MODELAMIENTO DEL ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN EN ALEACIONES DE ALUMINIO TRATABLES TÉRMICAMENTE

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1 MODELAMIENTO DEL ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN EN ALEACIONES DE ALUMINIO TRATABLES TÉRMICAMENTE GRUPO DE INVESTIGACIÓN: DETECAL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: MODELAMIENTO NUMÉRICO 1 INVESTIGADOR: CARLOS A. NARVÁEZ 2 3 COINVESTIGADORES: DIEGO GARZÓN, CARLOS A. BOHÓRQUEZ RESUMEN Este artículo presenta diferentes modelos matemáticos desarrollados para predecir el endurecimiento por precipitación en aleaciones de aluminio. Se realiza una introducción al envejecimiento en dichos materiales, se describe el proceso de endurecimiento por precipitación y los tipos de modelo desarrollados. El acoplamiento de estos modelos con los elementos finitos es esencial para la simulación del comportamiento termomecánico del aluminio envejecido. PALABRAS CLAVE Aluminio, difusión, endurecimiento por precipitación, envejecimiento, modelamiento matemático. ABSTRACT This article presents different mathematical models developed for predicting the precipitation hardening of heat-treatable aluminum alloys. The aging of these materials id introduced, followed by a description of the precipitation hardening process and the types of models developed. The coupling of these models with finite elements is essential for thermo-mechanical simulation of aged aluminum. KEY WORDS aluminum, aging, diffusion, precipitation hardening, mathematical modeling. DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA Mag. en Materiales y Procesos, profesor Facultad de Ingeniería Mecánica, Grupo GEAMEC, Universidad Santo Tomás. Doctor en Mecánica Computacional, profesor Departamento de Mecánica y Mecatrónica, Grupo GNUM, Universidad Nacional. Mag. en Materiales y Procesos, profesor Programa de Ingeniería Mecánica, Grupo DETECAL, Universidad Libre. 15

2 DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA INTRODUCCIÓN De acuerdo a los planteamientos de Fang (1996: ), 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 (National Research Council 1996), donde se presentan diversas fallas por envejecimiento en los fuselajes fabricados con aluminio (Australian Transport Safety Bureau 2007). Durante varios años la industria aeronáutica se ha basado en la observación y la proyección estadística para mantener con suficiente seguridad los aviones actuales pero esto ha generado un alto costo económico e ingenieril que disminuye su capacidad de compra de nuevas aeronaves e incrementa la edad promedio de la flota actual (Young y et al, 2008). 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 (Yuang y et tal. 2009: ). 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 (National Research Council 1996). Uno de los modelos de envejecimiento más desarrollados en los últimos años es por endurecimiento por precipitación, el cual pretende predecir el incremento en las propiedades mecánicas de una aleación particular debido a la formación de precipitados (Shercliff y et al 1990: ). El objetivo de este artículo de revisión es recopilar, analizar y discutir diversos modelos computacionales desarrollados para predecir el endurecimiento por precipitación en aleaciones de aluminio tratables térmicamente. 1. EL ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN 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 16

3 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. De acuerdo a Cuniberti y et al (2006): 2. MODELOS DE ENDURECMIENTO POR PRECIPITACIÓN 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. 1 Solubilización. 2 Templado. 3a envejecimiento natural. 3b envejecimiento artificial. Y i ppt ss DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA 17

4 GP / ss 2/ 3 A GP / ss GP / ss GP / ss f 0 3 (5) GP / ss 0 f DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA Y i ppt GP / ss ppt GP / ss ppt M ppt 4 GP Zone 5 Critical Resolved Shear Stress 18

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