Trabajo Final de aluminio

Índice de Documentos OBJETO DEL TRABAJO.-

EL ALUMINIO.1.1.- PROPIEDADES QUÍIMICAS 1.2.- PROPIEDADES FÍSICAS 1.3.- USO Y APLICACIONES

ALEACIONES DEL ALUMINIO.-

COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO DEL ALUMINIO.4.1.- RESISTENC RE SISTENCIA IA FATIGA. 4.2.- RESISTENCIA CORROSION 4.3.- RESITENCIA A DESGASTE 4.4.- MECANICA DE LA ROTURA. TENACIDAD 4.5.- DUREZA 4.6.- RESISTENCIA EN EL ENSAYO A TRACCIÓN 4.7.- PORPIEDADES RESISTENTES A TEMPERATURAS ELEVADAS 4.8.- CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA A BAJAS

ANGEL LUIS PLAZA BURGOS

Comportamiento del Aluminio en servicio

Tecnología de Materiales

1. OBJETO DEL TRABAJO

El objeto del trabajo es el “Compor “Compor t amient o de l os material es en servicio” servicio” , el el material que yo he elegido es Aluminio.

El aluminio es el tercer elemento más abundante en la corteza terrestre y constituye el 7.3% de su masa. En su forma natural, sólo existe en una combinación estable con otros materiales (particularmente en sales y óxidos).

Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica. mecánica. Es buen conductor de la electricidad, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato. Por todo ello es el metal que más se utiliza después del acero.

Casi la totalidad de los productos de aluminio pueden desde un punto de vista técnico (factibilidad) y económico (rentabilidad) ser reciclados repetidamente para producir nuevos productos, sin perder el metal su calidad y propiedades. Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio.

Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía.

Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad electricidad a 700.000 voltios o más.

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El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales.

Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las temperaturas elevadas. Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares.

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2. EL ALUMINIO

El aluminio es un metal de color blanco, débilmente azulado, es unas tres veces más ligero que el hierro. Cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas y es muy dúctil y maleable. Entre 100 y 150ºC se puede forjar, laminar, batir y prensar, pero al acercarse a su punto de fusión (658.7ºC) se vuelve quebradizo. Cuando se trabaja en frío adquiere una elevada dureza y se agrieta superficialmente, pero con un recocido a 350ºC, seguido de un enfriamiento lento, adquiere de nuevo las propiedades iniciales.

Estructura cristalina centrada en las caras

2.1.- PROPIEDADES QUIMICAS.

Las propiedades están polarizadas por dos aspectos contrapuestos, como son:

a.- El aluminio posee una gran avidez por el oxígeno. Por esta razón es un fuerte reductor. b.- El óxido que se forma Al2O3, se obtiene con cierto aumento de volumen y forma en la superficie una película continua adherente e impermeable, por la que inhibe al aluminio de corrosión posterior. Este mecanismo de protección sin embargo no resiste el ataque de bases y ácidos fuertes.

Aumentos de temperatura dan lugar a que el proceso de oxidación sea más rápido.

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El flúor y su ácido (fluorhídrico) atacan al aluminio pero crean la capa de alúmina protectora. No sucede igual con el cloro, que forma cloruro de aluminio y ácido clorhídrico que ataca al metal produciendo picaduras. La mayoría de ácidos ataca a la alúmina. El ácido nítrico, sulfúrico y fosfórico ataca moderadamente la superficie produciendo abrillantamiento, por lo que son empleados para el decapado.

También las bases fuertes atacan violentamente el metal, pero la alúmina es difícilmente disuelta por los hidróxidos sódico y potásico. 2.2.- PROPIEDADES FISICAS

• Resistencia La resistencia a la tracción del aluminio es de 12 kg/mm2, notablemente inferior a la resistencia mecánica del acero, lo que hace que deba ser tratado para que aumente. Por otro lado, su escasa resistencia mecánica hará necesario controlar los esfuerzos a aplicar en las operaciones de reparación; por ejemplo, las de repaso de chapa, para no provocar mayores deformaciones de las que se intentaban corregir. • Elasticidad El límite elástico del aluminio es de 40 kg/mm2, notablemente inferior que el del acero, con lo que su tendencia a la recuperación de la forma inicial es menor. Ello da origen a un comportamiento frágil. El resultado final es una limitación en las operaciones de estiraje, con el fin de evitar la ruptura del material. Un trabajo en frío del material puede provocar la aparición de grietas con mayor facilidad que en el caso del acero. Ésta es la razón fundamental de atemperar el material antes de proceder a su conformación, disminuyendo el riesgo de aparición de grietas. • Dureza El aluminio es mucho más blando que el acero; por esta razón, el golpeteo directo del martillo sobre las herramientas de sufrir puede dar origen a estiramientos

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con cierta facilidad. En concreto, la dureza del aluminio es de 15 HB, mucho más baja que la del acero. Es absolutamente necesario tener cuidado con la aplicación de esfuerzos, para no causar marcas sobre el material.

• Conductividad térmica La conductividad térmica del aluminio es de 235 W/mºK, aproximadamente cuatro veces superior a la del acero. Esta circunstancia supone un inconveniente en los procesos de soldadura por fusión, al producirse una fuerte disipación del calor, que requiere un mayor aporte de energía para la soldadura que en el acero. Para contrarrestar estas pérdidas de calor, se recurre al atemperamiento de la pieza, disminuyendo así el gradiente de temperatura que existe en la misma.

• Resistencia eléctrica La resistencia eléctrica del aluminio, al igual que la térmica, es mucho más baja que la del acero; en concreto, 0,02655 W mm2/m; es decir, unas cinco veces más baja.

• Coeficiente de dilatación lineal El coeficiente de dilatación lineal del aluminio, es decir, la facilidad que tiene para variar su dimensión al aumentar su temperatura, es el doble que el del acero, concretamente, 23,10-6 0C-I. 2.3.- USO Y APLICACIONES.

El aluminio es como un almacén de energía (15 kWh/Kg), por ello tiene un gran valor que no puede desperdiciarse y su reciclado se traduce en recuperación de energía. Además, es un material muy valioso como residuo, lo que supone un gran incentivo económico. Las propiedades que hacen del aluminio un metal tan provechoso son: su ligereza (sobre un tercio del peso del cobre y el acero), resistencia a la corrosión (característica muy útil para aquellos productos que requieren de protección y conservación), resistencia, es un buen conductor de electricidad y calor, no es magnético ni tóxico, buen reflector de luz (idóneo para la instalación de tubos

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fluorescentes o bombillas), impermeable e inodoro, y muy dúctil. Además, el gran atractivo es que se trata de un metal 100% reciclable, es decir, se puede reciclar indefinidamente sin que por ello pierda sus cualidades.

En Europa, el aluminio alcanza tasas de reciclado muy altas que oscilan entre el 50% en envases, el 85% en construcción y el 95% en transporte. Todo ello se traduce en una producción anual en torno a los 4 millones de toneladas de aluminio reciclado en Europa. Los usos que se da al aluminio actualmente son múltiples y podemos dividirlos por sectores:

Electricidad y comunicación

El aluminio ha ido reemplazando progresivamente al cobre desde la década de los 50 en las líneas de transmisión de alto voltaje y actualmente es una de las formas más económicas de transportar electricidad, además de que puede hacerlo más eficientemente que el cobre (actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más). Por otra parte, el aluminio también está presente en las antenas para televisores y satélites.

Transporte

Durante la última década la utilización de aluminio en la industria automovilística ha aumentado de forma constante y la industria del aluminio está dedicando importantes recursos para aumentar su participación en este sector. Este interés responde a criterios ecológicos, además de económicos. Actualmente, se fabrican en aluminio piezas fundidas (pistones, ruedas, cajas de transmisión, conjuntos de suspensión), radiadores, y estructuras y carrocerías Ya existen algunos coches no sólo deportivos sino berlinas de alta gama (Audi A8) y utilitarios (Audi A4) fabricados totalmente en aluminio. La utilización de este material en la fabricación de vehículos conlleva grandes ventajas medioambientales: la ligereza del material supone una reducción del peso del vehículo de hasta un 30%, lo que se traduce en un ahorro de combustible, ya que el vehículo requiere menor fuerza y

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potencia para moverse, y por lo tanto genera un menor porcentaje de polución. En términos de reciclabilidad, en América del Norte y Europa más del 98% del aluminio contenido en los automóviles es recuperado y reciclado. Asimismo el sector ferroviario también utiliza el aluminio en sus locomotoras. Como ejemplo: un tren de aluminio aporta un ahorro de energía del 87% a lo largo de los 40 años de vida media, en comparación con otros trenes fabricados con elementos más pesados. En el sector aeroespacial es indispensable gracias a su ligereza. Desde que se fabricara el primer aeroplano, el aluminio ha formado parte importante en su construcción y ha reemplazado a materiales que se utilizaban en sus inicios como la madera y el acero. De hecho, el primer avión de aluminio se fabricó en la década de 1920 y desde entonces sigue vinculado a este sector gracias a la combinación de su resistencia, ligereza y maleabilidad.

Edificación y Construcción

En España y otros países mediterráneos, en el sector de la construcción, el uso del aluminio es mayoritarioen comparación con otros metales. La demanda ha crecido de manera considerable a lo largo de los últimos 50 años y actualmente es utilizado en estructuras de ventanas y puertas y en otras estructuras como cubiertas para grandes superficies y estadios como el de Francia en París y el nuevo parlamento europeo en Bruselas. Por otra parte, cada vez más, diseñadores, arquitectos y artistas utilizan el aluminio con fines ornamentales y decorativos como por ejemplo Dumia, una cúpula realizada enteramente de aluminio y que mide más de cinco metros de altura y 12 de diámetro, situada en la plaza Real de Torino, o la Torre de Comunicaciones de Shanghai.

Envases

En este sector, las aplicaciones son múltiples y abarcan desde la fabricación de latas, el papel de envolver, la capa intermedia de envases de cartón (tetra brick) hasta láminas para cerrar yogures, medicamentos, etc. En cuanto a la utilización de latas de aluminio cabe destacar sus ventajas en comparación con otros envases: protegen el contenido durante largos periodos ante la

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entrada de oxígeno y contra la luz , son muy ligeras, permiten enfriar las bebidas rápidamente, son difíciles de romper, presentan una gran comodidad de manejo y ocupan muy poco espacio. Y lo más importante: son 100% reciclables. Actualmente se consumen cerca de 20.000 toneladas en España y en Europa más de 400.000 t de latas de aluminio y su tasa de reciclaje está por encima del 70% en algunos países. Suecia, con 92% y Suiza con el 88% van a la cabeza en Europa. Las latas de aluminio necesitan el 40% menos del metal que las latas que se fabricaban hace 25 años y menos energía y materia prima. En España, durante el 2006, dos de cada tres latas de bebidas (tanto de aluminio como de hojalata) se reciclaron, lo que sitúa a este envase en primer lugar y España se sitúa por encima de la media europea con un 67%. Los sistemas de recogida selectiva y de devolución son utilizados cada vez más por la sociedad, consciente de la importancia que tiene un pequeño gesto, como el de tirar la lata a su contenedor correspondiente, ya que supone un beneficio para el medio ambiente.

Otros usos

En la industria química el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos, recipientes y aparatos. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina. Además, no hay que olvidar la presencia en nuestra vida cotidiana del papel de aluminio de 0,018 cm. de espesor, que protege los alimentos y otros productos perecederos El aluminio se utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente pocos neutrones. La resistencia a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos. En definitiva, el aluminio es el elemento más abundante de la corteza terrestre después del oxígeno y el silicio y además puede ser reciclado infinitamente sin por ello perder un ápice de sus cualidades. Las aplicaciones son infinitas y su demanda crece día a día. Un material idóneo para el mundo actual y que respeta el medio en el que vivimos.

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3. ALEACIONES DEL ALUMINIO

La mayoría de las aplicaciones del aluminio requieren que se lo combine con otros metales para formar aleaciones específicas para cada proceso de fabricación. Desde el punto de vista físico, el aluminio puro posee una resistencia muy baja a la tracción y una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos, el aluminio adquiere características mecánicas muy superiores. A estas aleaciones se las conoce con el nombre genérico de Duraluminio, y pueden ser centenares de aleaciones diferentes. El duraluminio contiene pequeñas cantidades de cobre (Cu) (35%), magnesio (Mg) (0,5 - 2%), manganeso (Mn) (0,25 - 1%) y Zinc (3,5 - 5%). Son también importantes los diversos tipos de aleaciones llamadas anticorodal, a base de aluminio (Al) y pequeños aportes de magnesio (Mg) y silicio (Si). Pero que pueden contener a veces manganeso (Mn), titanio (Ti) y Cromo (Cr). Aportaciones de los elementos aleantes: Los principales elementos aleantes del aluminio son los siguientes y se enumeran las ventajas que proporcionan. • Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg. • Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión. • Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica. • Magnesio (Mg) Tiene alta resistencia tras el conformado en frío. • Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de embutición. • Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica. • Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica. • Zinc (Zn) Reduce la resistencia a la corrosión

La composición de esas aleaciones está regulada por clasificaciones internacionales:

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Serie

Designación


Principales compuestos en la aleación

Aleante principal

Aplicación

Serie 1000

1XXX

99% al menos de aluminio

-

Laminación en frío.

Serie 2000

2XXX

Cobre (Cu)

Al2Cu - Al2CuMg

Estructuras de aviones

Serie 3000

3XXX

Manganeso (Mn)

Al6Mn

para fabricar componentes con buena mecanibilidad

Serie 4000

4XXX

Silicio (Si)

-

paneles arquitectónicos de fundición

Serie 5000

5XXX

Magnesio (Mg)

Al3Mg2

Recipientes para líquidos

Serie 6000

6XXX

Magnesio (Mg) y Silicio (Si)

Mg2Si

Perfiles y estructuras

Serie 7000

7XXX

Zinc (Zn)

MgZn2

Fabricación de aviones

Serie 8000

8XXX

Otros elementos

-

Cables de baja tensión para instalaciones

Cada una de aquellas se describe por un conjunto de cuatro dígitos, con letras y números adicionales que indican el temple de la aleación. Por ejemplo, 6082-T6 es una aleación de resistencia media basada en la familia de productos de aluminiomagnesiosilicio.

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4. COMPORTAMIENTO DEL ALUMINIO

Las propiedades mecánicas o propiedades de resistencia mecánica sirven en la mayoría de los casos como base para dictaminar sobre un material metálico, con vistas a un fin de aplicación concreto. A continuación explico las propiedades mecánicas más importantes del aluminio no sólo sometido a esfuerzo continuo sino también, oscilante y por golpe.

4.1.- RESISTENCIA FATIGA.

La fatiga es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas de valores por debajo de aquellos que serían capaces de provocar su rotura mediante tracción. Durante dicho proceso se genera una grieta que, si se dan las condiciones adecuadas crecerá hasta producir la rotura de la pieza al aplicar un número de ciclos suficientes. El número de ciclos necesarios dependerá de varios factores como la carga aplicada, presencia de entallas…

Si bien no se ha encontrado una respuesta que explique totalmente la fatiga se puede aceptar que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas de la estructura de forma similar a como ocurre en deformaciones monodireccionales producidas por cargas estáticas, con la diferencia fundamental de que bajo cargas cíclicas se generan deformaciones residuales en algunos cristales.

Incluso bajo cargas pequeñas pueden aparecer estas bandas de deslizamiento, aumentando con el número de ciclos llegando a provocar la aparición de una fisura. Este proceso inicial, que se puede denominar nucleación, se da preferentemente en granos próximos a la superficie produciendo los efectos de intrusión y extrusión, facilitando la existencia de la intrusión la propagación de la grieta debido a la tracción.

También puede iniciarse el proceso en puntos que presenten algún tipo de irregularidad como inclusiones, discontinuidades superficiales, etc.

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La siguiente fase es la de crecimiento de grieta que puede dividirse a su vez en dos fases. La primera fase supone el crecimiento de una grieta corta en pequeñas distancias del tamaño de pocos. En esta fase, dado que el tamaño de la grieta es comparable al de los elementos característicos de la microestructura del material, dicha microestructura (tamaño de grano, orientación de los mismos…) afecta en gran medida al crecimiento de la grieta.

La segunda fase consiste en un crecimiento de la grieta normal al plano principal de tensiones. En este caso de grietas más largas la microestructura del material afecta en menor medida al crecimiento de la grieta dado que la zona de plastificación creada por el propio crecimiento de la grieta es mucho mayor que las dimensiones características de la microestructura.

Bandas de deslizamiento y fases de crecimiento de una grieta.

La nucleación junto con la fase I suele denominarse proceso de iniciación de la grieta, denominándose a la fase II propagación de la grieta. En la siguiente imagen pueden observarse claramente ambos procesos así como la superficie de la rotura final por tracción.

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Superficie de rotura por fatiga.

Para el aluminio el límite de ciclos de carga está fijado en 10. Los ensayos se hacen casi siempre con 5 a 10 ciclos. Los resultados de los ensayos de fatiga alternativa presentan siempre una dispersión que no se disminuye aunque se utilicen métodos más precisos de medición. Se deben, principalmente, a contingencias casuales que intervienen al originarse la primera fisura y prosiguen en las fases iniciales de su expansión.

Influencia del material. La resistencia a la fatiga se aumenta mediante la formación de soluciones cristalinas, la conformación en frío y el endurecimiento. En las aleaciones de aluminio para laminación y forja existe una clara diferencia entre las no endurecibles y las endurecibles. La aleación AlMg es la no endurecible térmicamente y la AlZnMgCu es la endurecible térmicamente.

Influencia de la solicitación. Al juzgar los valores de la resistencia a la fatiga se ha de tener en cuenta el tipo de solicitación (tracción, compresión, flexión alternativa o rotativa) y, ante todo, la posición de la tensión media o la relación de tensiones respectivamente. Además, se ha de observar atentamente si se da la amplitud de resistencia a la fatiga o a la máxima tensión superior.

Además de los anteriores factores, también influyen en la resistencia a la fatiga, los máximos de tensión o efectos de entalladura, el estado superficial y del ambiente, la soldadura y la temperatura.

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4.2.- RESISTENCIA CORROSION

El aluminio tiene buena resistencia a la corrosión en la atmósfera, incluso a temperaturas relativamente altas y en muchos medios acuosos. Es muy activo, como se deduce de su posición en la serie electroquímica de potenciales normales, pero se pasiva simplemente con la exposición al agua o al aire. La capa pasiva originada por exposición al aire, tiene un espesor entre 20 y 100Å. En muchos medios oxidantes, si se daña la capa pasiva vuelve a regenerarse rápidamente [Luc93]. El óxido de esta capa pasiva tiene un volumen molecular 1,5 veces mayor que el del aluminio, con lo que trabaja a compresión. Por este motivo puede soportar cierta deformación del sustrato sin romperse. Cualquier factor que mejore la adherencia e integridad de esta capa mejora la resistencia a la corrosión.

Las condiciones de estabilidad termodinámica de esta capa pueden determinarse utilizando el diagrama de Pourbaix. El aluminio, pasivado con una película de hidrargillita (Al2O3·3H2O), permanece pasivo en agua en el rango de pH de 4 a 8,5 aproximadamente. Los límites de esta pasividad dependen de la temperatura y de la estructura de la capa de óxido, la cual depende de las condiciones ambientales existentes durante su formación.

Diagrama de Pourbaix para el aluminio con una capa de higrargilita (Al2O3·3H2O) a 25ºC. Valores de potencial frente a un electrodo normal de hidrógeno

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Godard sugiere que el producto inicial de la corrosión del aluminio en un ambiente acuoso es hidróxido de aluminio, el cual dará lugar a la formación de un óxido hidratado o una mezcla de óxidos. Como la formación del recubrimiento protector es un proceso complejo y dependiente del medio, Godard sugiere que la bayerita (β-Al2O3·3H2O) es el constituyente mayoritario de la capa pasiva formada en medio acuoso.

El comportamiento frente a la corrosión del aluminio es sensible a pequeñas cantidades de impurezas en el metal, muchas de las cuales, a excepción del magnesio tienden a ser catódicas con relación al aluminio. En general, el metal de alta pureza es mucho más resistente a la corrosión que el metal de pureza comercial que, a su vez, es más resistente que las aleaciones de aluminio. El aluminio tiende a atacarse localmente en medios que contienen cloruros (Cl-), en particular en resquicios (crevice corrosion) y en áreas de estancamiento, en las que desaparece la pasividad por la formación de pilas de aireación diferencial. Las pequeñas cantidades (trazas) de Cu2+ (en tan pequeña cantidad como 0,1 ppm) o de Fe3+ (por ser de menor tamaño que el Fe2+) en el agua, también son eficaces para alterar la pasividad, debido a la formación de pilas galvánicas entre el aluminio y el cobre o hierro depositados (por reacciones de desplazamiento) que estimulan la disolución del aluminio en áreas locales. En las aleaciones que contienen magnesio y silicio pueden producirse precipitados de Mg2Si. Este compuesto iónico, ligeramente anódico respecto a la matriz [Buc95], y que se disuelve en disoluciones ácidas, tiene un pequeño efecto en el potencial de electrodo. De todas formas, la corrosión intergranular decrece cuando la relación magnesio/silicio es significativamente distinta de la requerida para la estequiometría del Mg2Si o cuando existe una cantidad significativa de impurezas catódicas.

El aluminio se corroe con mayor rapidez en medios ácidos o en álcalis que en medio neutro. La velocidad de corrosión en medios ácidos depende de la naturaleza del anión.

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En general, el aluminio resiste bien a la corrosión en los siguientes medios: NH4OH, ácido acético y muchos ácidos orgánicos, ácidos grasos, ácido nítrico >80%, agua destilada, atmósfera no marina, azufre y atmósferas sulfurosas y gases refrigerantes sulfurados. Por el contrario, la resistencia a la corrosión del aluminio es baja en: ácidos fuertes (tales como HCl, HBr, H2SO4 y HF), álcalis, mercurio y sus sales, agua de mar, aguas con iones de metales pesados, disolventes clorados y alcoholes a temperaturas elevadas. Factores ambientales tales como la temperatura o la turbulencia de la disolución pueden provocar un profundo efecto en la resistencia a la corrosión.

En general, las aleaciones de aluminio presentan comportamientos similares a los descritos para el aluminio, aunque, como ya se ha dicho, la resistencia a la corrosión suele ser algo menor. Factores tales como relación superficie/volumen, acabado superficial, cantidad y propiedades de los aleantes y defectos superficiales modifican la resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio. La composición, volumen, localización y potencial de los microconstituyentes tienen, también, una influencia directa en la cantidad, forma y distribución del ataque por corrosión. De todas formas, el daño que se produce al acoplar dos metales no puede predecirse a partir de los potenciales galvánicos ya que depende también del grado en que se polaricen.

La corrosión por picadura representa la forma más común de corrosión del aluminio, particularmente en soluciones que contienen cloruros. Ello ocurre bajo condiciones en las que la capa pasiva no es completamente protectora. Las picaduras son consecuencia de una acción localizada en presencia de un electrolito, frecuentemente en condiciones neutras, cuando la capa pasiva es estable, se ha propuesto que la capa de óxido se repasiva continuamente. La presencia de iones agresivos dificulta la repasivación.

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La respuesta electroquímica de un metal a un potencial aplicado se representa en la curva de polarización, donde se detallan las posiciones relativas del potencial de corrosión (Ecor), el potencial de picadura (Epic) y el potencial de pasivación (Eprot). Algunos autores sugieren que la picadura solo se inicia por encima del Epic. Una vez iniciada la picadura se propaga a potenciales menores que Epic pero mayores que el potencial de pasivación, Eprot, en el cual se repasivan. El Epic parece estar afectado por la concentración de oxígeno en la solución, variaciones moderadas de temperatura, y la presencia de elementos de aleación en forma de precipitados. Por ello, estos autores sugieren que el Epic no debe ser utilizado como criterio para determinar la susceptibilidad a la corrosión de las aleaciones de aluminio, pero sí para determinar el límite de la protección catódica [Nis78]. Las curvas de polarización se utilizan, también, como ensayo acelerado, para comparar el comportamiento frente a la corrosión de los materiales, aunque no parece adecuado asumir que vaya a producirse una respuesta similar cuando el componente de aluminio se encuentre en servicio, donde las condiciones son usualmente diferentes.

Curva de polarización

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El punto de iniciación de una picadura es un ánodo, el cual está rodeado de una matriz catódica, que provoca la disolución del metal. Donde el metal forma un hidróxido insoluble aumenta la acidez. La solución en la vecindad que corresponde a zona catódica deviene alcalina. Sin embargo, como la solución adyacente a la superficie catódica está expuesta a la solución, el grado de alcalinidad se mantiene en un grado de magnitud equivalente al de la picadura. Un ejemplo esquemático se muestra en la figura siguiente. Cuando aparece una picadura se observa que los productos insolubles de la corrosión forman una barrera que actúa de barrera física a la difusión del oxígeno al ánodo. El cátodo tiene acceso al oxígeno de toda la solución.

Las distintas aleaciones de aluminio tienen distinta susceptibilidad a la corrosión por picadura. Algunas sufren sólo temporalmente este tipo de corrosión hasta que las fases catódicas alcanzan la superficie de corrosión o ésta queda recubierta por el hidróxido de aluminio. Las aleaciones más susceptibles a la corrosión son las de la familia 2XXX debido al cobre, por la formación del compuesto catódico CuAl2.

Entre las causas más comunes de formación de estas celdas locales pueden destacarse impurezas en el metal, presencia de compuestos intermetálicos, grietas locales, heterogeneidades del medio, diferencias en la concentración, composición o velocidad, desgaste o rotura de la capa protectora por efecto de tensiones o abrasiones.

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Mecanismo de corrosión en una picadura. El metal M se corroe en una disolución aireada de NaCl, disolviéndose. E l oxígeno se reduce en las superficies catódicas adyacentes

Una vez producida la picadura e iniciado su avance, la continuidad del ataque localizado puede explicarse por la combinación de la protección catódica en l os bordes de la picadura, el mantenimiento de un ambiente ácido en el interior de la picadura y por la deposición de los productos insolubles de corrosión sobre ella.

La morfología de una picadura individual está controlada por la naturaleza e intensidad del ataque. Según Mondolfo [Mon76], en ácido clorhídrico la orientación cristalográfica preferente de ataque es la [100] y las picaduras tiene forma cúbica; cuando éste es concentrado la dirección preferente es [111] y con forma octaédrica. En disolución neutra de cloruros la boca de la picadura es circular y la sección de la misma es hemiesférica.

En las aleaciones de aluminio también se produce la corrosión intergranular por precipitación o formación en la frontera de grano de fases más anódicas o catódicas que la matriz. Así, puede producirse una corrosión selectiva en el borde de grano o bien en zonas adyacentes, mientras que el resto de la matriz permanece inalterado.

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Las aleaciones con cobre presentan este tipo de ataque. El magnesio de las familias de las aleaciones 6XXX o 3XX aumenta la resistencia a este tipo de ataque dado que el Mg2Si tiene un potencial similar al de la matriz. Los tratamientos con sobreenvejecimiento hacen aumentar esta resistencia.

La aleación A357 posee una buena resistencia a la corrosión. Aunque el magnesio en solución sólida tiende a hacer el potencial más anódico y el silicio más catódico, como ambos se encuentran formando una solución sólida en proporción de Mg/Si:2/1, el potencial es esencialmente el mismo que el del aluminio. De esta manera, los precipitados endurecedores de la aleación A357 no promueven la corrosión intergranular en la estructura. En este handbook [www4], se afirma que esta resistencia a la corrosión se da también en la aleación sometida a tratamientos T6, con una penetración de la corrosión de 10 micras, tanto colada en coquilla como en arena.

4.3.- RESITENCIA A DESGASTE

La resistencia a la abrasión o al desgaste de los materiales de aluminio es particularmente baja en el rozamiento en seco. No existe relación entre dureza y resistencia mecánica por un lado y resistencia a la abrasión por el otro.

Los materiales de aluminio sometidos a rozamiento, en determinadas circunstancias de funcionamiento, muestran un comportamiento aceptable como prueban las numerosas aplicaciones que tienen en cojinetes de fricción y émbolos. Debe mencionarse también que el desgaste se puede reducir drásticamente por un tratamiento superficial apropiado.

4.4.- MECANICA DE LA ROTURA. TENACIDAD

El comportamiento en cuanto a la resistencia a la rotura de un material es importante. En los elementos de construcción se presupone que existen siempre fisuras de un determinado tamaño y que se dimensionan los elementos de tal modo que estas fisuras no sobrepasan una magnitud crítica, dentro de un período de vida previsto y sobre todo, que no aumenten de modo inestable. La carga puede ser

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monótona estática u oscilante. También se puede tener en cuenta la carga de fluencia (método más apropiado para los materiales de aluminio) o las grietas de corrosión bajo tensión.

El valor característico utilizado con más frecuencia es el de la tenacidad a las fisuras K, definido para el estado de tensiones uniforme como la concentración de tensiones crítica en la punta de la fisura, que ocasiona la continuación del crecimiento de la misma. Los valores altos de K significan alta tenacidad, siendo favorables, cuando también son elevados los valores de resistencia a la tracción y el límite elástico. Entre los valores de resistencia habituales obtenidos del ensayo de tracción y la tenacidad a las fisuras no existe, en general, ninguna dependencia. Desde el punto de vista cualitativo, la tenacidad alas fisuras desciende al aumentar la resistencia. El objetivo de la investigación de los materiales es desarrollar los que tengan más resistencia y al mismo tiempo mayor tenacidad a la rotura.

4.5.- DUREZA

La mayoría de las veces se da en los materiales de aluminio la dureza Brinell, a causa de la sencillez de su determinación. Ls valores de la dureza Brinell se extienden desde HB=15 para aluminio purísimo blando hasta casi HB=110 para AlZnMgCu 1,5 endurecido térmicamente, es decir, aleación 7075. Los valores de la dureza determinados por otros métodos, como el Vickers o el de Knoop, apenas tienen significado práctico en este metal. De vez en cuando se utiliza la microdureza, una variante del método Vickers, para determinar la dureza de capas anodizadas.

4.6.- RESISTENCIA EN EL ENSAYO A TRACCIÓN

Los importantísimos valores característicos que se obtienen en el ensayo de tracción para juzgar las propiedades resistentes de los materiales metálicos en general, son aplicables a los materiales de aluminio.

Generalmente estos valores son el límite elástico 0,2%, la resistencia máxima a la tracción, el alargamiento a la rotura, así como la estricción de ruptura.

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En general, la resistencia aumenta con el aumento en elementos de aleación. Los dominios de la resistencia en cada aleación surgen, ante todo, como consecuencia de los aumentos de resistencia que se consiguen por deformación en frío o endurecimiento por tratamiento térmico. Los distintos elementos de aleación actúan de modo muy diferente en cuanto al aumento de resistencia.

Al aumentar la resistencia, aumenta el límite 0,2% más deprisa que la resistencia a la tracción, independientemente del mecanismo que motive el aumento de la resistencia. Este aumento se nota especialmente cuando el aumento de resistencia tiene lugar por deformación en frío. En general no se desean altas relaciones entre los límites elásticos (límite 0,2% y resistencia máxima) ya que expresan un comportamiento relativamente quebradizo del material, razón fundamental por la que no se puede aumentar de forma arbitraria la resistencia de un material metálico.

Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsíon: en los materiales alumínicos se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento 0,2% ( parámetro de la resistencia a la compresión ) es igual al valor del límite elástico 0,2% de tracción. La resistencia a la compresión o el límite de aplastamiento 0,2% tienen importancia principalmente en las piezas sometidas a compresión tales como cojinetes de fricción. La resistencia a la flexión en las aleaciones de aluminio se tiene en cuenta para las de fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción no es posible determinar el límite elástico con suficiente exactitud a causa de su pequeño valor. La resistencia al cizallamiento es importante para el cálculo de la fuerza necesaria para el corte y para determinadas construcciones. No existen valores normalizados. Generalmente está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción.

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Casi nunca se determina la resistencia a la torsión, si se considera una distribución lineal de tensiones, puede considerársela igual a la resistencia al cizallamiento.

4.7.- PORPIEDADES RESISTENTES A TEMPERATURAS ELEVADAS

Al aumentar la temperatura, disminuyen la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza, en tanto que, en general, aumenta el alargamiento de rotura y la estricción de rotura. El factor tiempo juega un papel esencial en la determinación de valores de resistencia para altas temperaturas. Esta influencia se exterioriza de dos maneras:

Cambios de estado. Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden producir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han experimentado endurecimiento por deformación en frío, estas traen consigo una disminución de la resistencia mecánica.

Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo, aumentando la velocidad en el cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo pueden surgir tensiones por debajo de la resistencia a la tracción o del límite elástico 0,2%.

4.8.- CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA A BAJAS

El comportamiento de los metales a bajas temperaturas depende fundamentalmente de la estructura de su red cristalina. El aluminio con su red FCC (ó CCC) tiene la misma estructura que el cobre, el níquel o los aceros austeníticos, por eso no se presentan nunca en las aleaciones de aluminio a temperaturas bajas las complicaciones (rápido descenso de la resiliencia, entre otras) que tienen lugar en los metales BCC, sobre todo en los aceros ferríticos.

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Trabajo Final de aluminio

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