Mecanismos de refuerzo de materiales

Se han ideado métodos para modificar el límite elástico, la ductilidad y la tenacidad de materiales tanto cristalinos como amorfos. Estos mecanismos de reforzamiento permiten a los ingenieros adaptar las propiedades mecánicas de los materiales a diversas aplicaciones. Por ejemplo, las propiedades favorables del acero se deben a la incorporación intersticial de carbono en la red de hierro. El latón, una aleación binaria de cobre y zinc, posee propiedades mecánicas superiores a las de sus metales constituyentes debido al reforzamiento por disolución. El endurecimiento por acritud (como golpear una pieza de metal al rojo vivo contra un yunque) también ha sido utilizado durante siglos por los herreros para introducir dislocaciones en los materiales, aumentando así su límite elástico.La deformación plástica se produce cuando un gran número de dislocaciones se mueve y se multiplica, dando lugar a una deformación macroscópica. En otras palabras, es el movimiento de las dislocaciones en el material lo que permite la deformación. Si queremos mejorar las propiedades mecánicas de un material (es decir, aumentar la fluencia y la resistencia a la tracción), simplemente necesitamos introducir un mecanismo que impida la movilidad de estas dislocaciones. Cualquiera que sea el mecanismo (endurecimiento por acritud, reducción del tamaño del grano, etc.), todos ellos dificultan el movimiento de las dislocaciones y hacen que el material sea más resistente que antes.La tensión necesaria para provocar el movimiento de dislocación es órdenes de magnitud menor que la tensión teórica necesaria para desplazar un plano completo de átomos, por lo que este modo de alivio de tensión es energéticamente favorable. Por lo tanto, la dureza y la resistencia (tanto a la fluencia como a la tracción) dependen fundamentalmente de la facilidad con la que se mueven las dislocaciones. Se pueden introducir en la red puntos de fijación, o ubicaciones en el cristal que se oponen al movimiento de las dislocaciones, para reducir la movilidad de las dislocaciones, aumentando así la resistencia mecánica. Las dislocaciones pueden fijarse debido a las interacciones del campo de tensión con otras dislocaciones y partículas de soluto, creando barreras físicas contra los precipitados de la segunda fase que se forman a lo largo de los límites de grano. Existen cinco mecanismos principales de fortalecimiento para los metales; cada uno es un método para prevenir el movimiento y la propagación de las dislocaciones, o para hacerlo energéticamente desfavorable para su movimiento. Para un material que ha sido reforzado mediante algún método de procesamiento, la cantidad de fuerza necesaria para iniciar una deformación irreversible (plástica) es mayor que para el material original.En materiales amorfos como polímeros, cerámicas amorfas (vidrio) y metales amorfos, la falta de orden a largo plazo provoca fluencia mediante mecanismos como fractura frágil, agrietamiento y formación de bandas de cizallamiento. En estos sistemas, los mecanismos de reforzamiento no implican dislocaciones, sino modificaciones en la estructura química y el procesamiento del material constituyente.La resistencia de los materiales no puede aumentar infinitamente. Cada uno de los mecanismos que se explican a continuación implica una compensación que compromete otras propiedades del material durante el proceso de fortalecimiento.Las dislocaciones son las principales especies responsables del endurecimiento por deformación. Estas interactúan entre sí generando campos de tensión en el material. La interacción entre los campos de tensión de las dislocaciones puede impedir su movimiento mediante interacciones repulsivas o atractivas. Además, si dos dislocaciones se cruzan, se produce un entrelazamiento de líneas de dislocación, lo que provoca la formación de un quiebre que se opone al movimiento de la dislocación. Estos entrelazamientos y quiebres actúan como puntos de fijación que se oponen al movimiento de la dislocación. Dado que ambos procesos son más probables cuando hay más dislocaciones, existe una correlación entre la densidad de dislocaciones y la resistencia al corte.El refuerzo por cizallamiento proporcionado por las interacciones de dislocación se puede describir mediante:

${\displaystyle \Delta \tau _{d}=\alpha Gb{\sqrt {\rho _{\perp }$

Donde ${\displaystyle \alpha }$ es una constante proporcionalidad, ${\displaystyle G.$ es el módulo de tijera, ${\displaystyle b}$ es el vector Burgers, y ${\displaystyle \rho _{\perp }$ es la densidad de dislocación.

La densidad de dislocación se define como la longitud de la línea de dislocación por unidad de volumen:

${\displaystyle \rho _{\perp }={\frac {\ell } {\ell }} {\fn}} {\fn}}}$

De manera similar, el fortalecimiento axial será proporcional a la densidad de dislocaciones.

${\displaystyle \Delta \sigma ¿Qué? {Gb{\sqrt {\rho _{\perp }$

Esta relación no se aplica cuando las dislocaciones forman estructuras celulares. Cuando se forman estructuras celulares, el tamaño celular promedio controla el efecto de fortalecimiento.

Aumentar la densidad de dislocación aumenta la fuerza de rendimiento que da lugar a un mayor estrés de derrame requerido para mover las dislocaciones. Este proceso se observa fácilmente mientras se trabaja un material (por un proceso de trabajo frío en metales). Teóricamente, la fuerza de un material sin dislocaciones será extremadamente alta ()${\displaystyle \sigma \approx {\frac {G}{10}}$) porque la deformación plástica requeriría la ruptura de muchos lazos simultáneamente. Sin embargo, a valores moderados de densidad de dislocación de alrededor de 10⁷-10⁹ dislocaciones/m², el material exhibirá una fuerza mecánica significativamente menor. Analógicamente, es más fácil mover una alfombra de goma a través de una superficie propagando una pequeña onda a través de ella que arrastrando toda la alfombra. At dislocation densities of 10¹⁴ dislocaciones/m² o superior, la fuerza del material se vuelve alta una vez más. Además, la densidad de dislocación no puede ser infinitamente alta, porque entonces el material perdería su estructura cristalina.

Para este mecanismo de fortalecimiento, los átomos de soluto de un elemento se añaden a otro, lo que resulta en defectos puntuales sustitucionales o intersticiales en el cristal (véase la figura de la derecha). Los átomos de soluto causan distorsiones reticulares que impiden el movimiento de las dislocaciones, aumentando así la tensión de fluencia del material. Los átomos de soluto tienen campos de tensión a su alrededor que pueden interactuar con los de las dislocaciones. La presencia de átomos de soluto imparte tensiones de compresión o tracción a la red, dependiendo del tamaño del soluto, que interfieren con las dislocaciones cercanas, haciendo que los átomos de soluto actúen como barreras de potencial.El esfuerzo cortante necesario para mover las dislocaciones en un material es:

${\displaystyle Delta \tau =Gb{\sqrt {c}\epsilon ^{3/2}$

Donde ${\displaystyle c}$ es la concentración del soluto y ${\displaystyle \epsilon }$ es la tensión en el material causado por el soluto.

Aumentar la concentración de átomos de soluto aumentará el límite elástico de un material, pero existe un límite en la cantidad de soluto que se puede agregar, y se debe observar el diagrama de fases del material y la aleación para asegurarse de que no se cree una segunda fase.En general, el fortalecimiento de una solución sólida depende de la concentración de átomos de soluto, su módulo de cizallamiento, su tamaño, su valencia (para materiales iónicos) y la simetría del campo de tensión del soluto. La magnitud del fortalecimiento es mayor para campos de tensión asimétricos, ya que estos solutos pueden interactuar tanto con dislocaciones de borde como con dislocaciones helicoidales, mientras que los campos de tensión simétricos, que solo causan cambios de volumen y no de forma, solo pueden interactuar con dislocaciones de borde.

En la mayoría de los sistemas binarios, la aleación por encima de una concentración dada por el diagrama de fases provocará la formación de una segunda fase. Esta segunda fase también puede crearse mediante tratamientos mecánicos o térmicos. Las partículas que componen los precipitados de la segunda fase actúan como puntos de fijación de forma similar a los solutos, aunque las partículas no son necesariamente átomos individuales.Las dislocaciones en un material pueden interactuar con los átomos del precipitado de dos maneras (véase la Figura 2). Si los átomos del precipitado son pequeños, las dislocaciones los atravesarían. Como resultado, nuevas superficies (b en la Figura 2) de la partícula quedarían expuestas a la matriz y la energía interfacial partícula-matriz aumentaría. Para partículas de precipitado más grandes, se produciría una curvatura o arqueamiento de las dislocaciones, lo que resultaría en su alargamiento. Por lo tanto, a un radio crítico de aproximadamente 5 nm, las dislocaciones atravesarán preferentemente el obstáculo, mientras que para un radio de 30 nm, las dislocaciones se arquearán o arquearán fácilmente para superar el obstáculo.Las descripciones matemáticas son las siguientes:

Para el arco de partículas... ${\displaystyle \Delta \tau ={Gb \over L-2r}}$

Para el corte de partículas... ${\displaystyle \Delta \tau ={\gamma \pi r \over bL}$

El reforzamiento por dispersión es un tipo de reforzamiento por partículas en el que los precipitados incoherentes atraen y fijan las dislocaciones. Estas partículas suelen ser más grandes que las del endurecimiento por precipitación de Orowon, mencionado anteriormente. El efecto del reforzamiento por dispersión es efectivo a altas temperaturas, mientras que el reforzamiento por precipitación mediante tratamientos térmicos suele limitarse a temperaturas mucho más bajas que la temperatura de fusión del material. Un tipo común de reforzamiento por dispersión es el reforzamiento por dispersión de óxido.En un metal policristalino, el tamaño de grano tiene una enorme influencia en las propiedades mecánicas. Debido a que los granos suelen tener orientaciones cristalográficas variables, surgen límites de grano. Durante la deformación, se produce movimiento de deslizamiento. Los límites de grano actúan como un impedimento para el movimiento de dislocación por las dos razones siguientes:1. La dislocación debe cambiar su dirección de movimiento debido a la diferente orientación de los granos. 2. Discontinuidad de los planos de deslizamiento del grano uno al grano dos.

La tensión necesaria para mover una dislocación de un grano a otro y deformar plásticamente un material depende del tamaño del grano. El número promedio de dislocaciones por grano disminuye con el tamaño promedio del grano (véase la Figura 3). Un menor número de dislocaciones por grano resulta en una menor acumulación de presión de dislocación en los límites de grano. Esto dificulta que las dislocaciones se muevan hacia los granos adyacentes. Esta relación, conocida como la relación de Hall-Petch, se puede describir matemáticamente de la siguiente manera:

${\displaystyle \sigma ¿Qué? ¿Qué?$,

Donde ${\displaystyle k}$ es una constante, ${\displaystyle d}$ es el diámetro promedio del grano y ${\displaystyle \sigma _{y,0}$ es el estrés de rendimiento original.

El hecho de que el límite elástico aumente al disminuir el tamaño de grano conlleva la salvedad de que este no puede reducirse infinitamente. A medida que disminuye el tamaño de grano, se genera más volumen libre, lo que resulta en un desajuste reticular. Por debajo de aproximadamente 10 nm, los límites de grano tenderán a deslizarse; un fenómeno conocido como deslizamiento de los límites de grano. Si el tamaño de grano es demasiado pequeño, se dificulta el ajuste de las dislocaciones en el grano y la tensión necesaria para moverlas es menor. Hasta hace poco, no era posible producir materiales con tamaños de grano inferiores a 10 nm, por lo que el descubrimiento de que la resistencia disminuye por debajo de un tamaño de grano crítico aún encuentra nuevas aplicaciones.Este método de endurecimiento se utiliza para aceros.Los aceros de alta resistencia generalmente se clasifican en tres categorías básicas, según el mecanismo de refuerzo empleado: 1- Aceros reforzados por solución sólida (aceros refos) 2- Aceros refinados de grano o aceros de baja aleación y alta resistencia (HSLA) 3- Aceros endurecidos por transformación

Los aceros endurecidos por transformación son el tercer tipo de aceros de alta resistencia. Estos aceros utilizan predominantemente niveles más altos de C y Mn, junto con un tratamiento térmico para aumentar la resistencia. El producto final tendrá una microestructura dúplex de ferrita con diferentes niveles de martensita degenerada. Esto permite distintos niveles de resistencia. Existen tres tipos básicos de aceros endurecidos por transformación: los de fase dual (DP), los de plasticidad inducida por transformación (TRIP) y los martensíticos.El proceso de recocido para aceros de doble fase consiste en mantener el acero en la región de temperatura alfa + gamma durante un período determinado. Durante ese tiempo, el C y el Mn se difunden en la austenita, dejando una ferrita de mayor pureza. Posteriormente, el acero se templa para que la austenita se transforme en martensita, y la ferrita permanece en enfriamiento. Posteriormente, el acero se somete a un ciclo de revenido para permitir cierto grado de descomposición en el sitio de martensita. Controlando la cantidad de martensita en el acero, así como el grado de revenido, se puede controlar el nivel de resistencia. Dependiendo del procesamiento y la composición química, el nivel de resistencia puede oscilar entre 350 y 960 MPa.Los aceros TRIP también utilizan C y Mn, junto con un tratamiento térmico, para retener pequeñas cantidades de austenita y bainita en una matriz de ferrita. El procesamiento térmico de los aceros TRIP implica, a su vez, el recocido del acero en la región a + g durante un período de tiempo suficiente para permitir que el C y el Mn se difundan en la austenita. Posteriormente, el acero se templa hasta un punto superior a la temperatura inicial de la martensita y se mantiene allí. Esto permite la formación de bainita, un producto de la descomposición de la austenita. A esta temperatura, se permite que más C enriquezca la austenita retenida. Esto, a su vez, reduce la temperatura inicial de la martensita por debajo de la temperatura ambiente. Tras el temple final, se retiene una austenita metaestable en la matriz predominantemente ferrítica, junto con pequeñas cantidades de bainita (y otras formas de austenita descompuesta). Esta combinación de microestructuras ofrece las ventajas adicionales de una mayor resistencia mecánica y resistencia al estrechamiento durante el conformado. Esto ofrece importantes mejoras en la conformabilidad en comparación con otros aceros de alta resistencia. En esencia, a medida que se conforma el acero TRIP, se vuelve mucho más resistente. La resistencia a la tracción de los aceros TRIP se encuentra en el rango de 600 a 960 MPa.Los aceros martensíticos también tienen un alto contenido de C y Mn. Estos se templan completamente durante el procesamiento para formar martensita. Posteriormente, la estructura martensítica se revene hasta alcanzar el nivel de resistencia adecuado, lo que aumenta la tenacidad del acero. La resistencia a la tracción de estos aceros alcanza hasta 1500 MPa.Los polímeros se fracturan mediante la ruptura de enlaces inter e intramoleculares; por lo tanto, la estructura química de estos materiales desempeña un papel fundamental en el aumento de su resistencia. En polímeros compuestos por cadenas que se deslizan fácilmente entre sí, se pueden utilizar enlaces cruzados químicos y físicos para aumentar la rigidez y el límite elástico. En polímeros termoestables (plásticos termoestables), los puentes disulfuro y otros enlaces cruzados covalentes dan lugar a una estructura dura que puede soportar temperaturas muy altas. Estos enlaces cruzados son particularmente útiles para mejorar la resistencia a la tracción de materiales con mucho volumen libre propensos al agrietamiento, típicamente polímeros vítreos y frágiles. En elastómeros termoplásticos, la separación de fases de componentes monoméricos diferentes conduce a la asociación de dominios duros dentro de una fase blanda, lo que produce una estructura física con mayor resistencia y rigidez. Si la fluencia se produce por el deslizamiento de las cadenas (bandas de cizallamiento), la resistencia también puede aumentarse introduciendo pliegues en las cadenas de polímero mediante enlaces carbono-carbono insaturados.La adición de materiales de relleno, como fibras, plaquetas y partículas, es una técnica común para reforzar los materiales poliméricos. Rellenos como arcilla, sílice y materiales de red de carbono se han investigado y utilizado ampliamente en compuestos poliméricos, en parte debido a su efecto sobre las propiedades mecánicas. Los efectos de confinamiento por rigidez cerca de interfaces rígidas, como las que se producen entre una matriz polimérica y materiales de relleno más rígidos, mejoran la rigidez de los compuestos al restringir el movimiento de las cadenas poliméricas. Esto se observa especialmente cuando los rellenos se tratan químicamente para interactuar fuertemente con las cadenas poliméricas, lo que aumenta el anclaje de las cadenas poliméricas a las interfaces del relleno y, por lo tanto, restringe aún más el movimiento de las cadenas alejándose de la interfaz. Los efectos de confinamiento por rigidez se han caracterizado en nanocompuestos modelo y muestran que los compuestos con escalas de longitud del orden de nanómetros aumentan drásticamente el efecto de los rellenos sobre la rigidez del polímero.El aumento del volumen de la unidad monomérica mediante la incorporación de anillos arílicos es otro mecanismo de fortalecimiento. La anisotropía de la estructura molecular implica que estos mecanismos dependen en gran medida de la dirección de la tensión aplicada. Si bien los anillos arílicos aumentan drásticamente la rigidez a lo largo de la cadena, estos materiales pueden seguir siendo frágiles en direcciones perpendiculares. La estructura macroscópica puede ajustarse para compensar esta anisotropía. Por ejemplo, la alta resistencia del kevlar se debe a una macroestructura multicapa apilada donde las capas de polímero aromático giran con respecto a sus vecinas. Cuando se cargan de forma oblicua a la dirección de la cadena, los polímeros dúctiles con enlaces flexibles, como el polietileno orientado, son muy propensos a la formación de bandas de cizallamiento, por lo que las estructuras macroscópicas que colocan la carga paralela a la dirección de estirado aumentarían la resistencia.Mezclar polímeros es otro método para aumentar la resistencia, especialmente con materiales que presentan agrietamiento previo a la fractura frágil, como el poliestireno atáctico (APS). Por ejemplo, al formar una mezcla 50/50 de APS con óxido de polifenileno (PPO), esta tendencia a la fragilización puede suprimirse casi por completo, aumentando sustancialmente la resistencia a la fractura.Las redes poliméricas interpenetrantes (IPN), que consisten en redes poliméricas reticuladas entrelazadas sin enlaces covalentes, pueden aumentar la resistencia de los materiales poliméricos. El uso de IPN impone compatibilidad (y, por lo tanto, homogeneidad a macroescala) en mezclas que de otro modo serían inmiscibles, lo que permite una combinación de propiedades mecánicas. Por ejemplo, las IPN de silicona-poliuretano muestran una mayor resistencia al desgarro y a la flexión que las redes de silicona base, a la vez que conservan la alta recuperación elástica de la red de silicona a altas deformaciones. También se puede lograr una mayor rigidez mediante el pretensado de las redes poliméricas y la posterior formación secuencial de una red secundaria dentro del material tensado. Esto aprovecha el endurecimiento por deformación anisotrópica de la red original (alineación de las cadenas por estiramiento de las cadenas poliméricas) y proporciona un mecanismo mediante el cual las dos redes se transfieren la tensión entre sí debido a la deformación impuesta sobre la red pretensada.Muchos vidrios de silicato son resistentes a la compresión, pero débiles a la tensión. Al introducir tensión de compresión en la estructura, se puede aumentar la resistencia a la tracción del material. Esto se logra típicamente mediante dos mecanismos: tratamiento térmico (revenido) o baño químico (mediante intercambio iónico).En los vidrios templados, se utilizan chorros de aire para enfriar rápidamente las superficies superior e inferior de una placa de vidrio reblandecida (caliente). Dado que la superficie se enfría más rápido, hay más volumen libre en ella que en la masa fundida. El núcleo de la placa tira entonces de la superficie hacia adentro, lo que genera una tensión de compresión interna en la superficie. Esto aumenta sustancialmente la resistencia a la tracción del material, ya que las tensiones de tracción ejercidas sobre el vidrio deben resolver las tensiones de compresión antes de ceder.

${\displaystyle \sigma # {y=modified}=\sigma _{y,0}+\sigma ¿Qué?$

Alternativamente, en el tratamiento químico, una placa de vidrio tratada con formadores de red y modificadores se sumerge en un baño de sales fundidas que contiene iones de mayor tamaño que los presentes en el modificador. Debido a un gradiente de concentración de iones, es necesario que se produzca transporte de masa. A medida que el catión de mayor tamaño se difunde desde la sal fundida hacia la superficie, reemplaza al ion de menor tamaño del modificador. El ion de mayor tamaño, al penetrar en la superficie, introduce tensión de compresión en la superficie del vidrio. Un ejemplo común es el tratamiento del vidrio de silicato modificado con óxido de sodio en cloruro de potasio fundido. Ejemplos de vidrio reforzado químicamente son Gorilla Glass, desarrollado y fabricado por Corning, Dragontrail de AGC Inc. y Xensation de Schott AG.

Muchos de los mecanismos básicos de reforzamiento pueden clasificarse según su dimensionalidad. En 0-D, se produce reforzamiento por precipitado y solución sólida, con partículas que refuerzan la estructura; en 1-D, se produce endurecimiento por trabajo/bosque, con dislocaciones lineales como mecanismo de endurecimiento; y en 2-D, se produce reforzamiento por límite de grano, con energía superficial de las interfaces granulares que proporciona una mejora de la resistencia. Los dos tipos principales de reforzamiento compuesto, el refuerzo con fibra y el refuerzo laminar, se clasifican en las clases 1-D y 2-D, respectivamente. La anisotropía de la resistencia compuesta de fibra y laminar refleja estas dimensionalidades. La idea principal del reforzamiento compuesto es combinar materiales con resistencias y debilidades opuestas para crear un material que transfiera la carga al material más rígido, pero que se beneficie de la ductilidad y tenacidad del material más blando.Los compuestos reforzados con fibra (CRF) consisten en una matriz de un solo material que contiene fibras paralelas incrustadas. Existen dos variantes de compuestos reforzados con fibra: una con fibras rígidas y una matriz dúctil, y otra con fibras dúctiles y una matriz rígida. La primera variante se ejemplifica con la fibra de vidrio, que contiene fibras de vidrio muy resistentes pero delicadas incrustadas en una matriz plástica más blanda y resistente a la fractura. La segunda variante se encuentra en casi todos los edificios como hormigón armado con varillas de acero dúctiles de alta resistencia a la tracción incrustadas en hormigón frágil de alta resistencia a la compresión. En ambos casos, la matriz y las fibras tienen propiedades mecánicas complementarias y, por lo tanto, el material compuesto resultante es más práctico para aplicaciones prácticas.Para un compuesto que contiene fibras rígidas y alineadas que se extienden a lo largo del material y una matriz blanda y dúctil, las siguientes descripciones proporcionan un modelo aproximado.

La condición de un compuesto reforzado por fibra bajo el estrés de tracción aplicado a lo largo de la dirección de las fibras se puede descomponer en cuatro etapas desde la pequeña cepa a la gran cepa. Dado que el estrés es paralelo a las fibras, la deformación se describe por la condición isostrain, es decir, la fibra y la matriz experimentan la misma cepa. En cada etapa, el estrés compuesto (${\displaystyle \sigma _{c}$) se da en términos de las fracciones de volumen de la fibra y matriz (${\displaystyle V_{f},V_{m}$), el modulo de Young de la fibra y matriz (${\displaystyle E_{f},E_{m}$), la cepa del composite (${\displaystyle \epsilon _{c}$), y el estrés de la fibra y la matriz como se lee en una curva de tensión (${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c}),\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$).

1. Tanto la fibra como el compuesto permanecen en el régimen de cepa elástica. En esta etapa, también observamos que el módulo compuesto de Young es una simple suma ponderada del módulo de dos componentes.

   ${\displaystyle \sigma ¿Qué? ¿Qué? ¿Qué?$

   ${\displaystyle E_{c}=V_{f}+V_{m}E_{m}$

2. La fibra permanece en el régimen elástico pero la matriz produce y deforma plásticamente.

   ${\displaystyle \sigma ¿Qué? ¿Qué? ¿Por qué?$

3. Tanto la fibra como el rendimiento compuesto y la deformación plástica. Esta etapa a menudo presenta una variedad Poisson significativa que no es capturada por modelo a continuación.

   ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\epsilon _{c})+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

4. La fibra se fractura mientras la matriz continúa deformando plásticamente. Mientras que en realidad las piezas fracturadas de fibra todavía aportan cierta fuerza, se deja fuera de este modelo simple.

   ${\displaystyle \sigma ¿Qué? V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

Debido a la naturaleza heterogénea de los FRC, también presentan múltiples resistencias a la tracción (RT), una correspondiente a cada componente. Dadas las suposiciones descritas anteriormente, la primera resistencia a la tracción correspondería a la falla de las fibras, con cierto apoyo de la resistencia a la deformación plástica de la matriz, y la segunda, a la falla de la matriz.

${\displaystyle TS_{1}=V_{f} {f}+V_{m}\sigma ¿Por qué?$

${\displaystyle TS_{2}=V_{m}TS_{m}$

Como resultado de la dimensionalidad antes mencionada (1-D) de refuerzo de fibra, se observa una anisotropía significativa en sus propiedades mecánicas. Las siguientes ecuaciones modelan la fuerza tensil de un FRC como una función del ángulo de desalineamiento (${\displaystyle \theta }$) entre las fibras y la fuerza aplicada, las tensiones en paralelo y perpendicular, o ${\displaystyle \theta =0}$ y ${\displaystyle 90}$^o, casos (${\displaystyle \ \sigma _{ vidas eterna},\sigma ¿Qué?$), y la fuerza de la matriz (${\displaystyle \tau _{my}$).

Small Misalignment Ángulo (fractura longitudinal)

El ángulo es lo suficientemente pequeño para mantener la transferencia de carga sobre las fibras y prevenir la delamación de las fibras y el estrés mal alineado muestra un área de sección transversal ligeramente mayor de la fibra por lo que la fuerza de la fibra no se mantiene, sino que en realidad aumenta en comparación con el caso paralelo.

${\displaystyle TS(\theta)={\frac {\sigma ¿Qué?$

Significant Misalignment Angle (shear failure)

El ángulo es suficientemente grande que la carga no se transfiere efectivamente a las fibras y la matriz experimenta suficiente tensión para fracturar.

${\displaystyle TS(\theta)={\frac {\tau _{my}{\sin(\theta)\cos(\theta)}}}}$

Cerca de Perpendicular Misalignment Angle (fractura transversal)

El ángulo está cerca de 90^o así que la mayor parte de la carga permanece en la matriz y por lo tanto la fractura de matriz transversal tensil es la condición de falla dominante. Esto se puede ver como complementario al pequeño caso de ángulo, con forma similar pero con un ángulo ${\displaystyle 90-\theta}$.

${\displaystyle TS(\theta)={\sigma _{\perp}{\sin ^{2} {\theta)}}}}$

El refuerzo de materiales es útil en muchas aplicaciones. Una de las principales aplicaciones de los materiales reforzados es la construcción. Para tener edificios y puentes más resistentes, se requiere una estructura robusta que pueda soportar altas cargas de tracción o compresión y resistir la deformación plástica. La estructura de acero utilizada para construir el edificio debe ser lo más resistente posible para que no se doble bajo su peso. Los materiales poliméricos para techos también deben ser resistentes para que el techo no se derrumbe cuando se acumule nieve.Actualmente también se están realizando investigaciones para aumentar la resistencia de los materiales metálicos mediante la adición de materiales poliméricos, como el polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) adherido [1].El método de dinámica molecular (MD) se ha aplicado ampliamente en la ciencia de los materiales, ya que permite obtener información sobre la estructura, las propiedades y la dinámica a escala atómica que no se puede resolver fácilmente mediante experimentos. El mecanismo fundamental de la simulación MD se basa en la mecánica clásica, según la cual la fuerza ejercida sobre una partícula se debe al gradiente negativo de la energía potencial con respecto a su posición. Por lo tanto, un procedimiento estándar para realizar la simulación MD consiste en dividir el tiempo en intervalos discretos y resolver las ecuaciones de movimiento en estos intervalos repetidamente para actualizar las posiciones y energías de las partículas. La observación directa de la disposición atómica y la energía de las partículas a escala atómica la convierte en una herramienta poderosa para estudiar la evolución microestructural y los mecanismos de fortalecimiento.Se han realizado amplios estudios sobre diferentes mecanismos de fortalecimiento mediante simulación MD. Estos estudios revelan la evolución microestructural, que no puede observarse fácilmente mediante un experimento ni predecirse mediante un modelo simplificado. Han et al. investigaron el mecanismo de fortalecimiento del límite de grano y los efectos del tamaño de grano en grafeno nanocristalino mediante una serie de simulaciones MD. Estudios previos observaron una dependencia inconsistente del tamaño de grano con la resistencia del grafeno a una escala de longitud de nm, y las conclusiones no fueron claras. Por lo tanto, Han et al. utilizaron simulación MD para observar directamente la evolución estructural del grafeno con granos nanométricos. Las muestras de grafeno nanocristalino se generaron con formas y distribución aleatorias para simular muestras policristalinas bien recocidas. Posteriormente, las muestras se sometieron a tensión de tracción uniaxial y las simulaciones se realizaron a temperatura ambiente. Al disminuir el tamaño de grano del grafeno, Han et al. observaron una transición de un comportamiento pseudo Hall-Petch inverso a un comportamiento pseudo Hall-Petch, con un tamaño de grano crítico de 3,1 nm. Basándose en la disposición y la energía de las partículas simuladas, el comportamiento pseudo Hall-Petch inverso puede atribuirse a la creación de puntos de concentración de tensiones debido al aumento de la densidad de las uniones de los límites de grano. Las grietas se nuclean preferentemente en estos puntos y la resistencia disminuye. Sin embargo, cuando el tamaño de grano es inferior al valor crítico, la concentración de tensiones en las uniones de los límites de grano disminuye debido a la cancelación de tensiones entre 5 y 7 defectos. Esta cancelación ayuda al grafeno a soportar la carga de tracción y a exhibir un comportamiento pseudo Hall-Petch. Este estudio explica las observaciones experimentales inconsistentes previas y proporciona una comprensión profunda del mecanismo de fortalecimiento de los límites de grano del grafeno nanocristalino, que no puede obtenerse fácilmente mediante experimentos in situ ni ex situ.También se han realizado estudios de MD sobre los mecanismos de reforzamiento de precipitados. Shim et al. aplicaron simulaciones de MD para estudiar los efectos de reforzamiento de precipitados de Cu cúbico centrado en el cuerpo (bcc) de tamaño nanométrico sobre Fe cúbico centrado en las caras (fcc). Como se explicó en la sección anterior, los efectos de reforzamiento de precipitados se deben a la interacción entre dislocaciones y precipitados. Por lo tanto, las características de la dislocación desempeñan un papel importante en los efectos de reforzamiento. Se sabe que una dislocación helicoidal en metales bcc presenta características muy complejas, como un núcleo no plano y la asimetría de maclado-antimaclado. Esto complica el análisis y el modelado del mecanismo de reforzamiento y no se puede revelar fácilmente mediante microscopía electrónica de alta resolución. Por lo tanto, Shim et al. simularon precipitados coherentes de Cu bcc con diámetros de entre 1 y 4 nm, embebidos en la matriz de Fe fcc. A continuación, se introduce una dislocación helicoidal y se la impulsa a deslizarse en un plano {112} mediante un esfuerzo cortante creciente hasta que se desprende de los precipitados. La tensión de cizallamiento que causa el desprendimiento se considera tensión de cizallamiento crítica resuelta (CRSS). Shim et al. observaron que la velocidad de la dislocación helicoidal en la dirección de maclado es de 2 a 4 veces mayor que en la dirección de antimaclado. La reducción de la velocidad en la dirección de antimaclado se debe principalmente a una transición en el deslizamiento de la dislocación helicoidal del mecanismo de par de pliegues al de pliegues cruzados. Por el contrario, una dislocación helicoidal supera los precipitados de 1 a 3,5 nm mediante cizallamiento en la dirección de maclado. Además, se ha observado que el mecanismo de desprendimiento de la dislocación helicoidal con los precipitados transformados más grandes implica aniquilación y renucleación y bucle de Orowan en la dirección de maclado y antimaclado, respectivamente. Para caracterizar completamente los mecanismos involucrados, se requiere un análisis intensivo mediante microscopía electrónica de transmisión, y normalmente es difícil proporcionar una caracterización completa.Zhang et al. realizaron un estudio similar sobre el reforzamiento por solución sólida de Co, Ru y Re en diferentes concentraciones en Ni fcc. La dislocación de borde se posicionó en el centro del Ni y su sistema de deslizamiento se fijó en <110> {111}. Posteriormente, se aplicó una tensión cortante a las superficies superior e inferior del Ni con un átomo de soluto (Co, Ru o Re) incrustado en el centro a 300 K. Estudios previos han demostrado que la visión general de los efectos del tamaño y el módulo no puede explicar completamente el reforzamiento por solución sólida causado por el Re en este sistema debido a sus pequeños valores. Zhang et al. fueron un paso más allá al combinar los cálculos de DFT de primer principio con MD para estudiar la influencia de la energía de falla de apilamiento (SFE) en el reforzamiento, ya que las dislocaciones parciales pueden formarse fácilmente en esta estructura material. Los resultados de la simulación MD indican que los átomos de Re arrastran fuertemente el movimiento de dislocación de borde, y el cálculo de la DFT revela un aumento drástico en la SFE, debido a la interacción entre los átomos del huésped y los átomos del soluto ubicados en el plano de deslizamiento. Además, se han encontrado relaciones similares en el Ni fcc incrustado con Ru y Co.Estos estudios muestran excelentes ejemplos de cómo el método MD puede contribuir al estudio de los mecanismos de fortalecimiento y proporciona más información a escala atómica. Sin embargo, es importante tener en cuenta las limitaciones del método.Para obtener resultados precisos en la simulación de MD, es esencial construir un modelo que describa correctamente el potencial interatómico basado en el enlace. Los potenciales interatómicos son aproximaciones, más que descripciones exactas de las interacciones. La precisión de la descripción varía significativamente según el sistema y la complejidad de la forma del potencial. Por ejemplo, si el enlace es dinámico, lo que significa que hay un cambio en el enlace dependiendo de las posiciones atómicas, se requiere el potencial interatómico específico para que la simulación de MD produzca resultados precisos. Por lo tanto, los potenciales interatómicos deben ajustarse en función del enlace. Los siguientes modelos de potencial interatómico se utilizan comúnmente en la ciencia de los materiales: potencial de Born-Mayer, potencial de Morse, potencial de Lennard Jones y potencial de Mie. Si bien ofrecen resultados muy similares para la variación de la energía potencial con respecto a la posición de la partícula, existe una diferencia significativa en sus colas repulsivas. Estas características permiten que describan mejor los sistemas de materiales con enlaces químicos específicos, respectivamente.Además de los errores inherentes a los potenciales interatómicos, el número de átomos y los pasos de tiempo en MD están limitados por la potencia computacional. Hoy en día, es común simular un sistema MD con multimillonarios átomos, e incluso se pueden lograr simulaciones con ellos. Sin embargo, esto aún limita la escala de longitud de la simulación a aproximadamente una micra. Los pasos de tiempo en MD también son muy pequeños, y una simulación larga solo producirá resultados en una escala de tiempo de unos pocos nanosegundos. Para ampliar aún más la escala de tiempo de simulación, es común aplicar un potencial de polarización que modifica la altura de la barrera, acelerando así la dinámica. Este método se denomina hiperdinámica. La aplicación correcta de este método generalmente puede extender los tiempos de simulación a microsegundos.Basándonos en el mecanismo de refuerzo descrito en los contenidos anteriores, actualmente también se trabaja en mejorar la resistencia mediante la fabricación intencionada de nanoestructuras en materiales. Aquí presentamos varios métodos representativos, incluyendo estructuras nanotrenzadas jerárquicas, que amplían el límite del tamaño de grano para la ingeniería de refuerzo y dislocación.Como se mencionó anteriormente, la inhibición del movimiento de dislocación proporciona un gran reforzamiento a los materiales. Las nanomaclas (regiones cristalinas relacionadas por simetría) tienen la capacidad de bloquear eficazmente el movimiento de dislocación debido al cambio de microestructura en la interfaz. La formación de estructuras nanomacladas jerárquicas lleva el efecto de inhibición al extremo, gracias a la construcción de una compleja red nanomaclada tridimensional. Por lo tanto, el diseño preciso de estructuras nanomacladas jerárquicas es fundamental para el desarrollo de materiales con una resistencia excepcional. Por ejemplo, Yue et al. construyeron un compuesto de diamante con una estructura nanomaclada jerárquica manipulando la presión de síntesis. El compuesto obtenido mostró una resistencia superior a la de los metales y cerámicas de ingeniería habituales.El efecto Hall-Petch ilustra que el límite elástico de los materiales aumenta al disminuir el tamaño de grano. Sin embargo, muchos investigadores han descubierto que los materiales nanocristalinos se ablandan cuando el tamaño de grano disminuye hasta el punto crítico, lo que se denomina efecto Hall-Petch inverso. Este fenómeno se interpreta como que los granos extremadamente pequeños no pueden soportar la acumulación de dislocaciones, lo que genera una mayor concentración de tensiones en los granos grandes. En este punto, el mecanismo de fortalecimiento cambia de endurecimiento por deformación dominado por dislocaciones a ablandamiento por crecimiento y rotación de grano. Normalmente, el efecto Hall-Petch inverso se produce con tamaños de grano de 10 nm a 30 nm, lo que dificulta que los materiales nanocristalinos alcancen una alta resistencia. Para ampliar el límite del tamaño de grano para el fortalecimiento, se podría lograr la inhibición de la rotación y el crecimiento del grano mediante la estabilización de los límites de grano. La construcción de estructuras nanolaminadas con límites de grano de ángulo bajo es un método para obtener materiales de grano ultrafino con ultrarresistencia. Lu et al. Se aplicó una deformación por cizallamiento de alta velocidad con altos gradientes de deformación en la capa superficial superior de una muestra de níquel a granel e introdujeron estructuras nanolaminadas. Este material exhibe una dureza ultraalta, superior a la de cualquier níquel de grano ultrafino reportado. Su excepcional resistencia se debe a la aparición de bordes de grano de bajo ángulo, que presentan estados de baja energía eficientes para mejorar la estabilidad estructural. Otro método para estabilizar los bordes de grano es la adición de impurezas no metálicas. Estas impurezas suelen agregarse en los bordes de grano y pueden afectar la resistencia de los materiales al modificar su energía. Rupert et al. realizaron simulaciones de primeros principios para estudiar el impacto de la adición de impurezas no metálicas comunes en la energía del borde de grano Σ5 (310) en Cu. Afirmaron que la disminución del radio covalente de la impureza y el aumento de su electronegatividad conducirían al aumento de la energía del borde de grano y reforzarían aún más los materiales. Por ejemplo, el boro estabilizó los límites de grano al aumentar la densidad de carga entre los átomos de Cu adyacentes para mejorar la conexión entre dos límites de grano.Estudios previos sobre el impacto del movimiento de dislocación en el reforzamiento de materiales se centraron principalmente en la dislocación de alta densidad, la cual es eficaz para mejorar la resistencia a costa de reducir la ductilidad. La ingeniería de estructuras y distribución de dislocaciones promete mejorar integralmente el rendimiento del material. Los solutos tienden a agregarse en las dislocaciones, lo cual es prometedor para la ingeniería de dislocaciones. Kimura et al. realizaron una tomografía de sonda atómica y observaron la agregación de átomos de niobio en las dislocaciones. Se calculó que la energía de segregación era casi igual a la energía de segregación en el límite de grano. Es decir, la interacción entre los átomos de niobio y las dislocaciones dificultó la recuperación de las dislocaciones y, por lo tanto, reforzó los materiales. La introducción de dislocaciones con características heterogéneas también podría utilizarse para el reforzamiento de materiales. Lu et al. introdujeron complejos de oxígeno ordenados en la aleación TiZrHfNb. A diferencia del reforzamiento intersticial tradicional, la introducción de los complejos de oxígeno ordenados mejoró la resistencia de la aleación sin sacrificar la ductilidad. El mecanismo fue que los complejos de oxígeno ordenados cambiaron el modo de movimiento de dislocación de deslizamiento planar a deslizamiento ondulante y promovieron el doble deslizamiento cruzado.

• Fortalecimiento de los límites de los grados
• Fortalecimiento de la precipitación
• Fortalecimiento de soluciones sólidas
• Fuerza de materiales
• Tempering (metallurgy)
• Durmiendo el trabajo

• Reforzamiento de los límites de grano en alumina por impurezas de tierra raras
• Mecanismo de fortalecimiento de la frontera de granos de aceros
• Una caja de herramientas de código abierto para el análisis de la transferencia de deslizamiento a través de los límites de grano