determinantes clave de las propiedades de estos aceros. [10] La baja densidad se obtiene, por ejemplo, después de un posproceso de laminado en caliente . [1] Al enfriarse, se forman diferentes dominios de austenita y ferrita y los κ-carburos se forman en los límites de estos dominios. [11] Continuar el proceso de enfriamiento conduce a una transición de fase de austenita a ferrita y los κ-carburos se liberan como resultado de una transformación eutectoide en forma de precipitado . [11]

Los carburos κ pueden tener un efecto de fortalecimiento adicional en los aceros [5] porque pueden funcionar como una trampa de hidrógeno para contrarrestar la fragilización por hidrógeno . [3] Las simulaciones DFT ab-initio han demostrado que el hidrógeno puede ocupar el mismo sitio que el carbono en los precipitados de carburo κ o un sitio de red intersticial inicialmente vacío . Por lo tanto, se encontró que un mayor contenido de Mn mejora la captura de H mediante interacciones atractivas de corto alcance. El ordenamiento de corto alcance mencionado anteriormente de Fe y Mn en el carburo κ tiene una influencia significativa en la fuerza de este efecto. [5] Este comportamiento se puede utilizar como un método adicional para hacer frente a la fragilización por hidrógeno que normalmente se previene simplemente minimizando el contacto del metal y el hidrógeno . [4]

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Sozańska-Jędrasik, Liwia; Mazurkiewicz, Janusz; Matus, Krzysztof; Borek, Wojciech (6 de febrero de 2020). "Estructura de aceros Fe-Mn-Al-C después de simulaciones de Gleeble y laminación en caliente". Materiales . 13 (3): 739. Código bibliográfico : 2020Mate...13..739S. doi : 10.3390/ma13030739 . PMC  7041428 . PMID  32041206.
  2. ^ ab Seol, Jae Bok (28 de diciembre de 2018). "Una breve revisión del carburo κ en aleaciones modelo Fe-Mn-Al-C". Applied Microscopy . 48 (4): 117–121. doi : 10.9729/am.2018.48.4.117 .
  3. ^ abcd Dierkes, Hannes; van Leusen, Jan; Bogdanovski, Dimitri; Dronskowski, Richard (17 de enero de 2017). "Síntesis, estructura cristalina, propiedades magnéticas y estabilidad de la fase κ "Mn3AlC" rica en manganeso". Química inorgánica . 56 (3): 1045–1048. doi :10.1021/acs.inorgchem.6b02816. PMID  28094520.
  4. ^ abc Song, Wenwen; Bogdanovski, Dimitri; Yildiz, Ahmet; Houston, Judith; Dronskowski, Richard; Bleck, Wolfgang (10 de enero de 2018). "Sobre el ordenamiento de corto alcance de Mn–C en un acero de alta resistencia y alta ductilidad: dispersión de neutrones de ángulo pequeño e investigación ab initio". Metales . 8 (1): 44. doi : 10.3390/met8010044 .
  5. ^ abc Timmerscheidt, Tobías; Dey, Poulumi; Bogdanovski, Dimitri; von Appen, Jörg; Hickel, Tilmann; Neugebauer, Jörg; Dronskowski, Richard (11 de julio de 2017). "El papel de los carburos κ como trampas de hidrógeno en aceros con alto contenido de manganeso". Metales . 7 (7): 264. doi : 10.3390/met7070264 .
  6. ^ Bartlett, Laura N.; Van Aken, David C.; Medvedeva, Julia; Isheim, Dieter; Medvedeva, Nadezhda I.; Song, Kai (20 de febrero de 2014). "Un estudio de sonda atómica de la precipitación de carburo kappa y el efecto de la adición de silicio". Metallurgical and Materials Transactions A . 45 (5): 2421–2435. Bibcode :2014MMTA...45.2421B. doi : 10.1007/s11661-014-2187-3 .
  7. ^ Seo, Seung-Wo. "Cálculos de primeros principios sobre propiedades termodinámicas y magnetismo de carburo k y modelo de gas de celda de Montecarlo" (PDF) . Consultado el 14 de julio de 2020 .
  8. ^ Gutierrez-Urrutia, I.; Raabe, D. (marzo de 2013). "Influencia del contenido de Al y del estado de precipitación en el comportamiento mecánico de aceros austeníticos de baja densidad y alto contenido en Mn". Scripta Materialia . 68 (6): 343–347. doi :10.1016/j.scriptamat.2012.08.038.
  9. ^ ab Frommeyer, Georg; Brüx, Udo (septiembre de 2006). "Microestructuras y propiedades mecánicas de aceros TRIPLEX ligeros de Fe-Mn-Al-C de alta resistencia". Steel Research International . 77 (9–10): 627–633. doi :10.1002/srin.200606440.
  10. ^ Rana, Radhakanta; Lahaye, Chris; Ray, Ranjit Kumar (29 de agosto de 2014). "Descripción general de los materiales ferrosos ligeros: estrategias y promesas". JOM . 66 (9): 1734–1746. Bibcode :2014JOM....66i1734R. doi : 10.1007/s11837-014-1126-5 .
  11. ^ ab Akdeniz, M. Vedat (26 de agosto de 2008). "Microestructuras de solidificación y morfología de carburos en aleaciones de Fe-Al-Cr-C solidificadas rápidamente". Metals and Materials International . 14 (4): 397–402. Bibcode :2008MMI....14..397A. doi :10.3365/met.mat.2008.08.397. S2CID  121181321.
  • Carburo de κ en aceros (Grupo de investigación sobre transformaciones de fase y propiedades complejas, Universidad de Cambridge)
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