Atmòsfera de Cottrell
En ciència de materials, el concepte d'atmòsfera de Cottrell va ser propost pels físics Alan H. Cottrell i Bruce Bilby en 1949[1] per a explicar la raó per la que les recalcada queden ancorades en algunes aleacions metàliques en defectes intersticiales de carbono o nitrogen.
Encara que el concepte va ser introduït per a explicar el anclaje de les recalcada en acers, en l'actualitat el fenomen de formació de atmòsfera de Cottrell ha segut també observat en multitut d'aleacions que no involucren necessàriament intersticiales de C o N, com serien les atmòsfera d'arsènic en rets de silici;[2] hidrogen en paladi;[3] bor en aleacions de ferro-alumini.[4]
El fenomen és en tots casos paregut, pero les seues conseqüències –el anclaje de les recalcada– no tenen per qué manifestar-se d'igual modo. En els acers, el anclaje produïx un enduriment per deformació prematur; açò és, ans que la densitat de recalcada siga tal que les interferències entre elles produirien la seua anclaje, el moviment d'estes es veu impedit per l'atmòsfera i el fluix plàstic queda restringit. En semiconductors de silici, l'atmòsfera tendix causar disrupción en les bandes de conducció que poden amprar-se per a favorir zones dopades molt localisades; en este sentit, es pot aprofitar la seua formació al voltant de recalcada geomètricament necessàries –i, per tant, predibles.
Observacions experimentals
[editar | editar còdic]El prematur enduriment per deformació en acers i atres materials cúbics de cos centrat va dur a supondre que les recalcada veen impedit el seu moviment per mig d'algun mecanisme fins a llavors desconegut. En 1948, Cottrell va publicar un artícul en el que estudiava la presència d'àtoms intersticiales al voltant del núcleu d'una recalcada.[5] Va concloure que existien posicions al voltant de dit núcleu en les que els intersticiales es trobaven en equilibri.
Segons el seu treball, un àtom sustitucional o intersticial relaixa les tensions hidróstaticas negatives al voltant de la recalcada, mentres que una vacant relaixaria les tensions hidrostàtiques positives. Seguint eixe raonament, Cottrell i Bilby varen propondre en 1949 que en aleacions en una presència significativa de defectes sustitucionales (vacants i intersticiales), estos tendirien a distribuir-se al voltant del núcleu de cada recalcada a fi de minimisar la seua energia. Una volta els àtoms i vacants s'hagen difòs fins a l'entorn del núcleu de les recalcada, formant lo que es coneix com a atmòsfera de Cottrell pròpiament dita, la configuració resultant tendirà a ser més estable que la de la recalcada sense ella, per lo que la movilitat de dita recalcada serà molt inferior. En efecte, en el seu artícul de 1949 Cottrell i Bilby varen demostrar que l'atmòsfera tendiria a ancorar a la seua recalcada, la qual tindria que lliberar-se de la mateixa per a poder moure's. Ademés, l'atmòsfera tendiria a moure's seguint a la recalcada, i com l'atmòsfera es desplaça per difusió, el procés seria inherentemente llent. Si la recalcada guanyara suficient energia com per a lliberar-se completament de l'atmòsfera i deixar-la arrere, els defectes que formen l'atmòsfera quedarien com una impurea major que, a la seua volta, tendiria a ancorar a qualssevol atres recalcada que pogueren estar en la seua entorn.
Este procés explica a la perfecció les observacions experimentals. En efecte, en acers somesos a ensaig de tracció és freqüent observar un escaló de cedencia entre la zona pròpiament coneguda com d'enduriment per deformació i el llímit elàstic. En dit escaló, la tensió sembla decaure i, a voltes, oscilar; i dita caiguda és explicada per l'efecte de l'atmòsfera de Cottrell: quan la recalcada queda ancorada per l'atmòsfera, es necessita una força adicional para dones-ancorar-la; dita força adicional no produïx fluix plàstic, ya que la recalcada --la causa de la plasticidad-- no s'ha mogut. No obstant, una volta se supera dita barrera la recalcada es llibera de l'atmòsfera i es mou; com l'atmòsfera es desplaça per difusió, és incapaç de seguir a la recalcada, que pot moure's en la mateixa facilitat que si no hi haguera atmòsfera. Per a això requerix de menys força que l'aplicada, per lo que es produïx una relaixació en la tensió, que per tant decau.
Si es deixa reposar la peça metàlica, es dona temps als defectes per a que es difonguen de nou cap a les recalcada, en lo que s'obté de nou un llímit elàstic superior a l'esperat, i un escaló de cedencia. Microscópicament, les atmòsfera de Cottrell resulten en la formació de bandes de Lüder, i poden afectar negativament a processos de manufactura a altes temperatures, a on la difusió de l'atmòsfera és molt més senzilla i això resulta, a tots els efectes, en un material més fràgil. De fet, alguns acers es dissenyen en chicotetes cantitats de titani, que atrau el nitrogen para sí i evita d'eixe modo la formació de l'atmòsfera.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ A H Cottrell, B A Bilby, Dislocation Theory of Yielding and Strain Ageing of Iron, Proc. Phys. Soc. A 62 49 (1949)
- ↑ K Thompson et al., Imaging of Arsenic Cottrell Atmospheres Around Silicon Defects by Three-Dimensional Atom Probe Tomography, Science, Vol. 317 no. 58, pp. 1370-1374 (2007)
- ↑ Trinkle et al. Formation of Hydrogen Cottrell Atmosphere in Palladium: Theory and Measurement from Inelastic Neutron Scattering, Proc. TMS 2011
- ↑ I Cadel et al., Atomic scale observation of Cottrell atmospheres in B-doped FeAl (B2) by 3D atom probe field ion microscopy, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 309-310, pp. 32-37 (2001)
- ↑ A H Cottrell, Report on the Strength of Solids, London, Physical Society, p.30 (1948)
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Atmósfera de Cottrell» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.