Técnicas de Obtención de Grano Metalográfico en el Rango Milimétrico y Centimétrico Mediante Diversos Tratamiento Térmicos y Mecánicos

Transcripción

1 Técnicas de Obtención de Grano Metalográfico en el Rango Milimétrico y Centimétrico Mediante Diversos Tratamiento Térmicos y Mecánicos Proyecto Fin de Carrera Mariola Roldán Galán 8 de julio de 2007

2 Índice general 1. Propiedades mecánicas del aluminio Dureza Resistencia al ensayo de tracción Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsión Propiedades resistentes a temperaturas elevadas Características de resistencia a bajas temperaturas

3 Capítulo 1 Propiedades mecánicas del aluminio 1.1. Dureza La dureza es Es la resistencia que un material opone a la penetración.el Aluminio es un material muy blando por lo que la mayoría de las veces se da, en los materiales de aluminio, la dureza Brinell, a causa de la sencillez de su determinación. Los valores de la dureza Brinell se extienden, en el aluminio, desde HB = 15 para aluminio purísimo blando hasta casi HB = 110, para AlZnMgCu 1.5 endurecido térmicamente. De vez en cuando se utiliza la microdureza, una variante del método Vickers, para determinar la dureza de capas anodizadas. Sirve, además, en la investigación metalúrgica para el análisis de constituyentes estructurales. Debido a que el Aluminio es un metal blando es absolutamente necesario tener cuidado con la aplicación de esfuerzos, para no causar marcas sobre el material y entorpercer el examen micrográfico Resistencia al ensayo de tracción 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. 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 resisten- 2

4 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 3 Figura 1.1: Relación de limites elásticos de aleaciones para forja en función del limite R0.2 para: 1 endurecimiento en frío; 2 compactación de la solución cristalina; 3 endurecimiento térmico

5 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 4 cia; en otras palabras, la relación R0.2 /Rm entre los límites elásticos aumenta. Este aumento se nota, en especial, cuando el aumento de la resistencia tiene lugar por deformación en frío. La curva discurre con la mínima pendiente cuando se aumenta la resistencia en estado blando, por la formación de solución cristalina y entre ambas se halla el efecto del endurecimiento. En general no se desean altas relaciones entre los límites elásticos, ya que expresan un comportamiento relativamente quebradizo del material. El aumento en la relación entre los límites elásticos proporciona una razón fundamental del porqué no puede aumentarse arbitrariamente la resistencia de los materiales metálicos. Otras razones son que la resistencia a la fatiga no crece en igual medida que el aumento de resistencia estática. Además, hay que contar, cuando se usan procedimientos para aumentar la resistencia, con la aparición frecuente de otros efectos no deseados, como una resistencia disminuida a la corrosión. Por ello, en el desarrollo de las aleaciones, debe tomarse como objetivo conseguir una combinación de propiedades en las que las aleaciones presenten una resistencia media que sea la más favorable Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsión El las aleaciones de aluminio se puede admitir que el valor del limite de aplastamiento (parámetro de la resistencia a compresión) es igual al valor del limite elástico de tracción. La resistencia a la compresión o el limite de aplastamiento 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 en las de fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción no es posible determinar el limite elástico con suficiente exactitud a causa de su pequeño valor. La resistencia al cizallamiento está entre el 55 y el 70 % de la resistencia a la tracción y que, al aumentar la resistencia, la resistencia al cizallamiento aumenta más lentamente que la resistencia a la tracción. Para las aleaciones de fundición se utiliza muy poco la resistencia al cizallamiento. Se puede deducir de las escasas mediciones existentes que en este caso la resistencia al cizallamiento puede alcanzar del 55 al 80 % de la resistencia a la tracción. Casi nunca se determina la resistencia a la torsión. Si se admite una distribución

6 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 5 lineal de tensiones, puede considerársele igual a la resistencia al cizallamiento. Los ensayos de torsión se utilizan en investigaciones para experimentos ocasionales de la deformabilidad Propiedades 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. En rigor, el comportamiento viene determinado por la composición y el estado del material. En la determinación de los valores de resistencia para altas temperaturas así como su utilización en proyecto y dimensionado de las partes componentes de una estructura, el factor tiempo juega un papel esencial en contraste con las condiciones a temperatura ambiente. Esta influencia se exterioriza de dos maneras: 1. 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 o han sido endurecidos; estas modificaciones traen consigo un descenso de la resistencia mecánica, que generalmente es irreversible, es decir, se mantiene incluso después del enfriamiento a temperatura ambiente. Los valores de las resistencias dependen en este caso de la duración del calentamiento previo. 2. Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo, aumentado la velocidad en el cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo, y como consecuencia de ello, pueden surgir tensiones por debajo de la resistencia a la tracción o del límite del 0,2 % e, incluso, a la larga, roturas o cambios de forma perjudiciales. Las tensiones admisibles dependen, en este caso, del tiempo de aplicación de la carga. En la solicitación constante influye la velocidad de deformación o de aplicación de la carga. Estabilidad de revenido: El ensayo a temperatura ambiente, después de un calentamiento transitorio (revenido), da información sobre la posibilidad y

7 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 6 Figura 1.2: Diversos valores de resistencia a temperatura elevada acción de un cambio de estado irreversible. Los materiales que no sufren modificación permanente a causa de un calentamiento transitorio se denominan térmicamente estables. En general, esta estabilidad está limitada a un intervalo concreto de temperatura y tiempo (para campos específicos de aplicación se utilizan otros criterios). Se pueden distinguir cuatro grupos de materiales, siendo decisivo, ante todo, su estado: 1. Materiales maleables en estado blando y aleaciones de fundición no endurecibles en el estado de colada, que son en la práctica térmicamente estables. Son muy estables los materiales maleables prensados, forjados y laminados en caliente; muestran según el sistema de fabricación las variaciones de las que luego se tratará en forma intensamente alternada. 2. Materiales para laminación y forja, sometidos a endurecimiento por deformación en frío (y en un estado intermedio, recocidos) en los que el aumento de resistencia ocasionado por la conformación se destruye cada vez más por el aumento de temperaturas y del tiempo de calentamiento.

8 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 7 Figura 1.3: Influencia de un calentamiento pasajero de AlMgSi 1, endurecida térmicamente

9 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 8 Figura 1.4: Influencia de un calentamiento transitorio en las propiedades de AlCuMg 1, endurecido en frío

10 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 9 3. Aleaciones endurecidas térmicamente, que no se alteran permanentemente hasta llegar a las proximidades de la temperatura de endurecimiento térmico. La resistencia mecánica puede sufrir un aumento transitorio disminuyendo, después, a causa de sobreenveecimiento, en el caso límite, hasta el estado blando o de colada. 4. -Aleaciones endurecidas en frío que, en su mayoría, presentan primero un aumento de resistencia por endurecimiento térmico, pudiendo presentarse con ello una disminución del alargamiento a la rotura y de la resistencia a la corrosión. A temperaturas superiores el comportamiento corresponde al de las aleaciones endurecidas térmicamente. Comportamiento a elevadas temperaturas:a temperaturas a partir de 100 hasta aproximadamente 150 o C alcanza una influencia apreciable la fluencia. Por eso, el comportamiento de los materiales, por encima de este intervalo de temperaturas, cuando soportan solicitaciones estáticas durante largo tiempo, sólo puede describirse con ensayos a temperaturas elevadas. El material, su estado de solidificación y de endurecimiento, influyen de diversas maneras en el comportamiento a elevada temperatura. A temperaturas bajas, (Por debajo de los 150 C), cuando se trata de materiales no endurecibles, los estados consolidados son más favorables. Por encima de esto se aproxima su comportamiento rápidamente al del estado blando, por lo que los materiales altamente aleados, en estado blando pueden ser más favorables que los de más baja aleación endurecidos en frío. Los materiales endurecibles, cuando los tiempos de solicitación hayan de ser largos, se usan con buen criterio solo a aquellas temperaturas que se encuentran claramente por debajo del endurecimiento térmico, ya que de otro modo pasan al estado blando por sobreenvejecimiento Características de resistencia a bajas temperaturas El comportamiento de los metales a bajas temperaturas depende, fundamentalmente, de la estructura de su red cristalina. El aluminio, con su red cúbica centrada

11 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 10 Figura 1.5: Comportamiento a elevadas temperaturas de AlMg4.5Mn W28

12 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 11 Figura 1.6: Comportamiento a elevadas temperaturas de AlSi10Mg Figura 1.7: Limite elástico en caliente y resistencia a la tracción en caliente de AlZn4.5Mg1

13 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 12 en las caras tiene la misma estructura que el cobre, el níquel y los aceros austeníticos. Por eso no se presentan nunca en las aleaciones de aluminio a temperaturas bajas las conocidas complicaciones (caracterizadas, entre otras, por el rápido descenso de la resiliencia) que tienen lugar en los metales cúbicos centrados en el cuerpo, sobre todo en los aceros ferríticos. Al descender la temperatura, aumenta la resistencia a la tracción, primero débilmente y, a partir de -100 C, cada vez con más intensidad. El límite 0,2 se comporta de modo semejante, solo que, en este caso, al aumentar las bajas temperaturas es bastante más débil, de modo que la relación del límite elástico se hace cada vez menor al descender la temperatura. También el alargamiento a la rotura aumenta continuamente en todo el intervalo de temperaturas. Figura 1.8: características mecánicas del aluminio puro 1100 a bajas temperaturas Este comportamiento es, en esencia, independiente del grado de endurecimiento por conformación en frío del material. Mientras que el alargamiento de rotura aumenta en todo el intervalo al descender la temperatura, la estricción de rotura, en cambio, después de sobrepasar un valor máximo hacia los -80 C vuelve a descender al seguir bajando la temperatura. Las aleaciones de aluminio para fundición presentan, a bajas temperaturas, en general, igual comportamiento que los materiales para laminación y forja. En algunas aleaciones para fundición, como las que tienen un contenido en Mg superior al 6 %, se observa una excepción de la tendencia general, la resistencia a la tracción disminuye poco con el descenso en la temperatura -100 C, y más por debajo de los -100 C.

14 CAPÍTULO 1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALUMINIO 13 Figura 1.9: características mecánicas de algunas aleaciones AlMg y AlMgN en estado blando a bajas temperaturas El alargamiento de rotura y la estricción de rotura permanecen aproximadamente constantes o disminuyen al descender la temperatura. También en este caso hay excepciones, en las cuales el alargamiento de rotura aumenta a la vez que lo hace el límite 0,2.