“Año de la Promoción de la Industria Responsable Responsable y del Compromiso Climático”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
4to LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES II LABORATORIO LABORATORIO DE ENVEJECIMIENTO CURSO: Ciencia de los materiales II !C"##$% PRO&'SOR: (UIS )OS' S'CCI*+: C A(U!+OS: ,uaman -upan.ui/ ,ano0er Pedro 12#1##34A Ramos 5om6n7ue8/ 9l0aro )ess 12#11;;1< Coa.uira Ordoñe8/ (uis =? Paredes Ra /Ricardo !artin
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INTRODUCCIÓN
El envejecimiento puede definirse como el cambio en las propiedades que sufren los materiales a través del tiempo por su interaccin con diferentes ambientes durante su manufactura! almacenamiento! ensamblaje "#o funcionamiento$ Estos cambios pueden lle%ar a %enerar fallas en los componentes mec&nicos fabricados en dic'as aleaciones! por lo tanto su prediccin es de interés para industrias como la aeron&utica donde se presentan diversas fallas por envejecimiento en los fuselajes fabricados con aluminio$ (a prediccin determinista del envejecimiento busca entender los principios fundamentales de los cambios en las propiedades de los materiales " por lo tanto requiere de modelos computacionales sofisticados alimentados con datos e)perimentales e)actos " precisos$ E)isten varios mecanismos de envejecimiento identificados en las aleaciones de aluminio! entre ellos el cambio de propiedades mec&nicas debido a los procesos difusivos por formacin de precipitados " en%rosamiento de %ranos activados por la e)posicin a altas temperaturas " la disminucin de la resistencia a la fati%a debido por la nucleacin! crecimiento " en%rosamiento de vacantes " micro%rietas$
O*+ETI,O
•
,erificar el incremento de dure-a al someter el material al tratamiento de envejecimiento "a sea natural o artificial " compararlos$
•
.nali-ar la microestructura del material envejecido " anali-ar las diferencias del envejecido naturalmente " artificialmente$
•
Observar diariamente el proceso del envejecimiento natural de la probeta de aluminio para apreciar la variacin de sus propiedades f/sicas " mec&nicas$
0UND.1ENTO
TEÓRICO
DEFINICIONES PREVIAS Endurecimiento por precipitación: es el tratamiento térmico m&s importante que se aplica a las aleaciones de aluminio$ Este tratamiento eleva notablemente la resistencia mec&nica de las aleaciones de aluminio endurecibles por tratamiento térmico$ El endurecimiento por precipitacin tiene lu%ar fundamentalmente en tres fases2 •
3or calentamiento a temperatura elevada se disuelven en la solucin slida de aluminio la ma"or parte de los componentes de la aleacin! que provocan el endurecimiento 4recocido de disolucin5$
•
3or enfriamiento r&pido! la solucin slida! enriquecida en estos componentes de la aleacin se transforma! en primer lu%ar! en un estado sobresaturado 4temple5$
•
3or permanencia! a la temperatura ambiente o a una temperatura m&s elevada! se producen precipitaciones de la solucin slida sobresaturada! que provocan un aumento de la resistencia a la traccin! del l/mite el&stico 6!78 " de la dure-a 4envejecimiento o maduracin5$
Duraluminio: Es una aleacin de aluminio con una base de ma%nesio! que en un principio recibi el nombre de 9endurecimiento del aluminio por envejecimiento:$ Es un metal liviano! pero mu" duro; tiene la aleacin en la proporcin de 7!< a <8 de cobre! 6!< a =8 de ma%nesio! = a >8 de -inc! con silicio! 'ierro " el 6!? 8 de titanio$ El duraluminio se corroe m&s que otras aleaciones! motivo por el cual se recubren ambas caras de la c'apa de duraluminio con otras de aluminio$ En estas condiciones se lo utili-a muc'o en aviacin$ (a proporcin conveniente del duraluminio es del @68 al @<8 de aluminio! =!<8 de cobre! 6!7<8 de man%aneso! 6!<8 de ma%nesio! 6!<8 de 'ierro " 6!<8 de estaAo$
EDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO
CONCEPTO: 1ecanismo de endurecimiento que se basa en una secuencia de transformaciones! en fase slida! para %enerar una dispersin de precipitados ultra finos de una se%unda fase$ El endurecimiento por precipitacin o maduracin es un proceso de tratamiento térmico utili-ado para producir una me-cla de fases endurecidas distribuidas uniformemente en una matri- blanda$ (a fase de precipitado interfiere en el movimiento de las dislocaciones " ello conduce a un endurecimiento de la aleacin$ Esta técnica se utili-a en el endurecimiento de muc'as aleaciones de aluminio$ Cuando una aleacin se endurece por maduracin! se producen precipitados intermet&licos! como por ejemplo2 .l7Cu1%! que mejoran las propiedades de fati%a " est&ticas e la aleacin$ Requisitos para que una aleacin presente endurecimiento por precipitacin que la aleacin presente solubilidad creciente de un soluto o de una se%unda fase a medida que la temperatura aumenta$ (a matri- deber& ser relativamente blanda " dBctil; el precipitado! duro " fr&%il$ ue el material a alta temperatura pueda ser templado o con%elado cuando la aleacin se enfr/a a temperatura ambiente o por debajo de ella$ ue los precipitados puedan asumir estructuras de transicin metaestables que sean co'erentes con la red anfitrin$ ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN EL ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
?$ Tratamiento térmico de la solucin 4solubili-acin5 7$ Templado $ 1aduracin o envejecimiento
TRATAMIENTO TERMICO: (a muestra de aleacin que puede estar en forma de fundicin o forjada! se calienta a una temperatura entre l a de solvus " la de solidus " se mantiene 'asta que se produce una estructura uniforme en la disolucin slida$
TEMPLE: (a muestra se enfr/a r&pidamente a baja temperatura " el medio de enfriamiento es %eneralmente a%ua$ (a estructura de la muestra de aleacin después del temple en a%ua consiste en una disolucin sobresaturada$
MADRACI!N O ENVE"ECIMIENTO: Es necesaria una maduracin de la muestra tratada térmicamente " templada para que se forme un precipitado finamente disperso$ .l templar " después recalentar una aleacin de .lCu se forma una fina dispersin de precipitados de los %ranos$ Estos precipitados son efectivos para obstruir el movimiento de dislocaciones "! en consecuencia! se incrementa la dure-a de la aleacin$
.5 .mpliando el paso de recalentamiento! los precipitados coalescen " se 'acen menos efectivos para endurecer la aleacin$ Fobre envejecimiento$
*5 (a variacin de la dure-a con la lon%itud del paso de recalentado$ Tiempo de envejecimiento$
3asos En El Tratamiento Térmico G 1icroestructura ue Fe 3roducen . la maduracin de la aleacin a temperatura ambiente se le llama maduracin natural$ . la maduracin a elevadas temperaturas se le llama maduracin interfacial$ (a ma"or/a de las aleaciones requieren maduracin artificial " las temperaturas de maduracin se encuentran entre el ?< " el 7< 8 de la diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente " la temperatura de tratamiento térmico de la disolucin$
0.FEF DE UN. .(E.CION ENDURCI*(E
TE13ER.TUR. 0RENTE .( TIE13O DE (OFTR.T.1IENTOF THR1ICOF
MECANISMOS DE ENDRECIMIENTO El mecanismo de endurecimiento m&s estudiado corresponde a la aleacin .luminioCobre
Etapas de la formacin de precipitados de
Caracter/sticas del endurecimiento
fase de equilibrio
por precipitacin de una aleacin
Efectos de la temperatura " el tiempo de envejecimiento las propiedades de una aleacin endurecible por envejecimiento dependen tanto de la temperatura como del tiempo de envejecimiento$
PRODCTOS DE DESCOMPOSICI!N FORMADOS POR LA MADRACI!N DE NA DISOLCI!N S!LIDA SO#RESATRADA Una aleacin endurecida por precipitacin en la condicin de disolucin slida sobresaturada se encuentra en un estado de ener%/a elevada$ Este estado es relativamente inestable " la aleacin tiende a buscar un estado de menor ener%/a por la descomposicin espont&nea de la disolucin slida sobresaturada en fases metaestables o en fases de equilibrio$
Esquema de la curva de maduracin a una temperatura determinada una aleacin endurecida$
EUI3OF
E INFTRU1ENTOF
UTI(I.DOF a$ JORNO E(HCTRICO
$% 6<
3RO*ET.F DE .(U1INIO
..K6K< L T>
c% E(E1NTOF DE FEMURID.D 4MU.NTEF! 3IN. G C.FCO5
d%
.MU. .
TE13ER.TUR. .1*IENTE
DESCRIPCI!N DEL PROCEDIMIENTO
?$ Colocamos las = probetas de duraluminio ..K6K< T> en el 'orno a 66 @C! por un tiempo de 76 minutos$ 7$ (ue%o procedemos a templar la probeta en a%ua a temperatura ambiente$
$ 3osteriormente2 3ara el caso de EN,E+ECI1IENTO N.TUR.(! medimos la dure-a 4JR5 por < d/as a ? probeta envejecidas naturalmente$
3ara el caso de
EN,E+ECI1IENTO
.RTI0ICI.(!
colocamos nuevamente 7
probetas
templadas en el 'orno a
7=6 @C por ? 'ora " posteriormente enfriamos al aire libre$ (ue%o medimos la dure-a 4JR *5 diariamente! por dos d/as$
D.TOF
O*TENIDOF EN E(
(.*OR.TORIO Envejecimiento natural2 Dure-a aluminio .. K6K<T>
5UR'A ROCB'(( &% Probeta Probeta Probeta # 1 > (U+'S !ARE'S !IGRCO( 'S )U'H'S HI'R+'S (U+'S !ARE'S !IGRCO( 'S )U'H'S HI'R+'S
#2 no0D ## no0D #1 no0D #> no0D #$ no0D #F no0D #3 no0D #4 no0D 12 no0D 1# no0D
3=D> 3FD1
33D;
3FD4 33D>
33 34D4
34D; 34D$
33D3 3=DF
33D4
3FD> 33
3FD$
3;D$
3;D; 3;DF
Envejecimiento artificial2 Dure-a aluminio .. K6K<T> Calentado a 7=6 C
2 min #; min
!ICRO5UR'A HICB'RS #22 7rD% d# % d1 % ,H ;2 ;2 F$D1 $3D; $FD; 32D;
>2 min ;2 min
$= $F
$> $3
4>D= 31D1
CP(CU(OF
G REFU(T.DOF
Envejecimiento natural2
5UR'A ROCB'(( & #1 #2 3 = $ 1 2
2
1
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3
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5ias
Envejecimiento artificial2
,H #22D2 4;D2 42D2 3;D2 32D2 F;D2 F2D2 =;D2 =2D2 2D;
#D2
#D;
1D2
1D;
Eiempo min%
>D2
>D;
$D2
$D;
CUEFTION.RIO &%' ()u* caracter+,tica, de$e tener una aleación para -ue en ella ,e pueda reali.ar un tratamiento de endurecimiento por en/e0ecimiento1
(a aleacin est& formada con un elemento de aleacin en temperaturas elevadas primarias mi)tos cristales$
Debe e)istir una solucin slida terminal que ten%a una solubilidad slida decreciente a medida que la temperatura disminu"e 4curva de solvus pronunciada5
Conducir la fuer-a " la velocidad de difusin debe ser suficientemente %rande para que la temperatura de precipitacin$
(os precipitados resultantes dispersa en el material debe estar disponible " operativo resistente a la temperatura de coa%ulacin
2%' (A -u* ,e de$e el incremento de la dure.a durante el en/e0ecimiento1 El endurecimiento por envejecimiento se produce por una secuencia de transformaciones de fase que lleva a una dispersin uniforme de precipitados co'erentes a una nanoescala en una matri- m&s dBctil " blanda
3%' (Por -u* durante el en/e0ecimiento arti4icial el cam$io de la dure.a ,e inicia m5, pronto -ue durante el en/e0ecimiento natural1 3orque para la precipitacin se elev a una temperatura muc'o ma"or que la del ambiente es decir que 'ubo una ma"or difusin del precipitado$
6%' ()u* ,on la, .ona, de 7uinier'Pre,ton1 Fon -onas que se forman a partir de soluciones solidas sobresaturadas siempre " cuando la aleacin permane-ca a temperaturas por debajo de la 9l /nea de solvus: de estas part/culas$
Es un dominio de precipitacin pequeAa en una solucin slida sobresaturada met&lico$ Una -ona M3 no tiene estructura cristalina bien definida de su propia " contiene una alta concentracin anormalmente de &tomos de soluto$ (a formacin de -onas de M3 que constitu"e la primera etapa de la precipitacin " suele ir acompaAado de un cambio en las propiedades de la solucin slida en el que ocurren$
8%' ()u* aplicacione, tienen lo, duraluminio,1 (os duraluminios son aleaciones que tienen un alto valor con respecto a la relacin resistencia#masa! por lo cual son mu" apreciados en la industria de las aeronaves " ve'/culos aeroespaciales! también en automviles de altas prestaciones " automocin en %eneral! en cables de alta tensin! por su elevada conductividad eléctrica " baja densidad! moldes para soplado! estampaciones 4donde se trabaja en la pie-a sin envejecer5! torniller/a! utensilios! envases! pilas! envolturas! etc$ .ctualmente se presta muc'a atencin a las aleaciones de aluminio " de otros metales de baja densidad 41%!Ti5 como materiales utili-ados en los transportes! debido al efecto de a'orro de combustible$ Una importante caracter/stica de estos materiales es la resistencia espec/fica! cuantificada como la relacin entre resistencia a la traccin " densidad$ .unque una aleacin de estos metales ten%a una resistencia a la traccin inferior a la de un material m&s denso 4acero5! para un peso determinado puede a%uantar una car%a muc'o ma"or
9%' (a -u* ,e denomina ,olu$ilidad parcial en e,tado ,ólido1 Cuando en un dia%rama de fases e)ista m&s de una fase intermedia entre slido " l/quido! adem&s de presentar otras l/neas como es la l/nea solvus$
Dia%rama de fases para una aleacin con solubilidad parcial en estado slido$
%' Para la ,i;uiente cur/a e,-uem5tica de en/e0ecimiento a una temperatura determinada para una aleación endureci$le por precipitación dada< completar en la, eti-ueta, la, corre,pondiente, etapa, = e,tructura,:
Fobre envejecimiento! crecimiento de precipitado Disolucin slida sobresaturada 1&)imo de sobre envejecimiento! tamaAo " distribucin ptimos de precipitado Jipo envejecimiento! precipitado pequeAo " subdesarrollado
*I*(IOMR.0Q.
SMIT> ?ILLIAM% @Fundamento, de ciencia e In;enier+a de Materiale,% Ed$ 1c$ Mra Jill$Edicin 766$
A/nerS=dne= @Introducción a la Metalo;ra4+a F+,ica% Edit$ 1c! Mra Jill ?@<$ 1é)ico
Donald A,Beland% @Ciencia e In;enier+a de lo, Materiale, Ed$ =S$766>$ Edit! T'omson$
