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¿Por qué algunos metales resisten la deformación? ¡Descubre el misterio de la atmósfera de Cottrell!
En la ciencia de los materiales, el concepto de atmósfera de Cottrell fue propuesto por primera vez por A. H. Cottrell y B. A. Bilby en 1949 para explicar cómo las dislocaciones en ciertos metales son fijadas por átomos intersticiales como el boro, el carbono o el nitrógeno. Este fenómeno ocurre en materiales con estructuras cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) y cúbicas centradas en las caras (FCC), como el hierro o el níquel, donde están presentes pequeños átomos de impurezas. Estos átomos intersticiales distorsionan ligeramente la red y crean un campo de tensión residual asociado a su alrededor. Este campo de tensión se alivia con la propagación de átomos intersticiales hacia la dislocación y, por lo tanto, después de que los átomos se difunden en el núcleo de la dislocación, permanecen durante mucho tiempo, formando la atmósfera de Cottrell.
La acumulación de estos átomos intersticiales puede reducir eficazmente la energía de la dislocación, al tiempo que impide su posterior movimiento, y así, la dislocación queda “fijada” por la atmósfera de Cottrell.
La atmósfera de Cottrell también tiene un impacto importante en el comportamiento mecánico de los materiales. La fijación de la dislocación significa que, a temperatura ambiente, la dislocación no se desarma fácilmente y, por lo tanto, se observa el punto de fluencia superior en el diagrama de tensión-deformación. Después de este punto de rendimiento superior, las dislocaciones grapadas se convierten en fuentes de Frank-Read, produciendo nuevas dislocaciones no grapadas que son libres de moverse, lo que resulta en la deformación del material de una manera más plástica. Después de un período de tratamiento de envejecimiento, el punto de rendimiento superior se recupera a medida que los átomos se redifunden hacia el núcleo de la dislocación. Por lo tanto, la atmósfera de Cottrell también crea la formación de la zona de Lüders, que se convierte en un obstáculo de fabricación durante el estiramiento profundo y la fabricación de láminas de gran tamaño.
Para eliminar los efectos de la atmósfera de Cottrell, algunos aceros especiales eliminan todos los átomos intersticiales. Estos aceros, como el acero sin juntas, se descarbonizan y se añade una pequeña cantidad de titanio para eliminar el nitrógeno.
Los estudios han demostrado que la atmósfera de Cottrell y la resistencia a la viscosidad causada por ella son un factor importante en la deformación a alta temperatura, lo que dificulta el movimiento de dislocación.
La influencia de la atmósfera de Cottrell en el comportamiento del material a altas temperaturas equivalentes también es extremadamente importante. Cuando el material sufre condiciones de fluencia, el movimiento de dislocación que acompaña a la atmósfera de Cottrell introduce resistencia, lo que ralentiza el proceso de deformación plástica. Esta fuerza de arrastre F_drag se puede representar de la siguiente manera en determinadas condiciones:
F_arrastre = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Aquí D_sol es la difusividad de los átomos de soluto en el material base, Ω es el volumen atómico, v es la velocidad de las dislocaciones, J es la densidad del flujo de difusión y c es la concentración de soluto. La presencia de la atmósfera de Cottrell y la influencia de la resistencia a la viscosidad resultaron cruciales en el proceso de deformación a alta temperatura bajo estrés moderado y también ocuparon un lugar en la categoría de degradación de la ley de potencia.
Fenómeno similar
Aunque la atmósfera de Cottrell es un efecto universal, surgen mecanismos similares cuando las condiciones son más especiales. Por ejemplo, el efecto Suzuki se manifiesta como la segregación de moléculas de soluto hacia defectos de apilamiento. En los sistemas cúbicos centrados en las caras, cuando una dislocación se divide en dos dislocaciones parciales, se forman defectos hexagonales apilados muy juntos entre las dos partes. H. Suzuki predijo que la concentración de átomos de soluto en este límite sería diferente de la del volumen y, por lo tanto, cruzar el campo de estos átomos de soluto también produciría una mayor resistencia al movimiento de dislocación, similar al efecto de la atmósfera de Cottrell.
Además, el efecto Snoek implica la fricción interna producida por la migración de corto alcance de los átomos de soluto intersticiales en la red α-Fe cuando se aplica tensión, un efecto que también es pronunciado en Porter u otros materiales de aleación, lo que aumenta la Resistencia y tenacidad del material.
Materiales y posibilidades para futuras exploraciones
Existen dislocaciones descritas por la atmósfera de Cottrell en materiales como metales y materiales semiconductores (por ejemplo, cristales de silicio), un fenómeno que es crucial para la resistencia a la deformación de los metales y sus aplicaciones. En el futuro, con una investigación en profundidad sobre el comportamiento de los materiales, se podrá explorar el potencial de aplicación de la atmósfera de Cottrell en el diseño de nuevos materiales y se podrán desarrollar aleaciones aún más avanzadas para optimizar las propiedades de los materiales.
¿Cómo utilizará exactamente la ciencia de los materiales del futuro el conocimiento de la atmósfera de Cottrell para mejorar las propiedades y la dureza de los metales?
