ESTRUCTURA DE UN METAL POLICRISTALINO. El edificio cristalino se construye con granos, ellos son los elementos de construcción.

Transcripción

1 ESTRUCTURA DE UN METAL POLICRISTALINO El edificio cristalino se construye con granos, ellos son los elementos de construcción. ESTRUCTURA DE UN METAL POLICRISTALINO Granos individuales de una aleación de Ti moldeado. La rotura intercristalina se debe a la presencia de una película de bajo punto de fusión entre los granos. 1

2 TAMAÑO DE GRANO Afecta las propiedades mecánicas del material. A menor tamaño de grano, mayores son los límites de granos. Mayor límite de grano significa mayor resistencia al deslizamiento. Los límites de granos detienen el movimiento de las dislocaciones y por lo tanto endurecen el metal. TAMAÑO DE GRANO Apilamiento de dislocaciones en límite de grano de un acero inoxidable 2

3 ECUACIÓN DE HALL-PETCH s y = s o + k / (d) 1/2 s y = Resistencia a la fluencia d = diámetro promedio de grano s o y K son constantes para un metal. s o = 70 Mpa K = 0,74 Mpa m 1/2 para acero dulce ECUACIÓN DE HALL-PETCH Entre más fino sean los granos, mayores son las propiedades mecánicas (a T o ambiente). Propiedades más isotrópicas < distorsión durante temple y < susceptibilidad al agrietamiento < resistencia a la corrosión, creep y conductividad eléctrica Si el d se reduce de 10 mm a 10 nm, la resistencia a la fluencia del Cu se incrementa 31 veces. La ec. Hall-Petch es invalida en el rango más bajo de los nanocristales. 3

4 ESTRUCTURA DE UN METAL POLICRISTALINO Líneas representan orientación cristalina Límite de grano CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Límite de grano de ángulo grande (alto) ( q> 15 o ) Límite de grano de ángulo pequeño (bajo) ( q < 15 o ) (También llamado subgrano) Ángulo de desacoplamiento o desorientación 4

5 CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Modelo de burbujas de Bragg. Las flechas rojas indican los límites de grano de gran ángulo y las verdes las de bajo ángulo CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Zona de transición del LG Modelo esquemático del límite de grano de gran ángulo mostrando una estructura desordenada. 5

6 CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Energía de limite de grano Gran ángulo Desorientación, q La energía de los limites de granos se incrementa con el incremento del desajuste (desorientación) de los granos hasta un valor máximo de desacople relativo de aproximadamente º. Cuando q > 15 o el limite es conocido como limite de grano al azar de ángulo grande. CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO TIPO DE LG Eje de rotación Límite con Inclinación Límite grano de bajo ángulo (q < 15º) de inclinación Limite de grano 6

7 CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Límite de inclinación de ángulo pequeño para zafiro High-resolution Transmission Electron Microscope image of a tilt grain boundary in aluminum, Sandia National Lab Transmission electron microscope image of a small angle tilt boundary in Si. The red lines mark the edge dislocations, the blue lines indicate the tilt angle 7

8 CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Limite con Giro o de Rotación Eje de rotación El tercer tipo: Mixto (reales) QUE IMPORTANCIA TIENE CONOCER EL TIPO DE L.G? CLASIFICACIÓN DE LOS LIMITES DE GRANO Microestructura de un acero austenítico 8

9 EFECTO DEL ATAQUE QUÍMICO Acero sin ataque 200 x Acero atacado 200 x Latón sin atacar 200 x Latón atacado 200 x EFECTO DEL ATAQUE QUÍMICO DOS MÉTODOS DE ATAQUE QUÍMICO PARA REVELAR LAS JUNTAS DE GRANO DE SECCIONES PLANAS (Para MO Y MEB) Capa de óxido formada sobre la superficie pulida Ataque diferencial de la superficie Al atacada anódicamente Dibujo esquemático que ilustra las reflectividades diferentes en la superficie del cristal. 9

10 EFECTO DEL ATAQUE QUÍMICO DOS MÉTODOS DE ATAQUE QUÍMICO PARA REVELAR LAS JUNTAS DE GRANO DE SECCIONES PLANAS (Para M.O Y MEB) Lentes objetivo Formación imagen 10

11 TRANSFORMACIONES DIFUSIVAS POR PRECIPITACIÓN 1903 DESCUBRIMIENTO DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO ENDURECIDAS POR PRECIPITACIÓN (Uno de los descubrimientos metalúrgicos más importantes del Siglo XX) Coincidió también con el nacimiento de la era de la aviación (hermanos Wright y su avión insignia Flyer ) TRANSFORMACIONES DIFUSIVAS POR PRECIPITACIÓN ALFRED WILM (25 Junio, agosto, 1937) 11

12 LABORATORIO DE ALFRED WILM ENFOQUE SEGUIDO POR ALFRED Los aceros se endurecen templándolos Por qué no endurecer también las aleaciones de Aluminio mediante temple? Análisis efectuado por Wilm La dureza se incrementa en función del tiempo: Endurecimiento por Envejecido PROPIEDADES = f (microestructura) Wilm observó la Microestructura de sus aleaciones envejecidas. Henry Sorby Resultado: NO HUBO CAMBIO en la microestructura!! 12

13 Plan de Wilm para endurecer la Aleación Al-4%Cu 550ºC T Mantenimiento Uno de los logros tecnológicos más grandes del Siglo XX Ensayo dureza Fracaso! No hubo incremento en dureza. Eureka! La dureza se incrementó!! Tiempo Curva de envejecido de Wilm 13

14 Curva de envejecido Dureza máxima Dureza Dureza al templar Tiempo TEORÍA DEL ENDURECIMIENTO DEL DURALUMINIO Primera Contribución al Misterio del Endurecimiento del Duraluminio (1919) Por qué el material endurecía con el envejecimiento? Apareció la teoría de la supersaturación de la solución sólida. Paul Merica ( ) En el intervalo entre Wilm-Merica no se descubrieron nuevas aleaciones endurecidas por envejecimientos, se pensaba que era un fenómeno curioso y único para ese sistema Al-Cu 14

15 Temperatura C Temperatura, o C 13/12/2014 TEORÍA DE LA SUPERSATURACIÓN DE LA SOLUCIÓN SÓLIDA QUÉ HACE QUE UNA ALEACIÓN SEA TRATABLE TERMICAMENTE? Liq. 1,85% Liq O C O Mg Si 2 Límite de solubilidad ,0 0,50 1,0 1,50 2,0 2,50 3,0 Al Mg2Si TEORÍA DE LA SUPERSATURACIÓN DE LA SOLUCIÓN SÓLIDA Liq. Liq o C 5,6 % q Al - La teoría sugirió que examinado los DF se revelaría que aleaciones eran candidatas para endurecerse por precipitación y proveerías tanto la T de solución como la composición máxima para el proceso de precipitación % Cobre 15

16 TEORÍA DEL ENDURECIMIENTO DEL DURALUMINIO APORTE DE LA TEORÍA DE MERICA Primera explicación aceptada del endurecimiento del Duraluminio Existencia de Precipitados Invisibles responsables del endurecimiento Impulsó la Investigación Metalúrgica del Aluminio y otros Metales Impulsó inmediatamente el desarrollo de Nuevas Aleaciones (Boom) Primer uso práctico de los Diagramas de Fases para Diseño de Aleaciones Condujo a la Edad Dorada en la determinación de Diagramas de Fases Impulsó la investigación de diferentes tipos de TT de envejecido Inspiró el desarrollo de nuevas teorías dentro de la Metalurgia Física (teoría de interacción matriz-precipitado que 15 años después llevó a la teoría dislocaciones) Se empieza a transformar la Artesanía Metalúrgica en actividad Científica TEORÍA DE LA SUPERSATURACIÓN DE LA SOLUCIÓN SÓLIDA 16

17 TEORÍA DE LA SUPERSATURACIÓN DE LA SOLUCIÓN SÓLIDA FRACCIÓN DE SOLUTO EN LA RED LIMITADA A TEMPERATURA AMBIENTE MAYOR FRACCIÓN DE SOLUTO EN LA RED ESTAMPIDA DE SOLUTO? TEORÍA DE LA SUPERSATURACIÓN DE LA SOLUCIÓN SÓLIDA ALTO ATRAPAMIENTO DE SOLUTO POR EXPANSIÓN DE LA RED (solubilidad estable) ENDURECIMIENTO DE LA ESTRUCTURA POR SOLUCIÓN SÓLIDA DISTORSIÓN DE LA RED (Solución sobresaturada Metaestable) 17

18 FORMACIÓN DE PRECIPITADOS FORMACIÓN DE PRECIPITADOS 18

19 FORMACIÓN DE PRECIPITADOS RUTA DE MIGRACIÓN ATÓMICA DÉCADA DE 1920 DESARROLLO DE LAS PRIMERAS ALEACIONES DE ALUMINIO MODERNAS 19

20 CRONOLOGÍA DE DESARROLLO DE ALEACIONES 1903 Aleación 3003 (Al-1,2%Mn) Aleación 6051 (Al-0.5%Mg-1%Si), Primera aleación en el sistema Al-Mg-Si Aleación 6061 (Al-1%Mg-0,60%Si) Aleación 7075 (Al-5,6%Zn-2,5%Mg-1,6%Cu), desarrollada por Alcoa. Cambiada por la 7475 en los Aleación 6063 (Al-0,68%Mg-0,40%Si), la aleación más usada a nivel mundial para extrusión. ELEMENTOS PRINCIPALES FORMADORES DE ALEACIONES 20

21 Máxima Solubilidad Sólida (%) 13/12/2014 ELEMENTOS PRINCIPALES FORMADORES DE ALEACIONES Leyenda Metales No Metales Metaloides Serie Lantánidos Serie Actínidos SOLUBILIDAD SÓLIDA EN EL ALUMINIO 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Zn Ag Ga Mg Ge Cu Li Mn Si Ti Hf Cr Cd V Zr Fe Ni Elementos 17 elementos 21

22 DISEÑO DE ALEACIONES Zn Mg Al Cu Mn Casi el 60% del Si mundial es usado en la Industria del Al Si SABIAS QUÉ? 22

23 Una persona normal de 100 kg tiene: El Zn, Cu y Mn son esenciales para la vida. El organismo es un complejo procesador químico. El sabio ingles Dr F.E Lawson, dijo losiguiente: Un hombre que pesa unos 70 kilos tiene bastante grasa para hacer siete pastillas de jabón, carbón para nueve mil lápices, fósforo suficientes para encender cigarrillos, hierro para un clavo mediano, cal para blanquear un gallinero, azufre para librar de pulgas a un perro y agua como para llenar un barril de 40 litros. Tal es el valor de un hombre de mediana estatura y peso ligero. PRINCIPIOS DE DISEÑO DE ALEACIONES Al Zn Mg Cu Mn Si Al - Zn - Mg Al - Zn -Mg - Cu Al - Mg Al - Mg - Si Al - Cu Al - Cu -Mg Al - Mn Al - Si Al - Si - Cu 23

24 PRINCIPIOS DE DISEÑO DE ALEACIONES ELEMENTOS ALEANTES LOS MECANISMOS MEDIANTE LOS CUALES ACTÚAN LOS DIFERENTES ALEANTES SON: Formar soluciones sólidas en la estructura del Al. Formar compuestos intermetálicos con el Al (CuAl 2 ). Formar compuestos intermetálico con otros aleantes. Formar microconstituyentes eutécticos. Inhibir la formación de ciertas fases. Actuar sobre cinética nucleación ó crecmto cristalino. Modificar la estructura primaria de fases. Correctores de los intermetálicos ricos en hierro. CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO (American Aluminium Asociation) 24

25 DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES ALEACIONES PARA CONFORMADO PLÁSTICO Aleante Principal Serie Aplicaciones típicas 99,00% Min. Aluminio Cobre Manganeso Silicio Magnesio Magnesio y silicio Zinc Otros elementos 1XXX 2XXX 3XXX 4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8XXX Foil, chapas para litografía, chapas. Industria aeronáutica. Latas, radiadores de edificios. Intercambiadores de calor, varillas de soldadura y alambre Latas, automóviles, fachadas, construcción, transporte. Automóviles, construcción, transporte. Industria aeronáutica, radiadores.. Foil (Fe), industria aeronáutica (Li). Cómo podemos endurecer a las aleaciones que no se tratan térmicamente? DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES ALEACIONES PARA FUNDICIÓN 25

26 CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTO TÉRMICOS F de fabrica 1: Solamente endurecida por deformación O Recocida (sólo aleaciones deformables) 2: Endurecida por deformación más de la cantidad deseada y parcialmente recocida H Trabajada en frío T Tratada térmicamente 3: Endurecida por deformación a la cantidad deseada y estabilizada para mejorar ductilidad (Productos de Al-Mg) 4: Trabajado en frío y recocido parcial debido a operaciones de laqueado ó horneado pintura CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTO TÉRMICOS Para la H1X: se tiene: H11: Endurecida por deformación, 1/8 Duro H12: Endurecida por deformación, ¼ Duro H H14: Endurecida por deformación, ½ Duro H16: Endurecida por deformación,, ¾ Duro H18: Endurecida por deformación, dureza Total (La máxima dureza comercialmente disponible) H19: Endurecida por deformación, extra-duro (Sólo aplicaciones especiales) 26

27 CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTO TÉRMICOS 1: Solución parcial + envejecido natural 2: Solución parcial + trabajado frío + envj. natural 3: Solución + trabajo en frío (Remaches) +envej. natural 4: Solución + envejecido natural T Tratada térmicamente 5: Solución parcial + envejecido artificial (Aleación 6063) 6: Solución + envejecido artificial 7: Solución + Sobreenvejecido (estabilización) 8: Solución + trabajo en frío + envejecido artificial 9: Solución + envejecido artificial + trabajo en frío ANSI H35.1/H35.1 (M)-2009 Y ADOPTADA POR EN 515 Y ISO : Solución parcial + Trabajo frío + envej. artificial PRIMERA EVIDENCIA DEL FENÓMENO DE PRECIPITACIÓN APLICACIÓN DE LA TÉCNICA DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X - A. Guinier y G. D. Preston - Confirmaron por primera vez la presencia de aglomerados de átomos de soluto (cluster de 1 a 2 capas atómicas de espesor) formando precipitados coherentes con la matriz. 8 años después (1945) R. Mehl y C. Barret la bautizaron como: ZONAS DE GUINIER-PRESTON Se confirmó que el proceso de envejecido envolvía más de una etapa Secuencia de Precipitación SSS Zonas GP θ θ θ 27