Reforzamiento por solución sólida de Sn y Pb en una matriz de aluminio

El último artículo de revista Tecnología de superficies y recubrimientos proporciona un análisis del fortalecimiento de la solución sólida (SSS) de Sn y Pb en una matriz de aluminio (Al) cuando se expone a un haz de electrones pulsados ​​de alta corriente (HCPEB).

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Estudiar: La aleación superficial de aluminio con Sn y Pb para el mecanismo de mejora bajo haz de electrones pulsados ​​de alta corriente. Haber de imagen: Fotografía de AnnaElizabeth/Shutterstock.com

Importancia del aluminio y sus aleaciones

El aluminio (Al) y sus aleaciones se utilizan ampliamente en diversas industrias, incluidas la automotriz, la de equipos deportivos, la aviación y las piezas electrónicas, debido a su ductilidad superior y sus excelentes propiedades mecánicas. Debido a sus excelentes propiedades de abrasión y desgaste, las aleaciones de Al están compuestas de átomos más blandos (como Sn y Pb) y se utilizan con frecuencia como sustancias de impacto de arrastre en centrales eléctricas.

Efectos del dopaje con aluminio

La introducción de gránulos elementales para el ablandamiento conduciría sin duda a un deterioro del endurecimiento de la aleación. Como resultado, los investigadores se centraron en convertir los átomos dopantes en una solución sólida para superar el problema. Además, la ganancia de resistencia depende en gran medida de la solubilización del elemento introducido en la matriz.

Limitaciones de la adición de plomo (Pb) y estaño (Sn)

La desventaja de las estructuras de Pb/ y Sn/Al en sólidos cristalinos es que tienen cambios positivos en la entalpía de mezcla. A temperatura ambiente, la velocidad de disolución de los átomos de soluto en la estructura compuesta es marginal, lo que se denomina inmiscibilidad binaria. Esencialmente, los desafíos de aleación en estos sistemas insolubles se atribuyen a la falta de motivadores externos, que pueden superarse utilizando técnicas de no equilibrio.

Introducción a la irradiación por haz de electrones pulsados ​​de alta corriente (HCPEB)

La exposición a la radiación con un haz de electrones pulsados ​​de alta corriente (HCPEB) se ha sugerido recientemente como una posible innovación de no equilibrio para sistemas inmiscibles. Estudios previos han establecido que el estrés del tratamiento térmico rápido durante el procedimiento HCPEB desarrolla una gran cantidad de defectos tales como vacancia, desestabilización y límites de grano (GB).

La energía almacenada en estos marcos podría servir como medio de difusión. Mientras tanto, las ubicaciones en estas deformaciones actuaron como una separación preferible de solutos a través de la interdifusión, extendiendo en última instancia la formabilidad de los sistemas inmiscibles.

Tales microestructuras modificadas no solo pueden facilitar la creación de soluciones sólidas, sino que también pueden dar como resultado una capa exterior con cualidades significativamente mejoradas después de la exposición a la radiación HCPEB.

Fortalecimiento de solución sólida y HCPEB

Debido a la baja solubilidad, el fortalecimiento de la solución sólida (SSS) puede ser extremadamente bajo. La irradiación de HCPEB aumentará la solubilidad y aumentará el impacto de SSS. Se necesitan mediciones cuantitativas de variables de refuerzo independientes para evaluar la participación de SSS bajo la irradiación HCPEB. Se necesitan funciones de medición precisas, como distorsión de red, tamaño de grano, distribución de tamaño de partícula y solubilidad de soluto, para clasificar esto con precisión.

Factores que afectan el fortalecimiento de las aleaciones

Principalmente, uno de los parámetros clave de microdureza para fortalecer las aleaciones ha sido la adición de soluto para formar una solución sólida. El método principal de SSS es el compromiso entre desalineaciones y anomalías de soluto. El endurecimiento por soluto tiene un origen físico que está profundamente relacionado con los módulos elásticos, como el módulo de corte.

Además, la iniciación de los átomos de soluto en la estructura cristalina compuesta hace que se expanda y demuestre una mayor mejora de la tensión a medida que aumenta la concentración. Reconocer SSS en diferentes concentraciones es clave para mejorar las características de las aleaciones de aluminio y desarrollar materiales innovadores.

Modelos para estudiar SSS

Para evaluar el impacto de SSS, se han desarrollado marcos. El modelo de Labusch, que reconoce los sistemas de refuerzo de solutos como una ocurrencia simultánea de múltiples moléculas de soluto alrededor de las deformaciones, es apropiado para la mayoría de los campos de la ingeniería y los metales. El fortalecimiento de la solución sólida en este modelo estuvo determinado principalmente por la constante de red, los módulos y la concentración de soluto.

Resultados de la búsqueda

Las constantes reticulares óptimas de la celda primitiva de masa Al (4 átomos) se han mejorado en base a las cifras para ser a = 4.039, lo cual es consistente con los datos científicos experimentales (a = 4.049), lo que ilustra la validez de los cálculos.

Además, los parámetros de la red experimental fueron aproximadamente continuos con los resultados teóricos. Las constantes de red de ajuste lineal de los resultados teóricos y experimentales mostraron un cumplimiento ideal de la ley de Vegard, lo que permitió predecir los parámetros de red de los sistemas Pb/ y Sn/Al.

A medida que aumentaba la concentración, aumentaba la resistencia de ambas soluciones basadas en Al. Por lo tanto, la concentración de soluto es esencial para un refuerzo eficaz. La resistencia de la solución sólida de Al(Pb) fue significativamente mayor que la del monocristal de Al(Sn) a la misma intensidad. Esto puede explicarse por el aumento de la fuerza de varias moléculas de soluto.

Brevemente, los cálculos hipotéticos muestran que el átomo de Sn se combina preferentemente con los átomos de Al en lugar del átomo de Pb. En consecuencia, SSS juega un papel importante como marco de refuerzo durante la irradiación de HCPEB.

Referencia

Zhang, C. et. otros (2022) La aleación superficial de aluminio con Sn y Pb para el mecanismo de mejora bajo haz de electrones pulsados ​​de alta corriente. Tecnología de superficies y recubrimientos. 128640. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0257897222005618?via%3Dihub

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