LIMA - 2012

ÍNDICE

1. Índice…………………...…………………………………………………….…… Pág. 2

2. Introducción……………...……………………………………………………….. Pág. 3

3. Objetivos……………………………………………………………………………Pág.4

4. Fundamento teórico………………………....……………………………………. Pág. 5

4.1. Curva de Envejecimiento………………………… …….………….………. Pág. 7

5.-Materiales……………………….………………………………………..…..…… Pág. 10

6.-Procedimiento…………….……………….………..………….…………………. Pág. 13

7.-Calculo y resultados ……………… ……………………….……………..………..Pág.14

8.-Cuestionario………………………………………………………………………...Pág.18

9.-Conclusiones…………………………………….……….………………………. Pág. 21

10.-Recomendaciones………………………………….………………………….… Pág.22

11.-Bibliografía……………………………………………..…….…………..…….. Pág.23

INTRODUCCIÓN

El envejecimiento puede definirse como el cambio en las propiedades que sufren los materiales a

través del tiempo por su interacción con diferentes ambientes durante su manufactura,

almacenamiento, ensamblaje y/o funcionamiento.

Estos cambios pueden llegar a generar fallas en los componentes mecánicos fabricados en dichas

aleaciones, por lo tanto su predicción es de interés para industrias como la aeronáutica donde se

presentan diversas fallas por envejecimiento en los fuselajes fabricados con aluminio.

La predicción determinista del envejecimiento, al contrario de la proyección estadística, busca

entender los principios fundamentales de los cambios en las propiedades de los materiales y por lo

tanto requiere de modelos computacionales sofisticados alimentados con datos experimentales

exactos y precisos Existen varios mecanismos de envejecimiento identificados en las aleaciones de

aluminio, entre ellos el cambio de propiedades mecánicas debido a los procesos difusivos por

formación de precipitados y engrosamiento de granos activados por la exposición a

altas temperaturas y la disminución de la resistencia a la fatiga debido por la nucleación,

crecimiento y engrosamiento de vacantes y microgrietas

OBJETIVOS

Aumentar la resistencia de muchas aleaciones de aluminio y otros metales.

Crear, en una aleación tratada térmicamente, una dispersión densa y fina de partículas

precipitadas en una matriz de metal deformable. Las partículas precipitadas actúan como

obstáculos del movimiento de las dislocaciones y, así, refuerzan la aleación tratada

térmicamente.

FUNDAMENTO TEÓRICO

ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO O PRECIPITACION

El tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación pretende aumentar la resistencia y

dureza de aleación mediante la formación de precipitados finos a partir de una solución sólida

(Smith 2006). El cambio de las propiedades mecánicas se debe generalmente a cambios de fases

que se evidencian en la formación de precipitados; pero nunca involucran el cambio en la

composición química del material (ASM 1991).

Este tratamiento térmico consiste en tres etapas, como se ilustra en la primera etapa, conocida

como solubilización, se realiza un calentamiento para producir una solución sólida homogénea que

contenga la máxima cantidad práctica de elementos solubles endurecedores en la aleación.

La segunda etapa, llamada templado, es un enfriamiento rápido de la aleación para preservar una

solución sólida sobresaturada que retenga los átomos de soluto y mantenga un cierto número de

vacantes en la red cristalina que favorezcan el proceso de difusión durante el envejecimiento (ASM

1991).

Finalmente, la etapa de envejecimiento consiste en un proceso difusivo activado a una temperatura

determinada, en que los átomos de soluto difunden formando precipitados endurecedores. Cuando

el proceso de precipitación se realiza a temperatura ambiente se denomina envejecimiento natural, y

cuando se emplea una temperatura superior a la del ambiente, pero inferior a la de solubilización

sólida, se conoce como envejecimiento artificial.

“Dado que el envejecimiento natural es inevitable en los procesos industriales, resulta de interés

determinar su influencia en las propiedades finales del material”.

Como requisito básico, una aleación endurecible por precipitación debe presentar en su diagrama de

fases una línea de solubilidad sólida directamente proporcional con la temperatura. Aunque la

mayoría de sistemas binarios de aleaciones de aluminio presentan dicha curva, sólo algunos

presentan un aumento significativo en la dureza y resistencia por la formación de precipitados, entre

ellos los sistemas de Aluminio-Cobre (serie 2xxx), Aluminio-Magnesio-Silicio (serie 6xxxx) y

Aluminio-Zinc-Magnesio (serie 7xxxx) (ASM 1991).

Figura 1

Tratamiento de endurecimiento por precipitación. 1Solubilización. 2 Templado. 3a envejecimiento

natural. 3b envejecimiento artificial.

Cuando ciertas aleaciones de aluminio se mantienen a temperaturas inferiores a 250ºC, después de templadas desde altas temperaturas (350 ºC ó más), aumenta su resistencia mecánica.El descubrimiento del endurecimiento estructural por envejecimiento, en 1906, condujo al desarrollo de la primera aleación industrial, el Duraluminio, en 1916. Desde entonces, las aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación han adquirido una importancia práctica considerable, gracias a las mejoras continuas en sus características físicas y mecánicas específicas,y a su aptitud para la conformación (moldeo o colada continua o semicontinua), forja en caliente o en frío, etc. Este fenómeno de endurecimiento estructural no es específico de las aleaciones de aluminio, sino que se da también en aleaciones base cobre, magnesio, plomo o las superaleaciones base cobalto o níquel.

Figura 3.6. Evolución esquemática de la dureza y resistencia de unaaleación de aluminio de endurecimiento estructural. (I) mantenido a

temperatura ambiente después del temple, (II) mantenido a temperatura derevenido después del temple y maduración a temperatura ambiente.

Principios del envejecimiento de las aleaciones de aluminio

Para la comprensión del proceso de endurecimiento que sufren algunas aleaciones de aluminio es necesario de la explicación de dicho proceso mediante una aleación endurecible, para ello se ha tomado una aleación Al-4.5%Cu. Dicha aleación, conocida comercialmente por “duraluminio”, fue la primera aleación endurecida por envejecimiento natural.

A continuación se muestra una parte del complejo diagrama de equilibrio aluminio-cobre donde se muestra la evolución de la microestructura en función de la velocidad de enfriamiento y un posterior tratamiento térmico. La solubilidad del cobre en la matriz de la fase α disminuye con la temperatura del 5.7% al 0.2%. Este aspecto es el que permite que sea posible la realización de tratamientos térmicos de solubilización por encima de la curva de transformación de enfriamiento

rápido (temple) con precipitación del intermetálico CuA l2 mediante recocidos a bajas temperaturas.

Figura 1: efecto de la velocidad de enfriamiento sobre la microestructura de la aleación Al–4.5%Cu

Si se parte de una solución sólida α (punto A del diagrama de equilibrio; microestructura A) y se desciende la temperatura lentamente hasta cortar la línea de solvus, el exceso de soluto de cobre se separa formando una fase nueva CuAl2. En esta situación de equilibrio termodinámico, el diagrama de equilibrio proporciona información acerca de las fases presentes, proporción y composición de cada una.

La microestructura resultante está formada por granos finos de fase α con una elevada dispersión de precipitados de CuAl2 (punto B del diagrama de equilibrio; microestructura B). En este caso, como la velocidad de enfriamiento es lenta, hay suficiente tiempo para que los precipitados crezcan y sean visibles al microscopio óptico. Desde el punto de vista mecánico, la existencia de estos precipitados de gran tamaño no interesa, ya que tienen en la mayoría de casos un efecto fragilizador.

Para completar el análisis de las variables que intervienen en el proceso de obtención de las características mecánicas óptimas en la cinemática del proceso de envejecimiento, se muestra a continuación la influencia de la temperatura y el tiempo. Según lo expuesto, antes de iniciar el proceso de temple, es necesario llevar el material a una temperatura Ts en la cual únicamente exista fase α (punto A del diagrama de equilibrio) sin la presencia de ningún precipitado intermetálico que tenga un efecto fragilizador después del proceso de envejecido a la temperatura de servicio durante un tiempo ts. Después del proceso de temple se obtiene una solución sólida sobresaturada con la única presencia de fase α (1). El proceso de envejecimiento se realiza, por tanto, a temperatura ambiente para el caso del envejecimiento natural o a una temperatura más elevada siendo admisible para la aleación endurecida por envejecimiento artificial (Te) manteniendo dicha temperatura el tiempo te necesario para la obtención de propiedades mecánicas óptimas para la temperatura de envejecido Te

Figura 4: cinética del proceso de envejecimiento. (1): microestructura saturada resultante del proceso de temple; (2): microestructura resultante del proceso de envejecimiento; ts: tiempo de

solubilización optimo; Ts: temperatura de solubilización; te: tiempo de envejecimiento optimo; Te temperatura de envejecimiento.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Para poder llevar a cabo la experiencia de laboratorio del presente informe se ha requerido de los siguientes instrumentos y materiales:

Probeta de Duraluminio AA-7075-T36, material principal el cual fue sometido al tratamiento de envejecimiento.

Figura 9: probeta de duraluminio sin tratamiento alguno o de testigo

Lijas de agua, con las que prepararemos ciertas caras de la probeta para dejarlas listas al ataque químico, cabe destacar que empleamos las 4 lijas de mayor número; es decir, las de 600, 800, 1000 y 1200,

Figura 10: Lijas de agua

Pulidora mecánica, este instrumento nos permitirá culminar el desbastado y obtener el efecto de espejo de la cara trabajada.

Máquina de dureza Rockwell, tanto analógico como electrónico luego de llevar la probeta al horno y enfriarlo está será medida en cuanto a su dureza según el régimen, la misma que será de gran aporte para nuestra actual labor.

Figura 11: de izquierda a derecha; Máquina de Dureza Rockwell Digital o Electrónico y un durómetro Rockwell analógico.

Microscopio electrónico, aquí observaremos la estructura del grano tras el tratamiento de envejecimiento estudiado durante el ensayo.

Figura 12: Microscopio electrónico

Alcohol y algodón, alúmina, agua y el reactivo Kellers, los hemos utilizado para limpiar la probeta luego de terminar el lijado y el pulido, realizar el ataque químico con el Kellers y limpiar la probeta con agua antes de llevarla al microscopio para su posterior estudio metalográfico.

Horno marca Thermolyne, en él llevaremos a cabo la primera etapa del envejecimiento del duraluminio.

Figura 13: horno pequeño junto a elementos de seguridad como los guantes y el casco; además cierta tenaza de fierro para manipular las probetas luego del calentamiento respectivo.

Agua más hielo, en una cubeta, para la posterior etapa que es el enfriamiento antes de proseguir con el tipo de envejecimiento.

PROCEDIMIENTO

- A cada estudiante se le entregó una probeta de duraluminio a la vez que se le indicó el tipo de envejecimiento a realizar; cabe indicar que la muestra testigo fue de gran importancia

porque hace la vez de patrón a constatar con las muestras tratadas en cuanto a sus propiedades y características.

- Se procede con el calentamiento de las probetas en el horno. En este sentido cabe indicar que el horno indicó la temperatura de 525°C aproximadamente 20 minutos después de colocar las probetas.

- Luego en un balde o cubeta que contiene agua y hielo a una temperatura de 10°C se enfrían nuestras muestras de la aleación.

- Posteriormente se llevan las probetas a los durómetros Rockwell analógico y electrónico para medir las durezas durante 5 días o según lo indicado por el instructor. En el medidor analógico se empleó un indentador de1/8 de pulgada; para ambos durómetros se realizó la medición en la escala K o roja.

-

Figura 15: la imagen pertenece a una probeta de duraluminio sometida al envejecimiento natural.

Cálculos y Resultados

Tabla de envejecimiento natural:

Aleación: AA6011-T8

35 65 85

Hv (200gr)

Tiempo (min)

Temp. De recocido: 240ºC, para el envejecimiento artificial. dureza HRF

240ºC HV (200gr)

Probeta 3 Probeta 4

86.5 - 89 88 - 85

13:45-14:25 (5’-35’) 75 - 75 76 - 72

35minutos 30min 20 min

14:39-15:14 (5’-30’) 73 - 70 71.5 - 74.5

15:26-15:51 (5’-20’) 71 - 73 72.5 - 70

d1 d2 (μm)

Probeta Testigo

Tiempo Dureza

Martes 91.3

Miércoles 91.25

Jueves 91.5

Viernes 91.15

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.591

91.0591.1

91.1591.2

91.2591.3

91.3591.4

91.45

f(x) = − 0.1 x³ + 0.7 x² − 1.45 x + 92.15R² = 1

Series2Polynomial (Series2)

Dias

Dure

za e

n HF

1. Grafica de endurecimiento natural (Nosotros)

Otro grupo

0 1 2 3 4 5 6 7 80

10

20

30

40

50

60

f(x) = − 0.142673992673994 x² + 3.84633699633701 x + 34.2967032967033R² = 0.964375424929957

HRFPolynomial (HRF)

Dias

HRF

nosotros Otro grupo

martes 37 38.6

miércoles 43.4 42.35

jueves 44.1 43.55

viernes 46.7 46.8

lunes 54.4 50.15

CUESTIONARIO

1.-¿Qué características debe tener una aleación para que en ella se pueda realizar un

tratamiento de endurecimiento por envejecimiento?

0 2 4 60

10

20

30

40

50

60

f(x) = 0.08928571 x² + 2.21928571 x + 36.65R² = 0.982992449504793

HRFPolynomial (HRF)

Dias

HRF

Otro grupo

38.6

42.35

43.55

46.8

50.15

Como requisito básico, una aleación endurecible por precipitación debe presentar en su diagrama de

fases una línea de solubilidad sólida directamente proporcional con la temperatura.

2.-¿A que se denomina solubilidad parcial en estado sólido?

Se denomina al tratamiento térmico de endurecimiento por Precipitación o en otras palabras por Envejecimiento.

3.-A qué se debe el incremento de la dureza durante el envejecimiento?

Se debe a que a medida que se deja enfriar a temperatura ambiente (en este caso es un proceso de envejecimiento natural)se van formando estructuras de transición muy pequeñas, llegando a alcanzar hasta un tamaño de 100 A, estas estructuras, denominadas GP-“n”, que son las zonas Guiner-Preston se forman antes de la fase en equilibrio. Al precipitar en la matriz de aluminio producen distorsiones localizadas y campos de deformación que impiden el movimiento de las dislocaciones. Y ante este cese de movimiento origina mayor dureza en su microestructura

4.-¿Qué son las zonas de Guiner-Preston?

Durante la etapa de maduración o envejecimiento natural, la aleación endureceprogresiva y espontáneamente y la solución sólida se descompone para dar lugar a laformación de pequeñas zonas o agrupaciones de átomos de soluto (zonas de Guinier-Preston o zonas GP). Estas agrupaciones están siempre situadas en los nudos de lared de aluminio, y están constituidas por pequeñas porciones de planoscristalográficos de la red de aluminio enriquecidas en átomos de soluto.Estas zonas GP introducen distorsiones elásticas en la red de la matriz. En ciertoscasos, esta precipitación se ve facilitada por la presencia de defectos en la red, talescomo dislocaciones, que favorecen una difusión más elevada de átomos de soluto oacomodan los campos de deformación elásticos.

5.-¿Qué aplicaciones tienen los duraluminio?

La primera aleación endurecida mediante el envejecimiento es el duraluminio , que es una aleación principalmente de aluminio que contiene, principalmente, un 4.5 % de cobre.

Esta aleación tiene la característica poco común de envejecer a bajas temperaturas, inferiores a la de ambiente.Es una de las aleaciones de las mas usadas, que permite hasta ahora aplicaciones reservadas para los aceros:

Tornillera Automoción Moldes Estampaciones utencilios

6.-¿ Por qué durante el envejecimiento artificial el cambio de la dureza se inicia más pronto que durante el envejecimiento natural?

Las propiedades de una aleación endurecible por envejecimiento dependen tanto de la temperatura como del tiempo de envejecimiento. Por ejemplo a 260°C, el proceso de difusión en la aleación Al-Cu es rápido, y se forman rápidamente los precipitados. La resistencia llega a un máximo después de 0.1 horas de exposición.

A 190°C se requiere un mayor tiempo para producir la resistencia optima. Sin embargo el uso de una temperatura inferior tiene varias ventajas. Primero al reducirse la temperatura de envejecimiento se incrementa la resistencia máxima. Segundo, la aleación conserva su resistencia máxima durante un tiempo mayor. Tercero, las propiedades son mas uniformes. Si se envejece a la temperatura de 260°C, la superficie del componente llega a la temperatura adecuada y se endurece, pero el centro permanece frio, envejeciéndose solo ligeramente.

De lo descrito anteriormente podemos ver que el envejecimiento a mayor temperatura obtiene más rápidamente propiedades de dureza y resistencia, debido a que el proceso de difusión se da de forma rápida y por lo tanto los precipitados también empezaran a formarse. Lo mismo ocurriría en el envejecimiento natural, como la temperatura a la que se encuentra es la temperatura ambiente, para que se produzcan los precipitados demorara mas tiempo y por lo su dureza también aumentara a largo plazo.

7. Construya una curva esquemática de envejecimiento a una temperatura determinada para una aleación endurecible por precipitación, reconocer e indicar con las etiquetas correspondientes las diferentes etapas y estructuras.

En la solución solida sobresaturada se forma la solución ∝. En el grafico que dice “precipitado pequeño”, podemos mencionar que se encontraran las

estructuras: zonas GP-1, zonas GP-2, fase θ '.

En el envejecimiento optimo se forma la fase θ

CONCLUSIONES

La dureza en una aleación aumenta al sufrir un tratamiento de envejecimiento ya sea natural o artificial con respecto a la misma aleación sin sufrir el envejecimiento.

Para la obtención de mayores valores de dureza en el menor tiempo posible se puede recurrir al envejecimiento artificial.

El tamaño de la huella dejada por el indentador es menor a medida que la dureza de la probeta incrementa.

La dureza de un material envejecido llega a un punto máximo para luego decaer.

El endurecimiento por precipitación es un método importante para aumentar la resistencia mecánica sobre todo para las aleaciones de aluminio de fundición como las de forja.

RECOMENDACIONES

Como se apreció con el microscopio, el ataque químico demás ocasiona colores más vivos como un amarillo anaranjado; por lo tanto no se debe exceder el tiempo de exposición del duraluminio ante el reactivo.

A favor de nuestra experiencia en este ensayo se pudo neutralizar el efecto de la oxidación en la observación de los granos o sus límites mediante el microscopio electrónico, pues casi inmediatamente después de la preparación de la probeta se

realizaron las microfotografías. Dicha observación ha de ser considerada siempre ante un estudio metalográfico.

El empleo de las lijas se hace a partir de la número 600 aplicando una fuerza no tan grande sobre la probeta siempre perpendicular al plano que contiene la lija, ya que esto permitirá lograr un solo plano.

BIBLIOGRAFÍA

CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES. ASKELAND, D. (1998). 3RA. EDICIÓN, EDIT. THOMSON EDITORES, MÉXICO.

PRUEBAS MECÁNICAS Y PROPIEDADES DE LOS METALES. ZOLOTOREVSKI, V. EDITORIAL MIR.

TÉCNICAS DE LABORATORIO PARA PRUEBAS DE MATERIALES. KEYSER, CARL. LIMUSA-WILEY.

ENSAYOS MECÁNICOS DE LOS MATERIALES METÁLICOS. DOMENICO LUCCHESI..

ENVEJECIMIENTO O PRECIPITACION http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6045/07Mtbp07de29.pdf?sequence=7

METALURGICA FISICA Y MECANICA HTTP://WWW.TDX.CAT/BITSTREAM/HANDLE/10803/6036/03CAPITULO2.PDF;JSESSIONID=181D202AEEA0671CFDF9C83E021632A5.TDX2?SEQUENCE=4