¿Cómo afecta el tamaño del grano a la resistencia del acero?

La resistencia de la mayoría de los metales depende del tamaño promedio de grano en un material policristalino y del tamaño de la muestra en materiales monocristalinos. Para comprender esto, debe considerar qué determina la resistencia del material.

La resistencia de los metales es la tensión requerida para que los metales comiencen a fluir plásticamente, un flujo de plástico puede ser el resultado de una serie de mecanismos de deformación, como la migración del límite de grano o la formación de gemelos, pero el mecanismo más importante es el deslizamiento por dislocación. Más o menos, la fuerza de un cristal es el estrés requerido para activar su dislocación más débil. Por activar quiero decir que comience a deslizarse, y dado que el esfuerzo requerido para el deslizamiento por dislocación es inversamente proporcional a su longitud, la dislocación más débil (la que se deslizaría en el esfuerzo aplicado más bajo) es la dislocación más larga.

Ahora, para los granos más grandes, estadísticamente hablando, hay una mayor probabilidad de que tengan dislocaciones más largas, ya que el estrés requerido para activar algunas de estas dislocaciones (las más largas) es menor que el estrés requerido para activar las dislocaciones que normalmente encontraría en un cristal más pequeño donde las dislocaciones más largas son significativamente más cortas.

Esto significa que los cristales más grandes son más débiles que los más pequeños. Hay otro factor que no hemos discutido aquí, que es el factor Schmidt, o la orientación del vector de hamburguesas de dislocación y el plano de deslizamiento a la dirección de aplicación de la carga. Dependiendo de esta orientación, es posible que algunas dislocaciones nunca se deslicen, sin importar cuánto tiempo sean o cuán alto sea el esfuerzo aplicado (piense en aplicar un esfuerzo de tracción normal al plano de deslizamiento de la dislocación, por ejemplo). Los materiales policristalinos tienen cristales que tienen todas las orientaciones diferentes (de nuevo, estadísticamente hablando), por lo tanto, habrá una cantidad de cristales con un factor Schmidt lo suficientemente alto como para que sus dislocaciones se deslicen. Para muestras policristalinas lo suficientemente grandes, la orientación no es un factor y la resistencia depende solo del tamaño promedio del grano.

Para materiales monocristalinos, tanto el tamaño de la muestra (que es el mismo que el tamaño del grano) como la orientación juegan un papel en la resistencia de la muestra por las razones presentadas anteriormente.

En resumen, el tamaño del grano afecta la resistencia al controlar la longitud de las dislocaciones que puede contener un grano, lo que a su vez controla el estrés de activación de la dislocación, que está relacionado con la resistencia general de la muestra.

Generalmente, a medida que aumenta el tamaño del grano, disminuye la resistencia.

Motivo: todos los granos están separados por los límites de grano. La fuerza generalmente se atribuye al movimiento de dislocación. Estos límites de grano actúan como un obstáculo para las dislocaciones. Si los tamaños de grano son pequeños, la densidad de grano (como en el número de granos) sería alta. Estas dislocaciones comienzan a acumularse en los límites del grano.

El número de dislocaciones acumuladas juega un papel directo en el aumento de la tensión en los límites del grano. Para ser más precisos, si hay ‘n’ dislocaciones, la tensión que actúa sobre los límites del grano sería ‘n’ veces la tensión normal.

Si el límite de grano en una muestra cede ante una tensión ‘T’, debe haber al menos una tensión de [matemática] \ dfrac {T} {n} [/ matemática] para hacer que la frontera se colapse.

En materiales de gran tamaño de grano, la acumulación de dislocaciones es alta, es decir, el valor ‘n’ es alto. Por lo tanto, en estos materiales, es necesario que se aplique un valor de tensión más bajo para hacer que el límite del grano se colapse en comparación con el material de menor tamaño (ya que las dislocaciones se acumulan menos).

Esto implica que, para un valor de tensión menor, las dislocaciones se mueven libremente en materiales de gran tamaño.

Conclusión: De la información anterior, podemos concluir que la resistencia es alta en un material con un tamaño de grano más pequeño.

Granos más pequeños de acero más fuerte. La resistencia de un material a menudo está limitada por su capacidad para producir y contener defectos en la estructura cristalina. A medida que aumenta el número de granos, también lo hace la cantidad de límites entre los granos, estos límites son efectivos para atrapar defectos. Esto hace que el material sea más fuerte, aunque más frágil.

El ejemplo más fácil de esto es un clip. Puedes doblarlo, pero no se doblará hacia atrás perfectamente. El área donde ocurrió la curva ahora tiene una acumulación de defectos, lo que hace que esa pequeña área sea más fuerte y ahora resistirá moverse nuevamente. Las curvas o giros repetidos eventualmente harán que pierda su ductilidad, se vuelva más frágil y se rompa. Esto se llama “endurecimiento del trabajo” y es una de las razones por las que las espadas estaban hechas de láminas dobladas y martilladas muchas veces en lugar de fundirse directamente.