POLITEXT 106
Aleaciones ligeras
POLITEXT
Francisco Javier Gil Mur, ed. Conrado Aparicio Bádenas José M. Manero Planella Daniel Rodríguez Rius Albert Andrés Domènech Pep Miquel Arandés Salvadó Josep A. Planell Estany
Aleaciones ligeras
EDICIONS UPC
La presente obra fue galardonada en el octavo concurso "Ajuts a l'elaboració de material docent" convocado por la UPC.
Primera edición: junio de 2001
Diseño de la cubierta: Manuel Andreu
©
Los autores, 2001
©
Edicions UPC, 2001 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es E-mail:
[email protected]
Producción:
Barcelona Digital, SL Rosselló 77, 08029 Barcelona
Depósito legal: B-29.186-2001 ISBN: 84-8301-480-7 Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos.
7
Presentación
Presentación Este libro ha sido elaborado por profesores e investigadores del Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica de la Universitat Politècnica de Catalunya con el fin de que los estudiantes de pre-grado tengan un libro que les introduzca en esta familia de aleaciones. En muchas ocasiones, los estudiantes de asignaturas de Ciencias y Tecnología de Materiales habían reclamado un libro que tratara de una manera más extensa de las características y propiedades de este tipo de aleaciones, ya que los libros de Metalurgia General o de Ciencia de Materiales estaban muy basados en las aleaciones férreas, dejando en un segundo plano al aluminio, titanio y magnesio y sus aleaciones. Este libro pretende responder a esa necesidad sin pretender ser un compendio de todos los aspectos metalúrgicos de estas aleaciones. Se debe tener en cuenta la creciente aplicación de este tipo de aleaciones en los diferentes campos tecnológicos (transporte, industria química, industria alimenticia, biomedicina...). El libro se estructura en cinco partes: la primera está dedicada al aluminio y sus aleaciones, la segunda al titanio, la tercera al magnesio, la cuarta parte a los nuevos materiales basados en las buenas propiedades de las aleaciones ligeras. La quinta parte son las prácticas del laboratorio que componen un estudio de los tratamientos térmicos a un duraluminio, determinándose cómo afecta a la microestructura, y los tratamientos térmicos en las propiedades mecánicas; otra práctica es la metalografía de la aleación más importante del titanio (Ti6Al4V), observándose cómo varían las microestructuras con los tratamientos térmicos a que se someten y la última práctica es un programa de ordenador para la selección de materiales. Esperemos que este libro pueda ayudar a muchos estudiantes y también a introducir a jóvenes profesionales en la comprensión y el conocimiento de estas aleaciones que tanta importancia tecnológica tienen.
© Los autores, 2001; © Edicions UPC, 2001.
9
Índice
Índice Presentación ....................................................................................................................... 1
7
Aluminio .....................................................................................................................
13
1.1 Introducción .................................................................................................................. 1.2 Propiedades del Aluminio ............................................................................................. 1.2.1 Propiedades Físicas ........................................................................................... 1.2.2 Propiedades Químicas ....................................................................................... 1.2.3 Propiedades Mecánicas ..................................................................................... 1.3 Obtención del Aluminio ................................................................................................ 1.4 Principios del envejecemiento de las aleaciones de aluminio ....................................... 1.5 Aleaciones de Aluminio ................................................................................................ 1.5.1 Nomenclatura de las aleaciones de aluminio .................................................... 1.6 Aleaciones de Aluminio Coladas .................................................................................. 1.6.1 Aleaciones Aluminio-Cobre .............................................................................. 1.6.2 Aleaciones Aluminio-Silicio ............................................................................. 1.6.3 Aleaciones Aluminio- Magnesio ....................................................................... 1.6.4 Aleaciones Aluminio-Cobre-Silicio .................................................................. 1.6.5 Aleaciones Aluminio-Manganeso ..................................................................... 1.7 Forja de Aluminio ......................................................................................................... 1.7.1 Introducción ...................................................................................................... 1.7.2 Procesado de la forja de aluminio ..................................................................... 1.7.3 Materiales avanzados en la forja de aluminio ................................................... 1.8 Aleaciones de Aluminio Forjadas ................................................................................. 1.8.1 Influencia de la conformación por deformación plástica en el endurecimiento de las aleaciones de aluminio .................................................. 1.8.2 Conformación en frío y endurecimiento en frío ................................................ 1.8.3 Conformación en frío y endurecimiento por precipitación ............................... 1.8.4 Aleaciones de aluminio forjadas no tratables térmicamente ............................. 1.8.5 Aleaciones de aluminio forjadas tratables térmicamente .................................. 1.9 Referencias ....................................................................................................................
13 13 13 14 15 15 19 23 24 30 31 32 34 36 37 37 37 39 43 44
2
Titanio .........................................................................................................................
53
2.1 Historia del titanio .........................................................................................................
53
© Los autores, 2001; © Edicions UPC, 2001.
44 45 46 47 48 51
10
Aleaciones ligeras
2.2 Obtención del titanio ..................................................................................................... 2.3 Propiedades del titanio .................................................................................................. 2.3.1 Propiedades físicas ............................................................................................ 2.3.2 Propiedades químicas ........................................................................................ 2.3.3 Propiedades mecánicas ...................................................................................... 2.4 Introducción a las aleaciones de titanio ......................................................................... 2.4.1 Efecto de los aleantes ........................................................................................ 2.4.2 Clasificación de las aleaciones .......................................................................... 2.5 Aleaciones α .................................................................................................................. 2.5.1 Generalidades .................................................................................................... 2.5.2 Titanio comercialmente puro ............................................................................ 2.5.3 Aleaciones casi-α .............................................................................................. 2.6 Aleaciones α-β .............................................................................................................. 2.6.1 Generalidades .................................................................................................... 2.6.2 Enfriamiento rápido desde la fase β .................................................................. 2.6.3 Descomposición de la fase β metaestable ......................................................... 2.6.4 Tipos de aleaciones α-β .................................................................................... 2.7 Aleaciones β .................................................................................................................. 2.7.1 Generalidades .................................................................................................... 2.7.2 Tipos de aleaciones β ........................................................................................ 2.8 Procesos ......................................................................................................................... 2.8.1 Moldeo ............................................................................................................. 2.8.2 Pulvimetalurgia ................................................................................................. 2.8.3 Conformación por deformación plástica ........................................................... 2.8.4 Tratamientos térmicos ....................................................................................... 2.8.5 Mecanización .................................................................................................... 2.8.6 Soldadura ........................................................................................................... 2.8.7 Tratamientos superficiales ................................................................................. 2.8.8 Otros procesos ................................................................................................... 2.9 Tratamientos térmicos ................................................................................................... 2.9.1 Generalidades .................................................................................................... 2.9.2 Recocido contra acritud ..................................................................................... 2.9.3 Recocido ............................................................................................................ 2.9.4 Mill-annealing ................................................................................................... 2.9.5 Doble-recocido .................................................................................................. 2.9.6 Recocido de recristalización .............................................................................. 2.9.7 Recocido β ......................................................................................................... 2.9.8 Revenido y maduración de la martensita .......................................................... 2.9.9 Contaminación durante el tratameinto térmico ................................................. 2.10 Aplicaciones .................................................................................................................. 2.10.1 Aeronáutica ....................................................................................................... 2.10.2 Corrosión ........................................................................................................... 2.10.3 Biomedicina ...................................................................................................... 2.10.4 Otras aplicaciones ............................................................................................. 2.11 Referencias ....................................................................................................................
© Los autores, 2001; © Edicions UPC, 2001.
53 55 55 57 58 60 60 62 62 62 63 66 67 67 69 71 72 73 73 75 76 76 76 77 77 77 77 78 78 78 78 79 80 80 80 81 81 81 82 83 83 84 84 85 85
11
Índice
3
Magnesio .....................................................................................................................
87
3.1 Historia del magnesio .................................................................................................... 3.2 Obtención y refino del magnesio .................................................................................. 3.2.1 Obtención del magnesio .................................................................................... 3.2.2 Refino del magnesio .......................................................................................... 3.3 Propiedades del magnesio ............................................................................................. 3.3.1 Propiedades físicas ............................................................................................ 3.3.2 Propiedades químicas ........................................................................................ 3.3.3 Propiedades mecánicas ...................................................................................... 3.4 Introducción a las aleaciones de magnesio ................................................................... 3.4.1 Aleaciones de magnesio .................................................................................... 3.4.2 Nomenclatura de las aleaciones de magnesio y de sus tratamientos ................. 3.5 Aleaciones de moldeo sin circonio ................................................................................ 3.5.1 Aleaciones basadas en el sistema magnesio-aluminio ...................................... 3.5.2 Aleaciones del sistema magnesio-zinc .............................................................. 3.6 Aleaciones de moldeo con circonio .............................................................................. 3.6.1 Aleaciones Mg-Zn-Zr ........................................................................................ 3.6.2 Aleaciones Mg- Tierras Raras-Zn-Zr ................................................................ 3.6.3 Aleaciones Mg-Y .............................................................................................. 3.6.4 Aleaciones basadas en el sistema Mg-Th .......................................................... 3.6.5 Aleaciones basadas en el sistema Mg-Ag ......................................................... 3.7 Aleaciones para la conformación por deformación plástica ......................................... 3.7.1 Aleaciones para productos extruídos ................................................................. 3.7.2 Aleaciones para productos forjados .................................................................. 3.7.3 Aleaciones para productos laminados ............................................................... 3.8 Trasformación en productos semielaborados y conformación definitiva ..................... 3.8.1 Fundición y moldeo ........................................................................................... 3.8.2 Conformación por deformación plástica ........................................................... 3.8.3 Uniones: Soldadura, remachado, encolado ....................................................... 3.8.4 Mecanización .................................................................................................... 3.8.5 Protección contra la corrosión ........................................................................... 3.9 Aplicaciones del magnesio ............................................................................................ 3.10 Referencias ....................................................................................................................
87 88 88 90 90 90 92 93 96 96 99 100 100 104 104 105 105 106 106 108 108 109 111 111 112 112 115 120 121 122 123 124
4
Nuevos materiales ligeros y sus procesos ............................................................
127
4.1 Materiales compuestos .................................................................................................. 4.1.1 MMC ................................................................................................................. 4.1.2 Materiales de refuerzo ....................................................................................... 4.1.3 Manufactura ...................................................................................................... 4.1.4 Sólidos metálicos celulares ............................................................................... 4.1.5 Aplicaciones ...................................................................................................... 4.2 Compuestos: Aluminuros de titanio .............................................................................. 4.2.1 Ti3Al (alfa2) ...................................................................................................... 4.2.2 TiAl (gamma) ....................................................................................................
127 127 128 129 131 132 132 134 134
© Los autores, 2001; © Edicions UPC, 2001.
12
Aleaciones ligeras
4.7
4.2.3 TiAl3 .................................................................................................................. 4.2.4 Métodos de procesado ....................................................................................... 4.2.5 Aplicaciones ...................................................................................................... Aleaciones nanofásicas ................................................................................................. Procesos de solidificación rápida .................................................................................. 4.4.1 Aplicaciones ...................................................................................................... Aleaciones amorfas ....................................................................................................... Síntesis por combustión ................................................................................................ 4.6.1 Introducción ...................................................................................................... 4.6.2 Tipos de SC ....................................................................................................... 4.6.3 Consideraciones termodinámicas ...................................................................... 4.6.4 Manufactura ...................................................................................................... 4.6.5 Aplicaciones ...................................................................................................... Referencias ....................................................................................................................
135 135 136 136 138 139 139 140 140 141 142 143 144 145
5
Prácticas .....................................................................................................................
147
5.1 Proceso de envejecimiento del duraluminio .................................................................. 5.1.1 Introducción ...................................................................................................... 5.1.2 Práctica: Aleación aluminio-cobre .................................................................... 5.1.3 Procedimiento .................................................................................................... 5.1.4 Resultados ......................................................................................................... 5.1.5 Cuestiones ......................................................................................................... 5.2 Tratamiento térmico de la aleación Ti6Al4V ................................................................ 5.2.1 Introducción ...................................................................................................... 5.2.2 Método experimental ......................................................................................... 5.2.3 Resultados .........................................................................................................
147 147 149 150 150 150 151 151 152 153
4.3 4.4 4.5 4.6
© Los autores, 2001; © Edicions UPC, 2001.
