Studying the Hall-Petch effect regarding sub-micrometer steel (0.6% C)

Estudio de la relación Hall-Petch en aceros (0,6% C) submicrométricos

Este trabajo describe la obtención y caracterización mecánica de una aleación de acero 0,6% C con estructura de tamaño de grano inferior a 1 μm. El proceso para la obtención de piezas masivas se inicia sometiendo el polvo a severa deformación plástica en un molino planetario de bolas y a continuación se realiza la consolidación a alta presión y temperaturas entre 350 y 500 °C. El estudio de la evolución del tamaño de grano muestra que los consolidados sin tratamiento térmico posterior conservan su estructura en el rango nanométrico. En muestras con tratamiento térmico se observa un crecimiento controlado debido a los numerosos puntos de nucleación y la presencia de precipitados de cementita. Los resultados de dureza y tamaño de grano obtenidos cumplen la relación de Hall -Petch. Finalmente se analiza la influencia de las técnicas de obtención y de caracterización mecánica empleadas en este trabajo frente a diferentes fuentes bibliográficas.

Introducción

El tamaño de grano tiene un significativo efecto en las propiedades mecánicas de los materiales cristalinos; la reducción del tamaño de grano incrementa la resistencia del material, favoreciendo el desempeño en  aplicaciones de alta exigencia mecánica (Courtney, 2000). Cuando se habla  de  propiedades  mecánicas en materiales con tamaño de grano inferior al micrómetro, denominados ultrafinos UFG (Ultra Fine Grain) y materiales con tamaño de grano inferior a 100 nm denominados nanocristalinos (NC), necesariamente se debe referir a los trabajos hechos a mediados del siglo anterior por Hall (1951) y Petch (1953), quienes de manera separada establecieron una relación entre límite elástico, σ_y, y el tamaño de grano (ecuación 1) :

σ_y = σ₀ + K ⋅ D ^-½ (1)

La ecuación 1 es denominada relación de Hall-Petch, donde σ₀ se interpreta como el esfuerzo de fricción necesario para mover una dislocación no bloqueada a lo largo de un plano de deslizamiento dependiendo en gran medida de la temperatura, deformación y el nivel de aleación o impurezas del material. Este esfuerzo se ve incrementado en función de una constante K que, si bien depende del material, es independiente de la temperatura y el diámetro medio del grano (D) (Dieter, 1988). Adicionalmente, teniendo en cuenta la relación entre dureza y resistencia a la tracción, H = (2,5 a 3) σ₀ (Courtney, 2000). La relación Hall-Petch puede expresarse en términos de dureza como:

H_y= H₀ + K ⋅ D ^-½ (2) 

Aunque la ecuación 2 es ampliamente aceptada en materiales cristalinos con tamaños de grano superiores al micrómetro, desde el relevante trabajo de Chokshi et al. (1989) varios resultados experimentales muestran que esta relación no es tan evidente para materiales UFG y NC. El concepto de apilamiento de dislocaciones ha sido la explicación de la relación Hall-Petch.