endurecimiento por precipitacion

Author: victoria-trejo-merla

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ENDURECIMIENTO

-Los metales son blandos y deformables a causa del movimiento de las dislocaciones en la estructura cristalina y el endurecimiento de los mismos se produce cuando se dificulta este movimiento.

Lnea de dislocacin forzada a travs de partculas de una segunda fase o microconstituyente situadas en su plano de deslizamiento

-El endurecimiento mximo de los metales puros se obtiene por deformacin en fro. En este caso, se produce un sistema de dislocaciones complejo que hace extremadamente difcil cualquier movimiento posterior. Los procedimientos utilizados para el endurecimiento de los metales puros pueden emplearse tambin para las aleaciones, sinembargo, existen otros mtodos para aumentar su resistencia mecnica: -Los que se basan en reacciones en el estado slido, halladas en un nmero relativamente pequeo de sistemas de aleacin. -Los que se basan en el endurecimiento por aleacin (formacin de soluciones slidas o presencia de una segunda fase) que se produce en todas las aleaciones. Este mtodo es el ms comn. Endurecimiento por aleacin

Los elementos de aleacin en solucin slida endurecen siempre el metal solvente. El endurecimiento producido por un determinado elemento de aleacin parece depender de las diferencias en tamao y la estructura electrnica que existen entre este elemento y el metal solvente.

Endurecimento del cobre al ser aleado con elementos de diferente tamao atmico

Endurecimiento por aleacin del cobre con nquel Si los tomos solutos se renen preferentemente alrededor de las dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocacin puede aumentar considerablemente. Puesto que la matriz est en tensin en la regin por abajo de la dislocacin de borde, la energa del sistema disminuye cuando los tomos solutos se mueven desde posiciones al azar en la red a posiciones de esta regin. Entonces se dice que la dislocacin est bloqueada por una "atmsfera" de tomos del soluto.

Formacin de una atmsfera de Cottrell de tomos de soluto alrededor de una dislocacin, los grandes tomos de soluto en posiciones al azar crean una energa de deformacin y el movimiento de los tomos solutos hacia posiciones bajo la dislocacin, disminuye esta energa. Cuando existe una segunda fase, se produce otro tipo de endurecimiento

por aleacin. Aunque una dislocacin puede pasar a travs de un conjunto de tomos de soluto separados, no puede hacer esto en el caso de partculas de una segunda fase. Por el contrario, la dislocacin ha de ser forzada a pasar entre las partculas adyacentes dejando un anillo de dislocacin alrededor de cada partcula. Reacciones en el estado slido. El endurecimiento por aleacin y la deformacin en fro se aplican ampliamente, pero en ciertos sistemas de aleacin es posible sustituirlos o aumentarlos por medio de las reacciones especiales de endurecimiento que se producen en el estado slido. Estas reacciones en el estado slido son especialmente significativas por las siguientes razones: -Aumentan la dureza muy por encima del grado posible conseguido en el endurecimiento por aleacin. -No precisan que la pieza se deforme plsticamente. -Permiten realizar el endurecimiento en el momento ms conveniente del proceso de fabricacin. Sin embargo, este tipo de endurecimiento tiene algunos inconvenientes: -No en todos los sistemas de aleacin pueden producirse reacciones en el estado slido. -Una reaccin en el estado slido en condiciones de equilibrio no conduce a un endurecimiento apreciable. Para producir el endurecimiento es necesario formar una estructura fuera de equilibrio -El grado de endurecimiento producido por una reaccin determinada en el estado slida vara de sistema a sistema y puede ser insignificante en algunos casos. La aparicin de una reaccin dada debe considerarse condicin necesaria pero no suficiente para el endurecimiento. Reacciones en el estado slido capaces de producir aumentos tiles de dureza: a) Descomposicin eutectoide. b) Precipitacin en una solucin slida c) Ordenacin de una solucin slida al azar.

d) Reaccin de difusin.

Forma de diagrama de equilibrio, necesaria para cada una de las cuatro reacciones en estado slido. a) Descomposicin eutectoide. b) Precipitacin en la solucin slida. c) Ordenacin de una solucin slida desordenada. d) Reaccin de difusin. En la figura se presenta esquemticamente la forma necesaria de las relaciones de fase para estas reacciones. Para producir la descomposicin eutectoide se requieren condiciones como las que se representan en (a), un diagrama eutectoide tpico. Si el lmite entre una regin monofsica y otra bifsica (la lnea de solvus), se inclina en la forma indicada en (b), puede producirse la precipitacin. Para que la ordenacin sea posible, debe poder realizarse en la fase slida del sistema de aleacin en cuestin, una reaccin del tipo de la figura (c). Las condiciones necesarias para una reaccin de difusin se indican en (d). La composicin de una aleacin endurecible (un metal B en un metal A) debe variar de una regin de una fase a otra de dos fases, como resultado de la difusin de un tercer componente (metal C) hacia la aleacin inicial.

ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO (PRECIPITACIN) Slo hay dos mtodos principales para aumentar la resistencia y la dureza de una aleacin dada: trabajo en fro o tratamiento trmico. El proceso de tratamiento trmico ms importante para aleaciones no ferrosas es el de endurecido por envejecimiento o por precipitacin. OBJETIVOS DEL ENVEJECIMIENTO -Aumentar la resistencia de muchas aleaciones de aluminio y otros metales. -Crear, en una aleacin tratada trmicamente, una dispersin densa y fina de partculas precipitadas en una matriz de metal deformable. Las partculas precipitadas actan como obstculos del movimiento de las dislocaciones y, as, refuerzan la aleacin tratada trmicamente. Para aplicar este tratamiento trmico, el diagrama de equilibrio debe mostrar solubilidad slida parcial, y la pendiente de la lnea de solvus debe ser tal que haya mayor solubilidad a una temperatura mayor que a una menor. La condicin necesaria para que se produzca la precipitacin en una solucin slida es, sencillamente, la existencia de una lnea de solvus. Por consiguiente, se produce cierto grado de precipitacin en la mayor parte de los sistemas de aleacin y un grado notable en cientos de casos conocidos. Cualquier metal puede endurecerse por precipitacin, mediante la adicin de un elemento de aleacin correctamente elegido. El endurecimiento sera an mayor en el caso de aleaciones ternarias o de un nmero de componentes ms elevado. Proceso de envejecimiento (Tratamiento trmico). El proceso para obtener una aleacin endurecida por precipitacin puede dividirse en tres partes: 1. Eleccin de la composicin. 2. Tratamiento trmico de la solucin. 3. Tratamiento trmico de precipitacin.

1. Eleccin de la composicin: El diagrama de equilibrio de la figura anterior es un sistema que puede mostrar endurecimiento como resultado de la precipitacin de la fase (b) a partir de la solucin slida (a) sobresaturada. An cuando el efecto mximo de endurecimiento se produce, en este caso, con un contenido del 6% de metal B lmite de solubilidad de este en el metal A, puede producirse cierto endurecimiento en todo el intervalo de composiciones en el que pueden existir en equilibrio las fases (a) y (b). En la prctica, se usan otras composiciones adems de la que produce el mximo endurecimiento. 2. El tratamiento trmico de la solucin (solubilizacin): El objeto de esta etapa, es disolver un mximo de la segunda fase en la solucin slida (a) y despus, retener esta solucin hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto se efecta as: -Calentando la aleacin hasta una temperatura elevada, pero inferior a la que producira un crecimiento excesivo de grano o la fusin de uno de los constituyentes. -Manteniendo esta temperatura desde una hasta varias horas, dependiendo de-l espesor de la pieza para que pueda producirse la solucin. -Templado en agua hasta obtener una solucin slida sobresaturada (a) a la temperatura ambiente. Despus del tratamiento de disolucin la dureza es relativamente baja, pero superior a la del material enfriado lentamente y revenido. 3. Tratamiento de precipitacin: Es necesario un tratamiento de precipitacin de la aleacin para la formacin de un precipitado finamente disperso. La formacin de dicho precipitado en la aleacin es el objetivo del envejecimiento. El precipitado fino en la aleacin impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformacin, forzando a que stas pasen a travs de las partculas de precipitado cortndolas o rodendolas. La aleacin resulta reforzada mediante esta restriccin del movimiento de las dislocaciones durante la deformacin. En esta etapa se obtiene la dureza mxima de estas aleaciones, la solucin sobresaturada sufre cambios que conducen a la formacin de la segunda fase. Las aleaciones en que la precipitacin tiene lugar a temperatura ambiente, de modo que obtienen su resistencia total despus de 4 5

das de estar a temperatura ambiente, se conocen como aleaciones de envejecimiento natural, en tanto que las que necesitan recalentamiento a elevadas temperaturas para alcanzar su mxima resistencia, se conocen como aleaciones de envejecimiento artificial. Sin embargo, estas aleaciones tambin envejecen en forma limitada a temperatura ambiente, dependiendo de la rapidez y extensin del fortalecimiento de las caractersticas de las aleaciones. Curso del endurecimiento durante el tratamiento trmico de precipitacin a dos temperaturas diferentes Efecto del tiempo de envejecimiento sobre las propiedades mecnicas. Efecto del tiempo de envejecimiento sobre la resistencia y dureza de una aleacin endurecible por precipitacin que ha sido termotratada en solucin y templada. A medida que se incrementa el tiempo de envejecimiento, se van formando las zonas de precipitacin y su tamao se incrementa; adems, la aleacin se hace ms fuerte, dura y menos dctil. Estas propiedades mecnicas alcanzan un valor mximo durante la precipitacin a una temperatura dada y, despus, disminuyen gradualmente como consecuencia del sobreenvejecimiento. Este ablandamiento es consecuencia natural de la aproximacin de la aleacin al estado de equilibrio, al aumentar el tiempo durante el que la aleacin se mantiene a temperatura. En efecto, una aleacin muy sobreenvejecida sera esencialmente idntica a una aleacin recocida, es decir una aleacin en la que la estructura de equilibrio se produce por medio de un enfriamiento lento desde la temperatura del tratamiento de solucin.

Curva esquemtica de envejecimiento a una temperatura determinada para una aleacin endurecible por precipitacin. Una aleacin endurecible por precipitacin en la condicin de solucin slida supersaturada se encuentra en un estado de alta energa. Este estado de energa es relativamente inestable y la aleacin tiende a buscar un estado menor de energa por la descomposicin espontnea de la solucin slida supersaturada en fases metaestables o fases de equilibrio. Cuando la solucin slida supersaturada de la aleacin endurecida por precipitacin se envejece a una temperatura relativamente baja, para la que slo se dispone de una pequea cantidad de energa de activacin, se forman unas agrupaciones de tomos segregados llamadas zonas de precipitacin.

El nivel energtico superior es para la solucin slida sobresaturada, y el nivel inferior para el precipitado en equilibrio. La aleacin puede ir espontneamente de un nivel energtico superior a uno inferior si hay suficiente energa de activacin para la transformacin y si las condiciones cinticas son favorables. APLICACIONES DEL ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIN

(ENVEJECIMIENTO) -El endurecimiento por precipitacin es el mtodo ms importante para aumentar la resistencia mecnica de los metales no ferrosos por reaccin en el estado slido. Es especialmente til para el aluminio, el metal principal de esta clase, y tanto las aleaciones de aluminio de fundicin como las de forja son endurecibles por precipitacin. -Como la refrigeracin retarda la razn de envejecimiento natural; en la industria aeronutica se utiliza este hecho cuando los remaches de aluminio aleado, que suelen envejecer a temperatura ambiente, se mantienen dentro de refrigeradores con un alto grado de congelacin hasta que se remachan. Los remaches se han tratado previamente con un tratamiento de solucin, y como tienen una fase nica son muy dctiles. Despus de ser remachados, tendr lugar el envejecimiento a temperatura ambiente, lo cual dar como resultado un incremento en la resistencia y en la dureza. Como la adicin de aleantes y el tratamiento trmico de precipitacin disminuyen la resistencia a la corrosin del aluminio, algunas de las aleaciones de resistencia mecnica ms elevada estn protegidas con una capa de aluminio puro firmemente unida a la superficie por medio de un proceso de laminacin en caliente. -El envejecimiento en los aceros es de inters secundario comparado con el endurecimiento por temple, pero existen algunos aspectos a los que se debe prestar atencin. Los aceros con bajo contenido de carbono son susceptibles a un fenmeno de envejecimiento (natural) que puede tener dos efectos perjudiciales: 1. Deformacin no uniforme durante el trabajo plstico en fro. 2. Ductilidad del acero y hacerlo inadecuado para aplicaciones difciles de embutido de chapas. Puesto que estas dificultades son producidas por una reaccin de envejecimiento, se les puede evitar si el acero se deforma antes de que pueda producirse esta reaccin.

-El nquel es otro metal cuyas aleaciones se endurecen principalmente por precipitacin. El nquel es muy parecido al hierro en cuanto a sus propiedades mecnicas pero, debido a que sus propiedades de resistencia a la tensin son muy superiores, se usa en muchas aplicaciones a pesar de que su costo es unas diez veces mayor.

BIBLIOGRAFIA ASKELAND, Donald. La ciencia e ingeniera de los materiales. Editorial Iberoamrica. AVNER- SIDNEY. Introduccin a la metalurgia fsica. Mc Graw Hill.GUY, Albert. Elementos de metalurgia fsica. Ed. Addison-Wesley. SMITH, William. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales. Mc Graw Hill. 3 Edicin. 1999. VLACK, Van. Materiales para ingeniera. Editorial continental.-+