Hispanopedia WikiEl efecto Portevin-Le Chatelier (PLC) describe una curva tensión-deformación dentada o un flujo irregular, que algunos materiales exhiben al sufrir deformación plástica , específicamente deformación no homogénea . [ 1 ] Este efecto se ha asociado durante mucho tiempo con el envejecimiento dinámico por deformación o la competencia entre los solutos difusores que fijan las dislocaciones y las dislocaciones que se liberan de esta fijación. [ 2 ]
El inicio del efecto PLC ocurre cuando la sensibilidad a la velocidad de deformación se vuelve negativa y comienza la deformación no homogénea. [ 1 ] Este efecto también puede aparecer en la superficie de la muestra y en bandas de deformación plástica. Este proceso comienza en una denominada deformación crítica , que es la deformación mínima necesaria para el inicio de las estrías en la curva tensión-deformación. La deformación crítica depende tanto de la temperatura como de la velocidad de deformación. [ 2 ] La existencia de una deformación crítica se atribuye a una mejor difusividad del soluto debido a las vacantes creadas por la deformación y al aumento de la densidad de dislocaciones móviles. Ambos contribuyen a la inestabilidad en las aleaciones sustitucionales, mientras que las aleaciones intersticiales solo se ven afectadas por el aumento de las densidades de dislocaciones móviles. [ 3 ]
Historia
Si bien el efecto recibe su nombre de Albert Portevin y François Le Chatelier, [ 4 ] no fueron los primeros en descubrirlo. Félix Savart lo descubrió al observar una deformación no homogénea durante un ensayo de tracción de tiras de cobre. Documentó las estrías físicas en sus muestras, conocidas actualmente como bandas de Portevin-Le Chatelier. Un alumno de Savart, Antoine Masson, repitió el experimento controlando la velocidad de carga. Masson observó que, bajo una velocidad de carga constante, las muestras experimentaban cambios repentinos y significativos en la elongación (de hasta unos pocos milímetros). [ 5 ]
Física subyacente
Gran parte de la física subyacente del efecto Portevin-Le Chatelier reside en un caso específico de arrastre de soluto. La adición de átomos de soluto a un cristal puro introduce una discrepancia de tamaño en el sistema. Esta discrepancia restringe el movimiento de las dislocaciones. A bajas temperaturas, estos átomos de soluto son inmóviles dentro de la red, pero a altas temperaturas, se vuelven móviles e interactúan de forma más compleja con las dislocaciones. Cuando los átomos de soluto son móviles y la velocidad de la dislocación no es demasiado alta, tanto los átomos de soluto como la dislocación pueden moverse juntos, de modo que el átomo de soluto disminuye el movimiento de la dislocación. [ 6 ]
Formación y propagación de bandas PLC
Estudios termomecánicos in situ recientes sobre Hastelloy-X han proporcionado información detallada sobre cómo se originan y evolucionan las bandas de Portevin-Le Chatelier (PLC). La formación de bandas comienza con la acumulación gradual de deformación en puntos microscópicos discretos donde las dislocaciones quedan temporalmente ancladas. A medida que la deformación se concentra, las regiones adyacentes a lo largo de un plano de cizallamiento inclinado entre 50° y 60° con respecto al eje de carga también comienzan a deformarse, lo que da lugar al desarrollo de una banda localizada continua. Cuando la tensión local acumulada supera la resistencia del obstáculo, se produce un deslizamiento rápido, generando una caída repentina de la tensión a escala local y global. Inmediatamente después del deslizamiento, la tensión suele recuperarse hasta el nivel anterior o incluso superarlo debido a la redistribución elástica y al nuevo anclaje de las dislocaciones. Entre sucesivos eventos de deslizamiento, la tensión local puede aumentar con la deformación (endurecimiento local) o disminuir gradualmente (ablandamiento local), dependiendo de la temperatura y la velocidad de deformación. El efecto combinado de estos eventos alternos de ablandamiento, endurecimiento y recuperación produce las oscilaciones de tensión macroscópicas características y el endurecimiento o ablandamiento global observado en el efecto PLC. [ 7 ]
Interacción soluto-dislocación
El efecto Portevin-Le Chatelier se produce en el caso específico de que se produzca un arrastre de soluto y exista una tensión aplicada a la muestra, cuyo rango depende del material. La tensión aplicada provoca un aumento en la velocidad de las dislocaciones, lo que permite que estas se alejen del soluto. Este proceso se conoce comúnmente como "desprendimiento". Una vez que la dislocación se ha alejado del soluto, la tensión sobre ella disminuye, lo que provoca una disminución de su velocidad. Esto permite que los átomos de soluto alcancen la dislocación. Tan pronto como el átomo de soluto la alcanza, la tensión sobre la dislocación aumenta significativamente, lo que provoca que el proceso se repita. [ 6 ]
Los cambios cíclicos descritos anteriormente producen irregularidades en la región plástica del diagrama de tensión-deformación de un ensayo de tracción que experimenta el efecto Portevin-Le Chatelier. La variación de la tensión también provoca una deformación no homogénea en toda la muestra, visible a simple vista mediante la observación de un acabado rugoso. [ 5 ]
Condiciones que afectan el efecto PLC
Temperatura
La temperatura afecta tanto la velocidad de propagación de la banda a través del material como la deformación crítica. La velocidad de propagación de la banda es proporcional a la temperatura (a menor temperatura, menor velocidad; a mayor temperatura, mayor velocidad). A menudo, la deformación crítica disminuye primero debido a la temperatura. [ 2 ] El efecto de la temperatura en el régimen PLC se debe a la mayor capacidad de los solutos para difundirse hacia las dislocaciones con el aumento de la temperatura. Aunque el mecanismo de difusión no se comprende completamente, se cree que los átomos de soluto se difunden por volumen (alta temperatura), por difusión en cintas de fallas de apilamiento entre dislocaciones parciales (temperatura intermedia) o por difusión en tuberías (baja temperatura). [ 3 ]
Tasa de deformación
Si bien la temperatura está relacionada con la velocidad de difusión, la velocidad de deformación determina el tiempo que tardan las dislocaciones en superar estos obstáculos y tiene un efecto drástico en las condiciones del efecto PLC. Por lo tanto, en general, la tensión crítica disminuirá con la velocidad de deformación impuesta. [ 3 ] Además, cuanto mayor sea la velocidad de tensión, menor será la velocidad de banda. [ 2 ]
Precipitados
Los precipitados , que se encuentran frecuentemente en las aleaciones de Al (especialmente en las de tipo Mg), complican el efecto PLC.
A menudo, estos precipitados provocan el llamado comportamiento inverso, que cambia el efecto tanto de la velocidad de deformación como de la temperatura sobre el sólido [ 8 ]. Se ha demostrado que la presencia de precipitados influye en la aparición y desaparición de dentados en la curva de tensión-deformación.
Tamaño del grano
La estructura del material también influye en la apariencia y los parámetros que describen el efecto PLC. Por ejemplo, la magnitud de las caídas de tensión es mayor con un tamaño de grano menor. La deformación crítica suele aumentar con granos más grandes, lo que está relacionado con la dependencia de la densidad de dislocaciones con el tamaño de grano. [ 9 ] La amplitud de la serración es mayor en aleaciones de Al-Mg para un tamaño de grano más fino. Existe una correlación entre el aumento de la deformación crítica y el inicio de la serración con el aumento del tamaño de grano. [ 10 ] Sin embargo, algunos hallazgos indican que el tamaño de grano prácticamente no tiene efecto sobre la velocidad de banda ni sobre el ancho de banda. [ 3 ]
Acabado del material
El pulido del material afecta el inicio del efecto PLC y las velocidades de las bandas. Aparentemente, una superficie más rugosa proporciona más puntos de nucleación para altas tensiones, lo que ayuda a iniciar las bandas de deformación . Estas bandas también se propagan el doble de rápido en la muestra pulida. [ 2 ]
No efectos
El número de vacantes no afecta directamente al punto de inicio del PLC. Se observó que si un material se pre-deforma a un valor equivalente a la mitad del necesario para iniciar el flujo irregular, y luego se deja reposar a la temperatura de ensayo o se recoce para eliminar las vacantes (pero a una temperatura lo suficientemente baja como para que la estructura de dislocaciones no se vea afectada), la deformación crítica total disminuye solo ligeramente, al igual que los tipos de dentados que se producen. [ 11 ]
descriptores de las estrías
Si bien propiedades como la sensibilidad a la velocidad de deformación y la deformación crítica marcan el inicio del efecto PLC, se ha desarrollado un sistema para describir las propias estrías. Estos tipos suelen depender de la velocidad de deformación, la temperatura y el tamaño del grano. [ 9 ] Aunque normalmente las bandas se etiquetan como A, B y C, algunas fuentes han añadido bandas de tipo D y E. [ 12 ] Dado que las bandas de tipo A, B y C son las más frecuentes en la literatura, serán las únicas que se tratarán aquí.
Bandas de tipo A
Las bandas de tipo A se observan a menudo a altas velocidades de deformación y bajas temperaturas. [ 12 ] Son un desarrollo aleatorio de bandas que se forman en toda la muestra. [ 13 ] Generalmente se describen como propagantes continuas con pequeñas caídas de tensión. [ 3 ]
Bandas de tipo B
Las bandas de tipo B a veces se describen como bandas de “salto” y aparecen a velocidades de deformación medias a altas. [ 13 ] A menudo se observa que cada banda se forma delante de la anterior de forma espacialmente correlacionada. Las denticiones son más irregulares y de menor amplitud que las de tipo C. [ 3 ]
Bandas de tipo C
Las bandas C se observan a menudo a bajas velocidades de deformación aplicadas o altas temperaturas. [ 12 ] Estas se identifican con bandas estáticas nucleadas aleatoriamente con grandes caídas de tensión características en la dentadura. [ 3 ]
Otras notas sobre los tipos de bandas
Se cree que los diferentes tipos de bandas representan diferentes estados de dislocación en las bandas, y los tipos de bandas pueden cambiar en una curva de tensión-deformación de los materiales. Actualmente no existen modelos que puedan capturar el cambio en los tipos de bandas [ 3 ].
El efecto Portevin-Le Chatelier (PLC) demuestra la deformación no uniforme de las aleaciones comerciales CuNi25 a temperatura intermedia. En la aleación CuNi25, se manifiesta como irregularidades en forma de dentado en la curva tensión-deformación. Esto evidencia la inestabilidad de la fuerza durante la tracción, la heterogeneidad de la microestructura y la presencia de numerosos factores heterogéneos que afectan sus propiedades mecánicas. [ 14 ]
Problemas causados por el efecto PLC
Debido a que el efecto PLC está relacionado con un mecanismo de fortalecimiento, la resistencia del acero puede aumentar; sin embargo, la plasticidad y la ductilidad de un material afectado por el efecto PLC disminuyen drásticamente. Se sabe que el efecto PLC induce fragilidad azul en el acero; además, la pérdida de ductilidad puede provocar el desarrollo de superficies rugosas durante la deformación (las aleaciones de Al-Mg son especialmente susceptibles a esto), lo que las vuelve inservibles para aplicaciones de carrocería o fundición. [ 2 ]
Referencias
- 1 2 Van Den Beukel, A. (1975). "Teoría del efecto del envejecimiento por deformación dinámica sobre las propiedades mecánicas". Physica Status Solidi A . 30 (1): 197– 206. Bibcode : 1975PSSAR..30..197V . doi : 10.1002/pssa.2210300120 .
- 1 2 3 4 5 6 Abbadi, M.; Hähner, P.; Zeghloul, A. (2002). "Sobre las características de las bandas de Portevin-Le Chatelier en la aleación de aluminio 5182 bajo ensayos de tracción controlados por tensión y deformación". Materials Science and Engineering: A . 337 ( 1– 2): 194– 201. doi : 10.1016/S0921-5093(02)00036-9 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 Ananthakrishna, G. (2007). "Enfoques teóricos actuales sobre el comportamiento colectivo de las dislocaciones". Physics Reports . 440 ( 4– 6): 113– 259. Bibcode : 2007PhR...440..113A . doi : 10.1016/j.physrep.2006.10.003 .
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- 1 2 Franklin, Scott V.; Mertens, F.; Marder, M. (1 de diciembre de 2000). "Efecto Portevin–Le Chatelier". Physical Review E . 62 (6): 8195– 8206. Bibcode : 2000PhRvE..62.8195F . doi : 10.1103/PhysRevE.62.8195 . PMID 11138118 .
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Véase también
- Ciencias de los materiales