Introducción al aluminio

El aluminio

Introducción al Aluminio y sus

aleaciones

1. EL ALUMINIO.

El aluminio es el décimo tercer elemento químico, con peso atómico

27, el punto de fusión de éste es 658ºC, el módulo de elasticidad es

relativamente bajo, solo 6700Kg/mm2 y un peso específico de 2,7

aproximadamente un tercio de la del acero. Es un metal no alotrópico, que

posee una gran ductilidad, conformabilidad y relativas bajas prestaciones

mecánicas, es de color blanco y posee brillo metálico.

El aluminio es el segundo elemento metálico más abundante en la

corteza terrestre, Pero debido a su reactividad éste se presenta combinado

con otros elementos como hierro, oxígeno y silicio. Después de los

materiales férreos, el aluminio es el metal de mayor importancia y

relevancia, a pesar de que si se compara con otros metales cuyo empleo

data mas allá de los cinco mil años, este es joven, pues es a finales del

siglo XIX cuando se patenta un método de extracción funcional con

aplicación industrial.

El proceso de extracción del aluminio se fundamenta en una reacción

electrolítica (proceso Hall-Heroult1), en el cual se reduce la Bauxita en un

baño de criolita fundida, obteniéndose un aluminio con purezas que va

desde un 99.5 hasta un 99.9 por 100. La criolita se emplea como fúndente

de la alúmina en los baños electrolíticos, su denominación química es el

fluoruro alumínico sódico.1 En torno a la obtención del aluminio se presentan diversas propuestas. Se

dice que es en 1824 cuando Oersted Obtiene Aluminio casi puro, no obstante otras

fuentes señalan que es en 1827 cuando el químico Alemán F. Wöhler y Antoine

Bussy cada uno por separado obtienen aluminio por dos procedimientos distintos.

Por último, cabe reseñar que en 1886 el Metalúrgico Francés Paul Héroult y

el Norteamericano Charles Hall patentan cada uno en su país y con horas de

diferencia un método de extracción de aluminio, éste se sigue empleando hoy en

día.

Introducción al aluminio y sus aleaciones 1

El aluminio

La Bauxita esta compuesta por óxidos hidratados de aluminio, siendo

éste el mineral más usado para la producción industrial del aluminio, el

proceso de obtención del aluminio a partir de este mineral es hoy en día el

mejor proceso aunque para producir una tonelada de aluminio ello se

requiera, mas de 15 Mwh de electricidad, unas 10 toneladas de bauxita,

unos 80 kg de criolita y más de 600 kg de electrodos de carbón.

El proceso electrolítico de extracción del aluminio a partir de la

bauxita se realiza en tres etapas, a saber:

Minería. Refinación. Reducción.La minería se basa en la extracción de la bauxita, un posterior lavado

de la misma y un secado para ser enviada al proceso de refinación.

La refinación se fundamenta en el proceso de preparación2 de la

bauxita para su posterior reducción y así obtener el aluminio.

La reducción se sustenta en un proceso electrolítico3 en el cual se

emplea una gran cantidad de energía eléctrica para reducir la alúmina en

aluminio.

La ecuación básica que rige este proceso es:

Al2O3 2Al + 3/2 O3

El aluminio tiene gran afinidad por el oxigeno, formando oxido de

aluminio (alúmina Al2O3), pero al oxidarse, éste crea una película continua e

impermeable que inhibe la corrosión posterior, esta capa pasiva lo hace

2 La bauxita que ha sido lavada y secada es finamente molida, tras este paso

esta se calienta con una solución concentrada de sosa cáustica (NaOH)obteniendo

una solución de aluminato sódico; esta solución es filtrada después se estimula la

precipitación mediante la adición de dióxido de carbono o de pequeñas cantidades

de hidróxido de aluminio previamente precipitado. 3 En las celdas electrolíticas , la alúmina es reducida a aluminio, para ello se

requiere del empleo de criolita fundida cuyo punto de fusión es de 980ºC, la cual

sirve para disolver la alúmina, si no se emplease la criolita se requeriría una

temperatura superior a los 2000ºC para fundir la alúmina. Por la acción de la

corriente eléctrica sobre la alúmina disuelta en la criolita, se deposita el aluminio

fundido sobre el cátodo este proceso sigue las leyes que rigen la electrólisis, de

esta manera se llega a obtener un aluminio con pureza de hasta 99,6%


El aluminio

resistente a una gran cantidad de medios corrosivos ambientales y/o

industriales; esta película protectora se suele reforzar industrialmente

mediante un proceso de anodizado, para obtener diversos acabados

superficiales, otorgándole al aluminio entre otras cosas un acabado estético

en diversos colores y diferentes brillos.

El Aluminio posee una gran versatilidad en la industria actual, debido

al conjunto de propiedades físicas, químicas y mecánicas que se puede

obtener de él, estas características pueden obtenerse bien sea por un

tratamiento térmico, mecánico, químico, por aleación o por mezcla de éstos,

entre estas cabe destacar:

Buena conductividad eléctrica, aproximadamente un 65% de la del

cobre, pero debido a la baja densidad, éste es ampliamente utilizado.

Buena conductividad térmica, un 36% la de la plata, con gran aceptación

para la elaboración de intercambiadores de calor radiadores y afines.

Elevada plasticidad, un alargamiento proporcional superior al 60% en el

aluminio de pureza es decir un 99,996%.

Toxicidad nula, inodoro e insípido, ampliamente utilizado en la industria

alimenticia, farmacéutica y química.

Excelente comportamiento frente a la corrosión, gracias a su capa de

oxido pasiva.

Su reciclaje es relativamente sencillo y económico, solo se requiere para

reciclarlo entre un 4 y un 6% de la energía necesaria para su extracción,

lo que reduce el costo de producción en un 95%.

El aluminio puro o de pureza comercial tiene una resistencia a la

rotura de unos 8 Kg/mm2, por esto, el aluminio puro se emplea

principalmente donde se requiera una elevada resistencia a la corrosión4,

4 La resistencia a la corrosión del aluminio se debe a una fina película de

óxido natural firmemente adherida a la superficie del metal, que protege a la

superficie del metal a una nueva corrosión, esta capa natural suele medir entre 2 y

100 Å. Si se requiere de una mayor resistencia a la corrosión o de un acabado

superficial estético resistente a la corrosión se ejecuta un anodizado que es un

tratamiento electroquímico superficial que ensancha la capa de óxido protectora, la

cual se puede colorear.


El aluminio

conductividad térmica y/o eléctrica5, por lo que es ampliamente utilizado en

la industria eléctrica, alimentaria, química y arquitectónica donde las

solicitaciones mecánicas no son elevadas.

La baja densidad del aluminio (aproximadamente 2,7 g/cm3), del

orden de la tercera parte de la del acero, hacen que ésta sea una de las

características más remarcables en el aluminio6, lo cual lo convierte en el

material base de un sin numero de aleaciones ligeras, siendo éstas las que

se denominan, los materiales de la industria del transporte.

Es de destacar que en las aleaciones de aluminio, los elementos de

aleación tales como el Mg, Li y Si reducen la densidad, mientras que el Cr,

Cu, Fe, Mn, Ti y Zn incrementan la densidad; en las aleaciones comerciales,

ésta es del orden del 2,65~2,75 g/cm3 y en las aleaciones Al-Li en el orden

de 2,45~2,6 g/cm3 [999]

La estructura cristalina del aluminio, es la cúbica de caras centradas,

la cual posee 12 sistemas de deslizamiento, haciendo que éste posea una

elevada plasticidad y ductilidad, una baja resistencia la cual para un

aluminio de pureza 99,997%, en estado recocido presenta un esfuerzo

máximo de 54 MPa, ausencia del límite de elasticidad y un alargamiento

proporcional del 62%. [805] El módulo de elasticidad es relativamente bajo,

aproximadamente 7000 Kg/mm2, lo que implica que tiene una flexibilidad

muy elevada, lo que es desventajoso en el caso de las estructuras y su

comportamiento frente al pandeo, y a la frecuencia de resonancia del

mismo [806]

La gran mayoría de las aplicaciones industriales del aluminio

requieren de éste un mínimo en las características mecánicas, las cuales

normalmente no se pueden conseguir en un aluminio puro, debido a que el

único método para mejorar las propiedades en el aluminio puro es

5 El calor especifico del aluminio es de 0,214 cal/g/ºC, la conductividad

térmica 0,502 cal/cm*s*ºK, no obstante la conductividad térmica disminuye con la

temperatura, siendo ésta de 0,475 a 200ºC 0,425 a 400ºC y 0,360ª los 600ºC.6 A pesar que la resistencia del aluminio es del 55% de la resistencia a

tracción del cobre un cable de Al, debido a su ligereza, puede cubrir mayores

distancias


El aluminio

mediante el endurecimiento por deformación, pero la acritud puede

incrementar la resistencia en un rango muy reducido.

Sin embargo, las propiedades mecánicas en el aluminio pueden

mejorarse sustancialmente sin menoscabar sus otras características

mediante el empleo de ciertos elementos de adición o aleantes. La

introducción de estos elementos aleantes hace incrementar las propiedades

mecánicas hasta cerca de diez veces la del metal puro. Los metales que

frecuentemente se le añaden al aluminio son: Cobre (Cu), Magnesio (Mg),

Silicio (Si), Manganeso (Mn), Cinc (Zn), Níquel (Ni) y Hierro (Fe).

El incremento en la resistencia que presenta el aluminio aleado se

descubrió a principios del siglo XX cuando Alfred Wilm de manera fortuita

observó el fenómeno de endurecimiento por precipitación, este

descubrimiento sirvió para desarrollar la aleación que se denominó

duraluminio, la Al-3,5%Cu-0,5%Mg-0,5%Mn, la cual fue empleada en la

estructura del Zeppelin y en algunos aeroplanos de la época. Es a partir de

este momento que comienza a desarrollarse la investigación y expansión de

las aleaciones de aluminio, apareciendo cada día nuevas aleaciones muchas

de las cuales se emplean hoy en día tales como la AA 2014 y la AA 2024.

Hoy en día existe una amplia gama de aleaciones de aluminio, donde

cada una de ellas, supera en algo las características del metal base

haciéndolas más aptas para ciertas aplicaciones, mejorando en todo caso, la

resistencia mecánica para el mismo estado. Es digno de mencionar que

debido a los requerimientos militares durante la segunda guerra se estimuló

el desarrollo de nuevas aleaciones una de estas es la AA 7075. La tendencia

actual se basa en mejorar el comportamiento ante la corrosión bajo tensión

o incrementar la tenacidad a la fractura bien por cambios composicionales

de la aleación o mediante adecuados tratamientos térmicos o

termomecánicos7.

7 El desarrollo actual se centra en obtener aleaciones con mayores grados de

calidad, es decir minimizando o ajustando al máximo aquellos contenidos de los

elementos químicos pero que esa pequeña diferencia significa una mejora en

ciertas características. Por otro lado se desarrollan nuevos tratamientos térmicos,

mecánicos o termomecánicos, los cuales incrementan sustancialmente ciertas

propiedades sin menoscabo de otra.


El aluminio

2. LAS ALEACIONES DE ALUMINIO.

El aluminio puro a pesar de poseer un excelente comportamiento

frente a la corrosión y un peso especifico muy bajo, su resistencia mecánica

es relativamente baja. Para mejorar este aspecto y otras características se

le adiciona a éste una pequeña cantidad de otro u otros elementos para

obtener así una aleación de aluminio que se comporte mejor ante un

determinado fenómeno.

Es fácil comprender que una sola aleación no puede abarcar las

propiedades optimas para cada una de las aplicaciones que pueden ser

diseñados distintos elementos. Para ello se hace necesario conocer a

profundidad las ventajas y limitaciones de cada aleación, con la finalidad de

seleccionar de la inmensidad de aleaciones, la aleación mas adecuada a los

requerimientos del diseño.

Los elementos de aleación o aleantes de mayor relevancia son: el

cobre Cu, el magnesio Mg, el silicio Si, y el cinc Zn. La adición de estos

elementos genera una serie de familias de aleaciones, dentro de las cuales

se agrupan el inmenso numero de aleaciones de aluminio.

Como un punto de partida, las aleaciones de aluminio pueden

catalogarse como aleaciones binarias si estas están compuestas

básicamente por aluminio y otro elemento, tales como el cobre, el

magnesio, el silicio o el manganeso y aleaciones ternarias8, las cuales están

formadas primordialmente por aluminio y elementos tales como el

magnesio y el silicio, el cobre y el magnesio, el magnesio y el manganeso, y

el cinc y el magnesio, todos estos elementos tienen la posibilidad de ser

parcialmente solubles en el estado sólido dentro de la matriz de aluminio,

8 Las aleaciones binarias o ternarias se refiere a la existencia de dos o tres

elementos aleantes principales, no obstante este concepto puede considerarse

erróneo si se examina el verdadero contenido de elementos aleantes, en el cual se

notara que en realidad los elementos presentes en la aleación son muchos más,

aunque algunos en cantidades muy pequeñas, no obstante, su influencia en la

respuesta y comportamiento de una determinada aleación puede ser significativa.


El aluminio

otorgándole a estas aleaciones de manera general los mayores indicadores

mecánicos dentro de las aleaciones de aluminio.

Hoy en día debido a la extensa gama de aleaciones se ha

regularizado y normalizado la clasificación de las aleaciones de acuerdo a

un sistema ampliamente utilizado en todo el mundo, el cual emplea cuatro

dígitos. El primer número indica el grupo de la aleación, lo que indica el o

los elementos aleantes primordiales de la aleación. El segundo dígito indica

la modificación de la aleación original o los límites de impurezas. Los dos

últimos dígitos identifican la aleación de aluminio en sí, o indican la pureza

del aluminio en el caso de las de la serie 1XXX, en el cual este par de

números indican el porcentaje mínimo de aluminio.

Las diferentes familias de aleación se sintetizan en la figura 1, en ésta

se puede observar los principales elementos de aleación empleados en cada

familia.

1XXX

AW1050

2XXX

AW2014

3XXX

AW3103

4XXX

AW4043

5XXX

AW5083

6XXX

AW6082

7XXX

AW7020

8XXX

AW8090

Aluminio

Cu Mn Si Mg Zn Otros

No soldables

Bonificables

Material de aporte No bonificables

Elementos aleantes

Figura 1 Esquema de la composición de las diferentes aleaciones

Es importante destacar que dentro de las familias de aleaciones de

aluminio y en cada una de las familias las aleaciones se desarrollan con un

fin específico, o mejor dicho con una posible aplicabilidad determinada.

Como se puede apreciar en la tabla 1, existen aleaciones o mejor dicho

familia de aleaciones cuya aplicabilidad general esta especificada, dando de

esta manera una orientación de los posibles usos de cada familia. Además,


El aluminio

en la tabla 1 se incluye los rangos de los esfuerzos de fluencia genéricos de

cada serie.

TABLA 1. Familia de aleaciones de aluminio.

Serie de la Asociación del

Aluminio

Elementos aleantes Principal aplicación

Rango de la resistencia

(MPa)

1XXX AlConductores eléctricos, piezas

con elevada resistencia a la corrosión..

70 ~175

2XXX Al-Cu-MgSector aeronáutico. 170~520

3XXX Al-MnPiezas con elevada resistencia a

la corrosión .140~280

4XXX Al-SiMaterial de aporte para

soldadura.105~350

5XXX Al-MgProductos laminados, recipientes,

construcciones marítimas y lanchas.

140~380

6XXX Al-Mg-SiPerfiles extruídos, estructuras

altamente cargadas, arquitectura.150~380

7XXXAl-Zn-Mg

Al-Zn-Mg-CuAplicaciones estructurales, sector

automovilístico y aeroespacial.380~520520~620

8XXXAl-TiAl-Sn

Aleaciones de uso experimental, actualmente no son comerciales.

Los elementos aleantes modifican las características físicas y/o

químicas de la aleación. La contribución que aporta cada elemento aleante

es diferente, tanto en calidad como en naturaleza; la naturaleza o

mecanismo por el cual los elementos aleantes modifican las propiedades de

la aleación se dividen globalmente en dos, de ahí la denominación de dos

grandes bloques de aleaciones de aluminio:

Aleaciones endurecibles por acritud, o trabajo en frío, son

aquellas en las que el elemento aleante forma una solución sólida

sustitucional en el aluminio, los átomos de soluto que toman el

lugar de átomos del solvente generan una distorsión dentro de la

estructura cristalina, la cual sirve como freno al movimiento de

las dislocaciones; las aleaciones de este grupo son:

Aluminio-Cobre....................................Serie 2XXX.

Aluminio-Manganeso ..........................Serie 3XXX.

Aluminio-Magnesio-Manganeso ..........Serie 3XXX.

Aluminio-Silicio ...................................Serie 4XXX.


El aluminio

Aluminio-Magnesio .............................Serie 5XXX.

Aleaciones endurecibles por precipitación Son aquellas en las

que los elementos aleantes, mediante un adecuado tratamiento

térmico de envejecimiento (también llamado bonificado)

precipitan una o varias segundas fases; las cuales en función de

cómo y de que manera precipitan pueden modificar

sustancialmente las propiedades de la aleación; las aleaciones de

este grupo son:

Aluminio-Cobre-Magnesio....................Serie 2XXX.

Aluminio-Magnesio-Silicio ...................Serie 6XXX.

Aluminio-Cinc-Magnesio .....................Serie 7XXX.

Todas estas familias son endurecibles de forma natural, es decir

precipitan las segundas fases a pesar que permanezcan a temperatura

ambiente, ya que tienen la tendencia de ir a su equilibrio termodinámico,

como todo proceso difusional, si la temperatura de la maduración se

incrementa, el proceso de precipitado se incrementa mucho más, cabe

destacar que las aleaciones de la serie 7XXX son mucho mas sensibles al

envejecimiento natural, es decir que alcanzan el 98~99% de su resistencia

al cabo de un par de meses.

Todas las aleaciones tienen otros elementos en menor cantidad, unas

veces adicionados intencionalmente y otras como simples impurezas, pero

éstos aún y en pequeñas proporciones pueden modificar apreciablemente

las propiedades de la aleación. A continuación se citan brevemente los más

importantes y sus principales efectos en las aleaciones con el aluminio:

Antimonio, bismuto y plomo (Sb, Bi, PB) se adicionan en

aquellas aleaciones en la que se requiera mejorar la maquinabilidad. Estos

metales de bajo punto de fusión, mejoran la maquinable ilidad de las

aleaciones de aluminio. Esto es debido a que son insolubles con el aluminio

formando segundas fases dúctiles que facilitan el corte.


El aluminio

Berilio (Be) principalmente es empleado en aleaciones con

magnesio empleadas para moldeo, ya que reduce la oxidación a altas

temperaturas y mejora la colabilidad. Produce una capa superficial de óxido

que provoca un brillo en la aleación, sin afectar a la resistencia a la

corrosión del aluminio.

Boro (B) y titanio (Ti) se añaden a las aleaciones de aluminio en

la colada ya que promueven la nucleación de los granos, reduciendo de esta

manera el tamaño de grano de la solidificación, su efecto se acentúa si se

adicionan ambos. El titanio está presente también en los alambres de metal

de aporte de la soldadura, Para afinar la microestructura dentro de la zona

del cordón y también para prevenir el agrietamiento.

Circonio (Zr) se utiliza en muchas aleaciones, y particularmente

en las de la serie 7XXX, en adiciones del 0.1 al 0.3 %, con la finalidad de

incrementar la temperatura de recristalización y controlar la estructura

granular de los productos forjados. En esta familia de aleaciones la adición

de Zr produce menor sensibilidad al temple que adiciones similares de Cr.

Cobre (Cu) se emplea con frecuencia en las aleaciones de la

serie 2XXX y 7XXX con el fin de incrementar su resistencia, pero como

contrapartida reduce sustancialmente la resistencia a corrosión, la cantidad

tolerable de éste parece ser dependiente de que si la aleación este o no

balanceada; si una aleación esta balanceada un 0,3% de Cu no le

proporciona grandes cambios en cuanto a su comportamiento frente a la

corrosión.

Cromo (Cr) es uno de los aleantes más comunes en las

aleaciones de las series 6XXX y 7XXX, su contenido no es superior al 0,35%

debido a que tiene tendencia a formar con otras impurezas o elementos

aleantes, tales como el Fe, Mn y el Ti unos precipitados groseros. En los

productos de forja tiende a formar fases finamente dispersas, que inhiben la

nucleación y el crecimiento del grano. Por ello, se utiliza para evitar la

recristalización. Debido a la estructura fibrosa se mejora la resistencia a

corrosión bajo tensión. El principal inconveniente del Cr en las aleaciones


El aluminio

tratables térmicamente es el aumento de la sensibilidad al temple,

tendiendo la fase endurecedora a precipitar en las partículas de las fases de

cromo existentes.

Hierro (Fe) es la impureza más común en el aluminio y dado

que su solubilidad en estado sólido es muy reducida, la mayor parte del

hierro está presente como fase intermetálica en combinación con el

aluminio y a menudo con otros elementos. Reduce el tamaño de grano en

las aleaciones de forja e incrementa la resistencia mecánica, pero la

tendencia es a reducir el contenido de éste para mejorar la tenacidad.

Litio (Li) Es de destacar el efecto del litio que se ha utilizado

como adición en algunas aleaciones de las familias citadas, dando lugar,

además, como elemento principal de aleación a las aleaciones de aluminio

de más reciente desarrollo. El litio tiene una solubilidad sólida en el

aluminio relativamente alta con un máximo del 4% a 610C, lo que es

importante ya que, dada su baja densidad (0.54 g/cm3), por cada adición del

1%, la densidad del aluminio se reduce en un 3%. El litio es el único

elemento de entre los de mayor solubilidad que produce un importante

aumento del módulo de Young del aluminio (un 6% por cada 1% de adición),

dando lugar, por otra parte, a endurecimiento por precipitación de una fase

’ (Al3Li) coherente con la matriz; pero como contrapartida estos

precipitados son fácilmente cizallados por el movimiento de las

dislocaciones, conduciendo a un agrietamiento en bordes de grano.

Basándose en estas características, se están desarrollando nuevas

aleaciones de aluminio-litio llegándose a desarrollar aleaciones cuaternarias

de Al-Li-Cu-Mg y en algunos casos con pequeñas adiciones de Zr, las cuales

se pueden envejecer a temperaturas de hasta 200C, mejorando el tamaño,

dispersión, características y propiedades de los precipitados, convirtiéndose

en una nueva generación de materiales ligeros de alta rigidez cuya principal

aplicación está en las estructuras aeronáuticas. [811, 804]

Níquel (Ni), está presente como fase intermetálica insoluble,

generalmente en combinación con el hierro. Su mayor aplicación es en las

aleaciones Al-Cu y Al-Si mejorando su dureza y resistencia en caliente.

Normalmente éste confiere un ligero efecto negativo en cuanto a la

resistencia a la corrosión.


El aluminio

Plata (Ag), Debido al coste de este metal, su empleo no es muy

frecuente, pero una pequeña adición de éste (0.1~0.6 %), mejora la

resistencia mecánica y a la corrosión bajo tensión de las aleaciones de la

serie 7XXX.

Silicio (Si) Después del Fe, es la impureza de mayor presencia

en el aluminio comercial. Suele emplearse en las aleaciones de forja ya que

éste ayuda a incrementar la resistencia a la rotura en estas aleaciones. El Si

le confiere un leve efecto negativo en cuanto a la resistencia a corrosión,

pero es muy dependiente de cómo esté microestructuralmente distribuido,

además, en las aleaciones balanceadas de la serie 6XXX, la relación Mg/Si

es de 1,73, lo que corresponde a la distribución estequiométrica Mg2Si

[999]. El Si aparece en todas las aleaciones utilizadas para usos

estructurales.

Titanio (Ti) se usa en cantidades muy bajas, principalmente

como afinador de grano.

El desarrollo de las aleaciones de aluminio-litio quienes están

desplazando el uso de las aleaciones de las series 2XXX y 7XXX para uso

aeronáutico, se fundamenta en el incremento de la rigidez el cual sobrepasa

el 10% y a la reducción de la densidad en un 10 % también.

Clasificación de los tratamientos termomecánicos

Las aleaciones de aluminio además de estar clasificadas como se

expuso en el apartado anterior, se clasifican también de acuerdo a su

tratamiento térmico, mecánico, o termomecánico de la siguiente manera:

F Bruto de fabricación, el cual se aplica a los productos

conformados en la que no se ha llevado un control sobre sus

condiciones térmicas y/o mecánicas.

O Recocido, se aplica a los productos de forja los cuales han sido

recocidos para obtener su más baja resistencia, la letra O puede

ser seguida por un dígito diferente del cero.


El aluminio

W Solución y temple, Se aplica solo a las aleaciones que

envejecen naturalmente de manera espontanea, esta designación

es específica solo cuando se indica el tiempo del envejecimiento

natural.

H Acritud, se aplica a los productos sometidos a deformación

plástica en frío que se aplica posteriormente al recocido o

conformado en caliente o a una combinación de deformación

plástica en frío y un recocido parcial con la finalidad de asegurar

las propiedades mecánicas especificadas.

El estado de acritud H se designa con dos números mas Hxy, en

donde el número x indica cual es el tipo de tratamiento

termomecánico recibido y el número y denota el grado de acritud.

H1 Acritud solamente.

H2 Acritud y recocido.

H3 Acritud y estabilizado

HX8 Estado duro

HX4 Estado semiduro.

HX2 Estado cuarto duro.

HX6 Estado tres cuarto duro.

HX9 Estado extraduro.

T Tratamientos térmicos que generan estados estables, se emplea

en aquellos productos que son tratados térmicamente con o sin

deformación plástica adicional, la cual se subdivide en:

T1 Temple desde el conformado en caliente y maduración

natural.

T2 Temple desde el conformado en caliente, acritud y

maduración natural

T3 Solución, temple, acritud y maduración natural.

T4 Solución, temple y maduración natural

T42 Solución, temple y maduración natural hasta un estado

estable.

T5 Temple desde el conformado en caliente y maduración

artificial.


El aluminio

T6 Solución, temple y maduración artificial.

T62 Solución desde un estado O u F, temple y maduración

artificial.

T7 Solución, temple y sobreenvejecimiento estabilizado.

T8 Solución, temple, acritud y maduración artificial.

T9 Solución, temple, maduración artificial y acritud.

TX51, TXX51, TX510, TXX510, TX511, TXX511 Alivio de

tensiones por estirado, que en ningún caso llega a

sobrepasar al 5%.

TX52 o TXX52 Alivio de tensiones por compresión.

La conductividad térmica de las aleaciones de aluminio está

relacionada al mismo mecanismo de la estructura atómica, la

conductividad térmica puede ser calculada a partir de la resistividad, el

aluminio puro posee una conductividad térmica de 235W/mºK a 20ºC.

Todas lñas adiciones conocidas en el aluminio, reducen su conductividad

térmica, de igual manera, la conductividad esta influenciada por la

temperatura y su estado, como se puede observar en la figura 2.2 [999]

Con

duct

ivid

ad té

rmic

a en

W/m

ºK 250

200

150

100

0

50

0 200 400 600Temperatura ºC

Figura 2.2 Conductividad térmica de las aleaciones de aluminio

2.2.1 ALEACIONES DE LA SERIE 7XXX.

Dentro de las aleaciones susceptibles al endurecimiento por

precipitación están las aleaciones de la serie 7XXX, es decir las aleaciones


El aluminio

Al-Zn-Mg dentro de las cuales se encuentran las aleaciones de aluminio con

la mayor resistencia. Dentro de esta familia existen dos grupos, aquellas

aleaciones con un bajo contenido en cobre y aquellas con un (relativo)

elevado contenido en cobre, (hasta un 3% de Cu), a estas últimas se les

designa como las cuaternarias Al-Zn-Mg-Cu, quienes poseen una resistencia

superior que las más resistentes de la serie 6XXX [999], como se observa en

la figura 2.3.

La familia de aleaciones soldables de esta serie se desarrollaron

inicialmente para uso militar, a pesar que hoy en día existen innumerables

aplicaciones comerciales, su empleo no ha sido extendido, debido a las

dificultades inherentes a la soldadura del aluminio y a la tensocorrosión.

El principal elemento de aleación de esta familia lo es el Zn, el cual

puede llegar hasta un 8% pero éste por si solo no es el responsable directo

de la mejora de las propiedades, pero en presencia del Mg, el Zn tiende a

formar un compuesto intermetálico el MgZn2, quien tras una adecuada

precipitación y dispersión, incrementa de manera sustancial las propiedades

mecánicas en estas aleaciones.

6060

60616082

71087020

140140

180

180

220 260 300 340 380 420

220

260

300

340

380

420

60636463

6101

rot(Mpa)

0,2% (Mpa)

Figura 2.3 Ordenes de resistencia en diferentes aleaciones de

aluminio.

La relativa alta solubilidad a elevadas temperaturas del Zn y del Mg

en el estado sólido hacen que se pueda presentar una alta densidad de

precipitados a temperatura ambiente, debido a la perdida de la solubilidad


El aluminio

de estos, produciéndose así un incremento sustancial en la resistencia de

estas aleaciones, obteniéndose aproximadamente la resistencia final al cabo

de un mes de almacenamiento a temperatura ambiente lo cual las convierte

en atractivas para ser empleadas en soldadura [999].

Todas las aleaciones comerciales de esta familia tienen un contenido

de Zn mayor que el de Mg, lo que es fácil de suponer por la relación de

Zn:Mg 2:1, es normal intuir que aquellas aleaciones con a relaciones altas

de Zn-Mg presentara mejores prestaciones, lo cual es cierto pero hasta un

límite pues porcentajes superiores al 5% de Zn, tienden a precipitar los

intermetálicos en borde de grano, produciendo una gran sensibilidad a la

corrosión bajo tensión y a la descohesión intrergranular; pero adiciones de

Cu del orden del 1 al 2%, además de incrementar la resistencia mecánica

traslada esta sensibilización hasta composiciones del 8,5% de Zn

Las aleaciones con Contenidos elevados de Zn y Mg son más

susceptibles al tratamiento térmico, poseen mejores prestaciones

mecánicas, y una mayor susceptibilidad a la corrosión bajo tensión, por el

contrario, contenidos relativamente bajos en Zn y Mg conducen a una mejor

soldabilidad.

Las aleaciones cuaternarias de esta serie con porcentajes elevados de

Cu es decir superiores al 1% pero en todo caso inferior o ligeramente

inferior al contenido de Mg son las aleaciones de mayor resistencia

mecánica.

Las aleaciones con contenidos de Cu inferior al 1% y porcentajes de

Zn y Mg de 5,5%, 2,5% respectivamente, son aleaciones que tienen una

resistencia mecánica inferior que las antes mencionadas, pero como ventaja

primordial presentan una baja sensibilidad al temple, lo cual permite

trabajar con temples menos severos, reduciendo así las posibles

distorsiones y las tensiones residuales.

Para un reconocimiento rápido de las características de las aleaciones

con Cu, se puede decir que aquellas aleaciones cuyo contenido de aleantes

total Zn+Mg+Cu es superior al 9% son aleaciones de alta resistencia pero


El aluminio

con tendencia a la corrosión bajo tensión y poseen una relativa baja

soldabilidad y conformabilidad.

Las aleaciones donde el total de aleantes oscila entre el 6 y el 8%

poseen elevadas prestaciones mecánicas, pero la soldabilidad, la

conformabilidad y el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión son

sensiblemente mejores.

Las aleaciones en las que el total de estos elementos esté por debajo

del 6% la conformabilidad es excelente y la tendencia a la corrosión tiende

a desaparecer [807]

Las aleaciones de esta familia con un alto contenido en cobre tienen

una respuesta al endurecimiento por precipitación mas elevada, pero

poseen una mayor sensibilidad a la corrosión bajo tensión y la soldabilidad

es menor, actualmente se están desarrollando nuevas aleaciones para

mejorar su comportamiento frente a la corrosión bajo tensión y la

soldabilidad, para ello, con el fin de disminuir la sensibilidad al temple y la

agrietabilidad, se esta adicionando pequeñas adiciones de Zr y se trata de

reducir al máximo el nivel de impurezas de Fe y Si. [808]

2.2.1.1 PRECIPITADOS EN EQUILIBRIO

El diagrama de equilibrio ternario del Al-Zn-Mg fue determinado

inicialmente por körster, posteriormente Mondolfo recabando información y

datos de otros autores le hizo algunas correcciones, todavía se continúa

haciendo trabajos e investigaciones sobre el diagrama de fases, la

secuencia de precipitación, el rango de temperaturas en las que las fases

existen, la energía de formación y disolución.

Observando detenidamente la isopleta del diagrama de equilibrio

termodinámico del Al-Zn-Mg, específicamente la esquina del aluminio que

es en realidad la que nos atañe figura 2.4 podemos notar que existen dos

tipos de fases de precipitados, la fase binaria MgZn2 que generalmente se

designa y la fase ternaria Mg3Zn3Al2 habitualmente conocida como T.


El aluminio

La fase es hexagonal con 12 átomos en la celda unitaria y la

ternaria T es cúbica con 162 átomos, en donde su composición varia entre

el 20 y el 35% de Mg y el 22 y el 65% de Zn. Basándose en las posiciones

atómicas la manera mas idónea de escribir la formula es (AlZn)49Mg32.

Observando el diagrama de equilibrio se puede notar que el intervalo

de formación de la fase T se reduce con el descenso de la temperatura de

manera mas acentuada que el de la fase lo cual coincide con las

observaciones experimentales, en donde la fase T sólo precipita a

temperaturas superiores a los 200C. En aquellas aleaciones donde la

relación entre el Zn y el Mg esta entre 1:2 y el 1:3, el único precipitado

estable que se encuentra a temperatura ambiente es la fase mientras

que a temperaturas superiores a los 200C se encuentra la fase T ver figura

2.5. [837]

L+(Al)

(Al)+T+

L+(Al)+T

(Al)+T

(Al)

(Al)+

(Al)+T+

300

350

400

450

500

550

600

650

700

0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30Mg-ZnFracción molar MgAl-Zn

Tem

pera

tura

ºC

Figura 2.4 Isopleta del diagrama de equilibrio Al-5%Zn-Mg

Las aleaciones comerciales suelen tener pequeñas variaciones dentro

de la composición, además suelen tener otros elementos aleantes, véase la

tabla 2.2 en la que se recoge las composiciones límites convencionales para

las aleaciones de la serie 7XXX [807].

Tabla 2.2 Límites de composición para aleaciones Al-Zn-Mg

Elemento Porcentaje (%)


El aluminio

Zn 2 8

Mg 0.5 4

Cu 0 3

Fe 0.1 0.8

Si 0.05 0.3

Cr 0 0.5

Mn 0 1.5

Ti 0 0.5

B 0 0.05

Zr 0 0.25

Ag 0 1.0

Be 0 0.1

Otros <0.05 cada uno

Las pequeñas variaciones en cuanto a contenido y composición

modifican los diagramas de equilibrio y en algunos casos hasta de manera

sustancial, por ejemplo en algunos casos el Zn es sustituido por el Cu

apareciendo una nueva fase, la fase Al2CuMg, a la que se le suele

denominar como S. [808]

+Mg2Al3

489º440º400º

350º300º

200º

Solvus

+Mg32(Zn,Al)49

+MgZn2

Al Zn %

Mg

%

447º

12 1410864 162 18

10

8

6

4

2

1214

1618

Figura 2.5 Esquina del aluminio del diagrama Al-Zn-Mg.

Dentro de la inmensa gama de variantes en las que se puede

encontrar una aleación de esta familia, se hace casi imposible identificar


El aluminio

cual de las posibles segundas fases ha precipitado, para identificar

cabalmente estas se hace necesario el uso de diversas técnicas tales como

la microscopía electrónica tanto de barrido como la de transmisión, la

calorimetría diferencial de barrido, la historia metalúrgica de la aleación y

por último cabe destacar la ineludible ayuda de la difracción de Rx, etc.

Las posibles segundas fases con los elementos de aleación

comúnmente encontrados dentro de la familia 7XXX se recogen en la tabla

2.3.

Tabla 2.3 Posibles segundas fases en las aleaciones de la

familia Al-Zn-Mg

Elemento Designación Compuesto

Mg , T MgZn2, (AlZn)49Mg32, Al3Mg2,Al12Mg17

Si Mg2Si

Fe FeAl3,(FeCr)3SiAl12

Mn (FeMn)Al6

Cu Solución sólida

Cr (FeCr)3SiAl12

Zr Solución dentro de (FeMn)Al6

2.2.1.2 ALEACION AA 7020

La aleación que se estudia en esta tesis es una aleación

perteneciente a la serie 7XXX, con bajo contenido en Cu 0,05~0,2% además

tiene otros elementos aleantes, tal como se puede apreciar en la tabla 2.4,

una de las ventajas de esta aleación es la baja sensibilidad al temple

reduciendo así las posibles distorsiones y las tensiones residuales que se

puedan generar durante las transformaciones que se suceden durante el

proceso de soldeo, permitiendo de esta manera ejecutar soldaduras sobre

piezas de gran tamaño; además como se ha mencionado con anterioridad,

esta aleación posee la capacidad de envejecer de manera natural y en un

tiempo relativamente corto 24~48 días.

Esta aleación junto con otras similares, presenta unas características

mecánicas medias, y una soldabilidad aceptable.


El aluminio

Tabla 2.4 Composición química porcentual de la aleación AA

7020

Elemento Porcentajes (%)

Fe O,40

Mn 0,05~0,5

Mg 1,0~1,4

Cr 0,1~0,35

Cu 0,2

Zn 4,0~5,0

Zr+Ti 0,2

Otros 0,15

Al Resto

El Material de suministro presenta los siguientes indicadores

mecánicos:

Dureza.........................................62,57 Hb

Límite elástico.............................344,4 MPa

Límite de rotura...........................392,2 MPa

Alargamiento de rotura...............15,4 %

Número de ciclos hasta rotura a una carga máxima de

25,79 kg/mm2 y un r =-0,12 .......129781 ciclos

2.2.2 MICROESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES DE LA

SERIE 7XXX

La Ciencia de los Materiales es la disciplina que estudia las

características, el comportamiento, las propiedades de los materiales, los

efectos que producen los tratamientos térmicos.

La microscopía óptica y en algunos casos la electrónica es la principal

herramienta para el estudio microestructural de cualquier material,

mediante la microscopía óptica se puede identificar la mayoría de las

partículas de las segundas fases de precipitación basta, su distribución y

tamaño, el grado de deformación o textura de la matriz, fusiones

incipientes, etc. Mientras que, la microscopía electrónica, es capaz de


El aluminio

revelar las segundas fases cuando el tamaño de éstas no sobrepasan los

100 nm o aspectos tan sutiles como la morfología de las dislocaciones.

Es de hacer notar que una determinada aleación no se puede

caracterizar por un único aspecto microestructural. El tamaño inicial de las

partículas de segundas fases que se formaron durante la solidificación

depende básicamente de la velocidad de enfriamiento, del tratamiento

térmomecánico recibido, por todo esto se hace imperativo conocer de

antemano el historial de los procesos que haya sufrido el material, es decir

laminación, extrusión, tratamientos térmicos de envejecimiento, recocido de

regeneración, etc.

Las características básicas que distinguen a unas fases de otras, son

la estructura cristalina y la distribución atómica que presenta. Desde este

razonamiento existen menos fases de las que realmente existen [807,804].

Sin embargo, debido a la diversidad de las aleaciones comerciales, se

presenta una variabilidad en cuanto a la reactividad química y

termodinámica y respecto a las composiciones estequiométricas tanto de la

matriz como de las segundas fases [807], lo que complica la identificación

de los precipitados, para lo cual se hace imperativo consultar y comparar las

observaciones con la de diversos autores para discernir que fase es la que

está presente [807,810]. El examen microscópico debe complementarse con

ensayos de calorimetría diferencial de barrido (DSC), microanálisis con

sonda de RX, o difracción de RX.

En las aleaciones de aluminio, la presencia del hierro como impureza

nos va a garantizar la presencia de alguna de las siguientes fases en el

equilibrio FeAl3, Fe3SiAl12, (Fe,Mn)Al6, debido a la casi nula solubilidad del

hierro en el aluminio en el estado sólido. Por esto, debido a las

innumerables impurezas existentes en las aleaciones comerciales, puede

convertir una aleación ternaria como la que estamos estudiando a un

sistema cuaternario o superior, lo que puede complicar la identificación de

dichas fases, aunque el estudio microestructural podría sistematizarse

haciéndose un poco mas llevadero. [811,804]


El aluminio

En una aleación dada, perteneciente a una determinada serie, no

suele presentar todas las segundas fases que se han determinado factibles

en esta serie [807], para que una segunda fase este presente se ha de

conjugar una serie de factores químicos, térmicos, mecánicos y

termodinámicos. [811]

Las fases que aparecen en las estructuras de colada dependen de la

velocidad de enfriamiento durante la solidificación, algunas de estas son

inestables y rápida o gradualmente desaparecen durante los posteriores

tratamientos térmicos.

En las aleaciones de la serie 7XXX en estado de colada se puede

observar alguna o varias de las siguientes segundas fases (Fe,Cr)3SiAl12,

Mg2Si, y una eutéctica pseudobinaria formada por Al y MgZn2, aunque en

esta última fase puede contener Al y/o Cu como sustitutos del Zn,

pudiéndose escribir como Mg(Zn,Cu,Al)2. Tras un calentamiento durante

cualquier tratamiento térmico, se suceden varias modificaciones, aquellas

segundas fases ricas en hierro, se transforman en Al7Cu2Fe, el Mg2Si que

relativamente insoluble tiende a esferoidizarse, la fase Mg(Zn,Cu,Al)2 se

disuelve con cierta facilidad y tiende a precipitar como Al2CuMg, el Cr tiende

a precipitar en las zonas dendríticas primarias como Cr2Mg3Al18. [804]

El estudio microestructural será mas preciso y provechoso cuanto

más se conozca el historial térmico–mecánico de esa aleación y se empleen

mas y mejores herramientas.

2.3 ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN.

Como ya se ha mencionado, las aleaciones de aluminio de la serie

7XXX son aleaciones que son susceptibles a endurecerse tras un adecuado

tratamiento térmico, este tratamiento se denomina bonificado.

Este tratamiento consiste en solubilizar a una elevada temperatura

todas o casi todas las segundas fases presentes en la aleación, para ello se

debe conocer del diagrama de equilibrio de la aleación en estudio la zona de


El aluminio

solubilidad en estado sólido, luego, tras un posterior enfriamiento

relativamente rápido (al cual se le da el nombre de Temple), se consigue a

temperatura ambiente una solución sólida sobresaturada de esta aleación,

la aleación en este estado se encuentra fuera de equilibrio; al estar ésta en

un estado termodinámicamente inestable y en función de cual tipo de

aleación se trate, ésta tendrá o no la tendencia a precipitar la o las

segundas fases de manera espontanea a temperatura ambiente lo que se

denomina envejecimiento natural, o si se emplea una temperatura un tanto

mayor que la ambiente, se denomina envejecimiento artificial; luego, en

dependencia del estado previo, del tipo de aleación y del tratamiento

térmico o mecánico que se le aplique a la aleación en este estado podemos

obtener diferentes precipitados en cuanto a forma, tamaño, calidad y

dispersión, modificando así las características y/o propiedades mecánicas en

la aleación.

El proceso de maduración consiste en hacer difundir los átomos de los

elementos aleantes hacia las zonas más ricas en éstos, formando

inicialmente lo que se denomina “clusters”, que no son mas que un

pequeño ordenamiento de átomos aleantes inmersos en la matriz del metal

base produciendo dentro de ésta, pequeñas variaciones de la concentración

del soluto [813], considerando la diferencia existente entre los radios

atómicos tanto del soluto como del solvente, generando una pequeña

distorsión alrededor de los clusters, la distorsión generada sirve de freno al

movimiento de las dislocaciones, produciendo un ligero endurecimiento en

el material [605].

La transformación de estos “clusters” en lo que a medida que vayan

coalesciendo los átomos de soluto se irán convirtiendo en lo que se domina

fases de Guinier Preston y por último los verdaderos precipitados o

segundas fases las cuales en dependencia de factores cinéticos, químicos y

termodinámicos podrán ser fases estables o meta estables; como se ha

mencionado con anterioridad todo este proceso esta gobernado por un

proceso difusional en la cual la temperatura juega un papel importante, en

la cual al aumentar la temperatura se incrementa la difusión y el

aglomeramiento de átomos de soluto, por ende, la maduración, pero como

contrapartida los precipitados serán de mayor tamaño y en menor numero,


El aluminio

por ello se debe buscar un compromiso entre el tiempo, la temperatura y las

propiedades a obtener.

2.3.1 SOLUBILIZACION.

El objetivo del tratamiento de solubilización es el de obtener una

solución sólida con la mayor concentración de soluto, con la menor

presencia de intermetálicos. Para lograr este objetivo se debe efectuar el

calentamiento a una velocidad relativamente baja, con la finalidad de ir

disolviendo gradualmente todas las fases estables y meta estables, el

calentamiento debe pararse en la zona en la que existe solo la fase a la

mayor temperatura posible dentro de esta zona, pero sin sobrepasarse,

pues se corre el riesgo sobrepasar el punto eutéctico o de fusión de alguno

de los precipitados, efectuando una fusión parcial de éste y “quemar” el

aluminio, produciendo de esta manera un aluminio con características

mecánicas deficientes. [814]

La razón de alcanzar una temperatura lo más elevada posible es con

la finalidad de aligerar el proceso y aumentar la disolución de todos los

precipitados por ende una estructura más homogénea.

En las aleaciones de la serie 7XXX la solubilización se puede realizar

en un amplio rango de temperaturas como se puede observar del diagrama

de equilibrio, pero con el fin de obtener una fase lo más homogénea

posible lo cual disminuye la posibilidad de la corrosión bajo tensión del

material post tratado [815], para lo cual se suele emplear temperaturas que

oscilan entre los 450 y 480C.

Para obtener la mayor solubilización posible es imprescindible

considerar el factor tiempo, pero este factor se encuentra estrechamente

ligado a las condiciones metalúrgico mecánicas previas del material, la

forma y las dimensiones del mismo, estos tiempos pueden variar desde


El aluminio

unos minutos para pequeñas piezas forjadas hasta unas doce o más horas

para una gran pieza de colada.

La solubilización produce en el material los siguientes efectos

microestructurales: [816, 4, 811]

Elimina los gradientes de la concentración de soluto en la solución

sólida.

Favorece la coalescencia y/o la alteración de la forma de los

intermetálicos insolubles.

Induce a que a temperaturas inferiores exista una sobresaturación

del soluto, lo que permitirá el que se produzca una precipitación

homogénea de las fases endurecedoras.

2.3.2 TEMPLE.

El propósito del temple es conseguir una solución sólida

sobresaturada, con la mayor cantidad de soluto disuelto en la matriz a

temperaturas relativamente bajas, usualmente a temperatura ambiente.

Para lograr esto se hace necesario enfriar desde la temperatura de

solubilización a una velocidad tal que inhiba la posibilidad de precipitación

durante el enfriamiento, reteniendo así los átomos de soluto y una mayor

densidad de vacantes y dislocaciones que las correspondientes a las de la

temperatura ambiente, los cuales, por poseer una mayor energía serán el

lugar preferente para la formación de los clusters y las zonas de Guinier

Preston.

La concentración de defectos cristalinos tales como vacantes,

dislocaciones y átomos intersticiales aumenta en función de la temperatura,

es decir a mayor temperatura, mayor será la incidencia de éstos, la

ecuación que expresa la concentración de vacantes a una temperatura se

escribe a continuación [813, 4]

(2.1)


El aluminio

Donde:

Ef Es la energía necesaria para la formación de una vacante.

k Es la constante de Boltzmann.

A Es un factor que introduce la variación de la entropía

causada por el efecto de las vacantes.

Analizando la expresión 2.1, se observar que la densidad de vacantes

disminuye de manera exponencial respecto de la temperatura, cuanto esta

desciende, el número de vacantes debe disminuir, para que esto suceda, las

vacantes deben “migrar” hacia zonas de la red donde puedan desaparecer,

tales como dislocaciones, límites de grano o superficies libres, a estos

lugares se les suele denominar “sumideros”, ahora bien, como el proceso es

reversible, al calentar el material las vacantes deben salir de estos mismos

“sumideros” convirtiéndose ahora en fuentes de vacantes hasta llegar al

equilibrio para esa temperatura.

La creación o eliminación de vacantes es un proceso difusional, en el

cual la temperatura juega un papel primordial, por lo que a temperaturas

bajas o relativamente bajas la migración de las vacantes será lenta, por lo

que si por medio de un temple se ha obtenido una concentración mayor de

vacantes, éstas quedaran retenidas en ese material a esa temperatura por

tiempo indefinido.

El temple es un proceso decisivo en el tratamiento térmico de

endurecimiento por precipitación de las aleaciones de aluminio. En

dependencia del tipo de aleación se hace necesario un enfriamiento muy

rápido, pero es frecuente emplear velocidades menores para evitar las

deformaciones producto de las tensiones residuales.

Un temple demasiado lento da a lugar a que parte del soluto precipite

en bordes de grano u otras zonas favorables con una mayor energía, de

igual manera, las vacantes tenderán a alcanzar su nivel de equilibrio, esto

representaría una perdida de tanto lugares favorables para una posterior

precipitación, así como del soluto en la solución.


El aluminio

La cinética de la transformación bajo condiciones no isotermas fue

analizada por Cahn [817] y estableció que las reacciones a diferentes

temperaturas son aditivas siempre que sean isocinéticas, es decir, cuando

las velocidades de transformación difieren únicamente en una constante de

tiempo. Para estas reacciones aditivas demostró que en un enfriamiento

continuo la cantidad transformada viene dada por la integral:

(2.2)

Donde C1 es el Tiempo crítico de la curva C (TTT), t es el tiempo de la

curva de enfriamiento, ti es el tiempo de inicio del temple y tf es el tiempo

de finalización del temple. Por otra parte, cuando = 1 , la fracción

transformada iguala a la fracción representada por la curva C.

A la expresión (2.2) se le denomina factor de temple y puede

utilizarse para predecir la resistencia mecánica, estableciendo que la

pérdida en la capacidad de desarrollar resistencia después del enfriamiento

continuo se debe al mismo mecanismo para la pérdida por mantenimiento

isotermo a una temperatura, es decir, a la precipitación incoherente del

soluto.

Es de gran importancia la buena ejecución del temple ya que

proporciona las condiciones óptimas para el tratamiento posterior de

maduración, siendo necesario evitar al máximo la precipitación prematura

de soluto que, además de causar una pérdida en las características

mecánicas posibles a obtener, puede favorecer la corrosión intercristalina.

[804]


El aluminio

Figura 2.6 Influencia del medio de enfriamiento en el temple, en la

dureza de una aleación AA 7020, envejecida a 135C

Nótese en la figura 2.6 como el medio de enfriamiento influye en las

propiedades mecánicas. Es de hacer notar que a mayor velocidad de

enfriamiento en este caso el agua, se obtiene una pequeña mejora en las

características, incluso aun en el caso del sobre envejecimiento [811].

2.3.3 MADURACION.

La Maduración o envejecimiento es la tercera etapa en el proceso de

endurecimiento por precipitación. Esta consiste en la evolución

microestructural que se sucede en la solución sobresaturada obtenida tras

el temple.

La maduración puede llevarse a cabo a temperatura ambiente a la

cual se le denomina envejecimiento natural, o a temperaturas mayores a

la que se le designa como envejecimiento artificial.

La mayoría de las aleaciones tratables térmicamente muestran

cambios sustanciales en las propiedades mecánicas y eléctricas durante el

envejecimiento natural, pero la velocidad de maduración varía

sustancialmente de una a otra aleación, por lo que para obtener una

aleación en estado estable madurada naturalmente puede ser necesario

unos cuantos días, meses o varios años. Las aleaciones de la serie 7XXX se

endurecen indefinidamente a temperatura ambiente, pero alguna de las


El aluminio

aleaciones de esta serie presentan la aptitud en el que el envejecimiento

natural puede ser muy elevado, llegando a obtener su máxima resistencia al

cabo de un mes de envejecimiento natural [999].

El proceso de envejecimiento se puede acelerar aumentando la

temperatura de la maduración entre 100~150C, obteniéndose las

propiedades deseadas en un tiempo menor, aspecto fundamental en un

proceso industrial, en las aleaciones de la serie 7XXX las mayores

prestaciones se obtienen a temperaturas de maduración entre los 115 y

130C, con ciclos de envejecimiento relativamente cortos.

El envejecimiento natural ser caracteriza por el aglomeramiento

submicroscópico de átomos inicialmente en forma de clusters y casi de

manera inmediata en las denominadas zonas de Guinier Preston, las cuales

dificultan el corrimiento de las dislocaciones, produciendo así un efecto

endurecedor. El envejecimiento artificial, acelera este fenómeno y hace

evolucionar estas aglomeraciones hacia fases intermetálicas más

voluminosas y termodinamicamente más estables.

Para la elección de la temperatura de envejecimiento se ha de tener

en cuenta los siguientes aspectos:

Las velocidades de envejecimiento y sobreenvejecimiento

aumentan a medida que se incrementa la temperatura, como se

puede observar en la figura 2.7

La resistencia obtenida tras el envejecimiento será menor cuan

mayor haya sido la temperatura del envejecimiento, este

fenómeno se puede observar en la figura 2.7


68

72

76

80

84

88

0 10 20 30 40 50 60 70 80Tiempo de maduración (h)

Du

reza

(H

Rb

)

20ºC

40ºC

60ºC

80ºC

100ºC

El aluminio

Figura 2.7 Evolución de la dureza respecto del tiempo de envejecimiento a diferentes temperaturas.

Puede observarse que para cada temperatura de maduración existe

un tiempo optimo de tratamiento y que al sobrepasar éste, las propiedades

mecánicas empiezan a decaer, a este fenómeno se le denomina

sobreenvejecimiento.

Una variable que también debe ser considerada en las aleaciones de

la serie 7XXX, dado a su elevado grado de maduración natural que

alcanzan, es el intervalo de tiempo de permanencia a temperatura

ambiente, antes del comienzo del tratamiento de envejecimiento natural. El

efecto de esta variable es propio de cada aleación y esta relacionado con el

grado de sobresaturación y con la reversión de las zonas de Guinier Preston

durante el envejecimiento artificial. [818,612]

2.3.3.1 PROCESO DE PRECIPITACION.

El proceso de precipitación es de gran importancia en las aleaciones

de aluminio, pues es éste el responsable del endurecimiento; para obtener

un endurecimiento satisfactorio es necesario partir de una solución sólida

sobresaturada, para luego hacer que el exceso de soluto precipite como una

segunda fase, la cual es generalmente metaestable.

La precipitación de una nueva fase a partir de una solución sólida

sobresaturada, se sucede por un mecanismo de nucleación y crecimiento

análogo a la solidificación, en la cual la aleación tiende

termodinámicamente a buscar su equilibrio, el cual en ciertas ocasiones

puede no suceder debido a las barreras mecánicas.

La energía libre resultante por un proceso de precipitación de una

segunda fase a partir de una solución sobresaturada esta definida por la

suma de los tres siguientes factores:


El aluminio

Disminución de la energía libre por unidad de volumen de

precipitado.

Aumento de la energía libre debido a la energía de superficie de la

interface partícula–matriz.

Aumento de la energía libre debido a la distorsión local producto

del cambio dimensional de los precipitados.

Los dos primeros factores son similares al proceso de solidificación,

mientras que el tercero solo aparece en el caso de las transformaciones en

estado sólido y es este el que determina la coherencia o incoherencia de las

partículas con la matriz [821].

a bc

Figura 2.8 Esquema de la morfología de los precipitados.

a) Solución sobresaturada, b) precipitado coherente,

b) precipitado incoherente

Como se puede interpretar de la figura 2.8 a) la solución

sobresaturada es la distribución heterogénea de átomos de soluto dentro de

la matriz.

Observando la figura 2.8 b) se nota como un precipitado coherente es

una zona de la estructura del disolvente en donde se han concentrado los

átomos del solvente con un cierto ordenamiento y en proporciones cercanas

o aproximadas a la de la segunda fase, pero en este caso no existe una

interface matriz partícula pues esta está incluida dentro de la red cristalina

con el mismo ordenamiento, solo se observa la distorsión generada

alrededor de ésta, la cual se debe a la diferencia entre los radios atómicos

del soluto y del solvente; es fácil comprender que la distorsión será mayor

cuan mayor sea la diferencia entre los radios atómicos. Por lo tanto en el

balance de energía libre el termino correspondiente a la energía de

superficie de la interface es nulo, pero el correspondiente a la distorsión

será de gran importancia y mayor cuan mayor sea la deformación.


El aluminio

En el caso de la precipitación incoherente figura 2.8 c), la partícula es

verdaderamente una segunda fase, que por regla general posee una red

cristalina diferente a la de la matriz o sus planos se encuentran orientados

de manera diferente, lo que la separa de la matriz total o parcialmente,

generando entre ambos una interface, liberando en principio las tensiones

debido a la distorsión.

El proceso de precipitación se sucede de una manera lógica, es decir

siempre buscando un estado mas bajo de energía, por lo que inicialmente

cuando las partículas son muy pequeñas dado que la relación superficie

volumen es alta lo que hace que la energía de superficie sea importante, los

precipitados aparecerán de manera coherente, posteriormente cuando la

distorsión en la matriz empiece a ser significativa y la relación superficie

volumen sea menor los precipitados pasaran a ser incoherentes con la

matriz.

El proceso de precipitación se sucede, inicialmente como una

agrupación u ordenamiento de soluto en lo que se denomina zonas de

Guinier Preston (GP), lo cual sucede durante el envejecimiento natural o

durante los períodos iniciales del envejecimiento artificial. Algunos autores

(823, 605) indican que este proceso requiere de una concentración crítica

de vacantes.

La forma, el tamaño, composición y distribución de las zonas GP

dependen de la aleación y de los tratamientos termomecánicos, estos

suelen aparecer en forma de discos o esferoides.

Las zonas GP producen en la matriz un efecto endurecedor, el cual se

debe a dos factores, el primero debido a la distorsión que producen estas en

la matriz y el segundo se debe a la interferencia al corrimiento de las

dislocaciones al cruzar una zona GP.

En casi todas las aleaciones de aluminio bonificables, al incrementar

la temperatura o el tiempo de envejecimiento natural las zonas GP se

transforman por partículas que poseen una estructura cristalina diferente a

la de la matriz, pero que también es diferente a la del precipitado de


El aluminio

equilibrio, a las cuales se les suele denominar precipitados de transición, es

frecuente que estos nuevos precipitados posean ciertas orientaciones

cristalográficas coherentes con la matriz.

Con el progreso del envejecimiento, los precipitados de transición

crecen hasta el punto en el que la energía de deformación es mayor que la

energía de superficie, desapareciendo la coherencia, lo que frecuentemente

sucede con el cambio de la estructura cristalina de los precipitados,

generalmente éstos pasan a ser los precipitados en equilibrio; con la

perdida de la coherencia el endurecimiento disminuye, además que el

engrosamiento de estos precipitados es a costa de los mas pequeños que

están a su alrededor, con lo que aumenta la distancia entre las partículas.

El proceso descrito parte de la precipitación a partir de una

nucleación homogénea de las zonas GP, desarrollándose los diversos

precipitados de una manera secuencial; pero también se puede generar una

precipitación heterogénea sucediéndose en aquellas zonas de mayor

energía como los límites de grano, subgranos o apilamiento de

dislocaciones, la cual se puede suceder a temperaturas de envejecimiento

superiores a la temperatura de solvus de las GP e incluso durante el temple.

2.3.3.2 MICROESTRUCTURA DE PRECIPITACION EN LAS ALEACIONES

7XXX

El proceso de precipitación en las aleaciones de la serie 7XXX es un

proceso realmente complejo, el cual implica varias etapas, en las cuales

algunas de ellas se pueden desarrollar de manera simultanea.

La secuencia de precipitación ampliamente descrita y aceptada es la

siguiente:

ss1+GP2+’eq+

Además algunos autores [605, 624, 626] proponen la existencia de

pasos intermedios entre las GP y las ’ considerando la existencia de fases

intermedias tales como GP ordenadas y/o ’’, además Kazuhiko y Ken [626]

proponen la siguiente secuencia de precipitado:


El aluminio

ss1+GPesfericas2+GPordenadas 3+’4+4+T

Por otro lado Ryum [615] además del clásico propone los siguientes

modelos de precipitación:

ss

1+T

1+

ss1+clusterseq+T

2+GP3+’eq+

Los cuales están gobernados en función de la temperatura a la que se

realice el envejecimiento.

Como se puede observar el proceso de precipitación en las aleaciones

de la serie 7XXX es realmente complejo, por lo que en los siguientes

apartados se resumirá los aspectos más relevantes de las investigaciones

realizadas hasta ahora.

Zonas de GP

La descomposición de la solución sólida sobresaturada de las

aleaciones Al-Zn-Mg a temperaturas cercanas a la ambiente, se realiza a

través de la formación de zonas Guinier-Preston; en donde las técnicas de

dispersión de rayos X y los análisis por sonda atómica nos proporcionan la

información sobre la estructura y composición de estas zonas. La

coherencia de las zonas GP, así como su tamaño, densidad y distribución, se

puede establecer mediante las técnicas de difracción de rayos X de ángulo

pequeño (SAXS) [822]; por ejemplo Juhasz y otros [614] hacen referencia

que el proceso de envejecimiento natural comienza con un período de

incubación, en el cual se forman clusters con una composición promedio de

MgZn4

En el inicio de la descomposición a temperatura ambiente, las zonas

GP están constituidas por planos paralelos a (100) enriquecidos y

empobrecidos alternativamente en Zn y Mg, con una composición media en

las agrupaciones iniciales de MgZn4 [834]. Con el aumento del tiempo de

maduración, las zonas crecen tomando una forma aproximadamente


El aluminio

esférica, alcanzándose, por ejemplo, tamaños del orden de 1,2 nm en una

aleación AA 7075 después de 25 años a temperatura ambiente [804].

En cuanto a la influencia del temple en la descomposición de la

solución sólida. de Las aleaciones Al-Zn-Mg, parece estar demostrado que

ésta es independiente de las condiciones de temple aplicadas, si la aleación

es suficientemente rica en magnesio [823]. Ahora bien, es también cierto

que esto sólo se puede afirmar si consideramos el desarrollo de la

precipitación suficientemente avanzado. En las primeras fases de la

descomposición, sí que influyen las condiciones de temple, aunque no a

través de las vacantes libres, sino por medio de los complejos Zn-Mg-

vacantes que se forman inmediatamente después del temple [824]. Esto

parece que es consecuencia de la interacción atractiva entre los átomos de

Zn y Mg como consecuencia del efecto opuesto del tamaño relativo, siendo

la cinética de la formación de zona controlada por el movimiento de los

átomos de magnesio [825].

Al aumentar la temperatura de maduración cambia la configuración

de las zonas GP, formándose en planos (111) de la matriz y, en algunos

casos, dependiendo de la composición de la aleación, presentan una

ordenación interna.

Si se templan muestras de aleaciones Al-Zn-Mg directamente hasta

diferentes temperaturas de envejecimiento, se obtiene un límite superior

de temperatura por encima del cual no se detecta formación de zonas GP.

Esta temperatura es conocida como la temperatura de solvus de zonas GP,

la cual no coincide con la temperatura límite de estos precipitados, ya que

la disolución de las zonas GP se realiza a temperaturas más altas.

En las aleaciones de la serie 7XXX, a medida que aumenta la

temperatura o el tiempo de envejecimiento, desaparecen las zonas GP,

siendo reemplazadas por partículas con una estructura cristalina diferente a

la de la solución sólida y de la fase de equilibrio. Este paso se efectúa en

algunos casos mediante una ordenación estructural previa en la zona GP,

precursora del precipitado intermedio, tal como se ha citado anteriormente.


El aluminio

Si el tratamiento de envejecimiento lo realizamos a temperatura

superior a la de solvus de zona GP, se producirá la precipitación tanto del

precipitado intermedio como de las partículas de la fase estable MgZn2

[615]

Fase metaestable ’

Este precipitado intermedio presenta una red hexagonal con dos

parámetros reticulares diferentes y cuyos planos basales son parcialmente

coherentes con el plano (111) de la matriz, siendo incoherente en la

dirección c del precipitado, también se han reportado que precipita en dos

estructuras cristalinas diferentes, las cuales son monoclinica y ortorómbica

[624]. En general se presentan en forma de placa y se acepta que su

composición es MgZn2, aunque es más apropiado describirlo por la fórmula

Mg4Zn11Al [825].

En envejecimientos a temperaturas por debajo del límite para

nucleación de zonas GP, la microestructura está formada por una

determinada densidad de zonas y precipitados intermedios, siendo esta

microestructura la que proporciona el máximo de características

resistentes. La proporción existente entre zonas y fase intermedia para el

máximo endurecimiento, varía con la composición de la aleación para el

mismo proceso de envejecimiento.

Con el aumento del tiempo de: envejecimiento, las zonas GP

aumentan de tamaño, alcanzando algunas de ellas el tamaño crítico que

permite su transformación en núcleos de la fase intermedia, produciéndose

la precipitación de ’ de forma homogénea [818], por otro Papazian [620]

reporta que el comportamiento de una aleación envejecida naturalmente

varios meses, presenta aproximadamente el mismo termograma que una

envejecida artificialmente.

Puede existir, junto con la transformación secuencial de los

precipitados en la matriz, una precipitación nucleada heterogéneamente,

dado que la formación de núcleos de precipitados semicoherentes necesitan

mayor energía de superficie. Por tanto, se puede esperar que parte de la


El aluminio

nucleación de ’ se produzca en lugares favorables, tales como límites de

grano y dislocaciones formadas en el temple o por deformación plástica

antes del envejecimiento [826].

Cuando la temperatura de envejecimiento está por encima de la

temperatura de solvus de zonas GP, únicamente aparece la precipitación

heterogénea. En este caso se puede conseguir una relativamente fina

distribución de precipitados en el interior del grano si durante el temple se

ha conseguido crear bucles de dislocaciones, contribuyendo así al

endurecimiento de la aleación.

Fase de equilibrio

El precipitado de equilibrio en las aleaciones comerciales de la serie

7XXX es la fase binaria MgZn2, o considerándose como ternaria se escribiría

(Al, Zn)2Mg [616] la cual se designa con la letra griega ésta precipita en

una red cristalina hexagonal la cual posee 12 átomos por celdilla unitaria.

La fase puede aparecer por transformación de la fase intermedia ’

al aumentar el tiempo de envejecimiento, debido a que por el crecimiento

de estas partículas de precipitado se supera la distorsión de coherencia

admisible y pasa a ser más estable el precipitado incoherente. Esta etapa

coincide con el sobreenvejecimiento.

Cuando la temperatura de envejecimiento es superior a la

temperatura de solvus de zona GP, precipita la fase estable de manera

heterogénea preferentemente en los límites de grano de gran ángulo [804].

Fase de equilibrio T

Es el precipitado ternario de equilibrio (A1Zn)49Mg32, el cual precipita

a temperaturas de envejecimiento superiores a los 200~250C. La dificultad

que presenta éste precipitado para nuclearse se debe a su compleja

estructura cristalina, la cual posee 162 átomos por celda, tiene la

característica que precipita con diferentes orientaciones con la matriz y su

parámetro reticular es de 14,09 Å[615].


El aluminio

Dado a que precipita como partículas muy bastas, éste no participa

en el proceso de endurecimiento.

2.3.3.3 FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE ENVEJECIMIENTO.

Las propiedades mecánicas que se obtienen posterior a un

tratamiento térmico de envejecimiento en las aleaciones susceptibles a

endurecerse por precipitación dependen principalmente de los siguientes

factores:

Composición de la aleación.

Deformación plástica previa al envejecimiento.

La calidad de la solución.

Temperatura de envejecimiento.

Tiempo de envejecimiento.

Composición de la aleación.

Sabemos que para una misma aleación, concentraciones bajas de

soluto la sobresaturación que se pueda obtener a temperatura ambiente es

baja también, considerando que la energía libre del sistema en una solución

con estas características, será ligeramente superior a la del estado de

equilibrio, lo que hace poco probable que el proceso de precipitación de la

segunda fase se de manera satisfactoria. Por otro lado, el aumento de la

concentración total de soluto hace posible obtener endurecimientos

superiores bajo un mismo tratamiento térmico de envejecimiento, pues

cuanto mayor sea la cantidad de soluto disponible, mayor será la

precipitación por lo tanto mayor será el efecto endurecedor. Además cuan

mayor sea la cantidad de soluto, mayor será la diferencia de energías

dentro del sistema favoreciendo termodinámicamente la precipitación, por

otro lado a mayor cantidad de soluto, menores distancias tendrán que

recorrer los átomos para alcanzar los niveles estequiométricos requeridos.

La composición de las aleaciones se trata de balancear o ajustar con

el fin de conseguir el nivel de saturación en relación con la estequiometría

de la segunda fase, aunque en algunos casos se prefiera alear un elemento


El aluminio

en específico en exceso con la finalidad de asegurar la formación del

precipitado; en las aleaciones de la serie 7XXX se suele adicionar Mg en

exceso pues éste aumenta ligeramente la resistencia sin un descenso en las

características plásticas.[804]

Por otro lado en las aleaciones comerciales se suele adicionar otros

elementos con la finalidad de afinar el grano o que de alguna manera

favorecen el endurecimiento o que benefician a la obtención de la solución

sólida sobresaturada [828].

Deformación plástica previa al envejecimiento.

Como es del conocimiento general la deformación plástica o acritud

es una forma de mejorar las características resistentes en un metal, lo cual

también se aplica de la misma manera en las aleaciones de aluminio

endurecibles por precipitación, pero además, si la deformación plástica se

realiza previamente al envejecimiento, ésta influenciará de una manera

acusada en las características mecánicas a obtener posteriormente al

envejecimiento, pues ésta modifica la cinética de precipitación y la

distribución de los precipitados, ya que, la deformación plástica aumenta la

densidad de dislocaciones favoreciendo y estabilizando la precipitación en

torno a éstas; a pesar que la precipitación bajo esta manera es un tanto

mas grosera que si se tratase de un tratamiento térmico convencional, lo

cual no es conveniente, pero si se aúna al efecto endurecedor de la acritud,

da como resultante unas características mecánicas superiores.

Calidad de la aleación.

La calidad de la aleación como su nombre lo indica, se relaciona con

el grado de pureza o dicho en otras palabras de la interacción del restante

de los elementos de aleación en el proceso de envejecimiento, pues estos

pueden actuar dentro del proceso de un a manera muy diversa [829], pues

los diferentes elementos pueden interactuar de la siguiente manera:

Reduciendo la velocidad de nucleación de las zonas GP por una

interacción preferente con las vacantes.

Estimulan la nucleación de precipitados metaestables al reducir la

energía interface precipitado-matriz.


El aluminio

Modifican la temperatura de solvus de las GP, lo cual altera el

rango de temperaturas de estabilidad de las diferentes segundas

fases.

Promueven o favorecen la precipitación de precipitados diferentes.

Por otro lado la calidad del soluto también está asociada con la

excelencia de los tratamientos previos de solubilización y temple como ya

se ha comentado previamente, el primero por garantizar una completa

disolución y homogeneización del soluto dentro de la matriz y el segundo

por garantizar que durante el enfriamiento o temple se haya conseguido

mantener la mayor cantidad posible de solución dentro de la matriz,

además de generar dentro de ésta la suficiente cantidad de vacantes y/o

dislocaciones producto de las tensiones térmicas sufridas durante el

enfriamiento.

Temperatura de envejecimiento.

Como se mencionó en el apartado 2.3.3, existe una temperatura de

envejecimiento óptima para cada aleación, a la que con un tiempo dado se

obtienen las máximas prestaciones de la aleación, pues así se logra una

precipitación con un tamaño y una dispersión inmejorable. Si la temperatura

es muy baja, el proceso difusional será lento, lo que conlleva a que se

requieran de tiempos extremadamente largos o que la precipitación

quedase impedida, este proceso es aprovechado en la industria aeronáutica

al mantener a temperaturas criogénicas los remaches de la serie 7XXX,

inhibiendo así la precipitación hasta su montaje, los cuales envejecen

posteriormente tras una deformación plástica.

Por otro lado, una temperatura de envejecimiento alta aumenta la

cinética de precipitación, acelerando el proceso de ablandamiento, dando a

lugar endurecimientos menores y a que se suceda mas rápidamente el

proceso de sobreenvejecimiento.

Tiempo de envejecimiento.

Como ya se ha mencionado, el tiempo de envejecimiento esta

asociado a la temperatura a la cual se realice el tratamiento, pero, para una

misma temperatura tiempos de envejecimientos cortos no permitirán una


El aluminio

adecuada precipitación y tiempos demasiado largos darán como

consecuencia una coalescencia y engrosamiento de las partículas

repercutiendo desfavorablemente en las propiedades mecánicas.

2.3.4 MECANISMOS DEL ENDURECIMIENTO.

La resistencia de los metales puros disminuye a medida que aumenta

la densidad de las dislocaciones, pero esto es cierto hasta un cierto límite, a

partir de una cierta densidad de dislocaciones la resistencia del metal

comienza a aumentar a medida que se incrementa el número de

dislocaciones, lo cual se explica porque al existir un número elevado de

dislocaciones, éstas empiezan a interactuar unas a otras impidiendo así el

fácil corrimiento de éstas, incrementando la resistencia.

Desde hace mucho tiempo se conocen métodos para endurecer a los

metales, dentro de los que figuran la deformación plástica, la disminución

del tamaño de grano y los métodos de aleación; en el caso de la

deformación plástica se entiende pues ésta al generar una gran cantidad de

dislocaciones disminuye el libre corrimiento de las mismas, en el caso de la

reducción del tamaño de grano la razón del endurecimiento se debe a que

las dislocaciones tienen menores distancias que recorrer y comienzan a

apilarse en las cercanías de los bordes de grano y en el caso de la aleación

esta se puede deber a diversos factores, el primero y el de menor efecto es

en el caso de los átomos sustitucionales, siendo estos de diferente tamaño

generan zonas de tensiones que aunque no son capaces de anclar una

dislocación si le dificultan su paso, el segundo caso a que estos por si o en

combinación con el elemento principal pueden formar segundas fases o

fases de aleación intermedia o compuestos químicos, las cuales sirven de

freno al corrimiento de las dislocaciones; éste es el fenómeno responsable

del endurecimiento de las aleaciones de aluminio endurecibles por

tratamiento térmico.

Los elementos de aleación en solución sólida endurecen al metal que

actúa como disolvente, este endurecimiento generalmente es proporcional

a la concentración del aleante. Si el soluto se distribuye aleatoriamente el

efecto endurecedor no es tan acusado como se observa en la figura 2.9a,


El aluminio

mientras que si el soluto tiende a concentrarse en las inmediaciones de las

dislocaciones, el efecto endurecedor se hace más notable, como puede

observarse en la figura 2.9b, en donde de manera esquemática se muestra

como un par de átomos de soluto de mayor tamaño que los del solvente,

alrededor del núcleo de una dislocación disminuyendo la tensión y por lo

tanto disminuyendo la energía del sistema, frenando de esta manera, la

posibilidad de deslizamiento de la dislocación, a este fenómeno se le

denomina Atmósfera de Cottrell.

a) b)

Figura 2.9 Esquema de la formación de una Atmósfera de Cottrell.

La resistencia mecánica de una aleación esta gobernada por la

oposición al corrimiento de las dislocaciones que generan los precipitados

en la matriz, esta oposición se debe a:

Las tensiones y deformaciones que se generan alrededor de las

zonas de Guinier Preston.

Las zonas de Guinier Preston.

Las segundas fases precipitadas.

La suma o interacción de estos factores.

Como ya se ha mencionado con anterioridad las pequeñas

deformaciones y/o las tensiones aportan solo una pequeña contribución a

frenar el corrimiento de las dislocaciones, siendo las propias zonas de

Guinier Preston y las segundas fases las responsables del endurecimiento,

para que las dislocaciones puedan moverse, estas deberán o atravesar

estas zonas o rodearlas.

Las dislocaciones en su movimiento tenderán a cizallar las partículas

que se interpongan a su paso y éstas a su vez presentarán una resistencia a


El aluminio

ser cizalladas por las dislocaciones, la cual depende de diversos factores:

[26]

Endurecimiento químico es cuando se genera una nueva

interface a través del plano de deslizamiento.

Endurecimiento por módulo, pues cuanto mayor sea módulo de

cizallamiento en comparación con el de la matriz mayor esfuerzo

se requerirá para que la dislocación atraviese la partícula.

Endurecimiento por dispersión, la interacción de la dislocación

cuando ésta rodea o sobrepasa el campo de tensiones del

precipitado,

Endurecimiento por tensiones de coherencia, debido a la

coherencia existente entre el precipitado y la matriz, aparecen

dislocaciones y otros defectos cristalinos en la interfase

precipitado matriz cuando los parámetros reticulares de ambos

son diferentes.

En la mayoría de las aleaciones el proceso de endurecimiento esta

generado por la interacción o suma de todos estos factores, a pesar que

siempre prepondere alguno de ellos. [811] También hay que hacer notar la

influencia del tamaño de la partícula en su comportamiento frente a una

dislocación, si esta es pequeña y coherente con la matriz se deformará

cuando una dislocación la atraviese, mientras que si el precipitado es

grande e incoherente, éste no se deformara cuando la dislocación lo rodee.

Endurecimiento químico.

Cuando una dislocación atraviese una partícula como la que se

muestra en la figura 2.10 se genera a lo largo de la superficie que fue

atravesada por la dislocación un cambio importante en el ordenamiento

atómico de esta partícula, en el caso de los clusters, este cambio tiende a

invertir el proceso de formación de los mismos, por lo que se debe

suministrar un trabajo adicional sobre la tensión aplicada con la finalidad de

conseguir esta aglomeración.


(a) (b)

Partícula

ordenada

El aluminio

Figura 2.10 Partícula coherente con la matriz cortada por una

dislocación.

Este proceso, conocido como endurecimiento químico, provoca

interacciones de corto alcance entre las dislocaciones y los precipitados,

estas interacciones pueden ser generadas por las tres siguientes causas:

[813] La energía necesaria para generar una nueva interface partícula

matriz.

1. El cambio en el ancho de la dislocación disociada, cuando esta

atraviesa la partícula y dentro de la partícula la energía de

apilamiento difiere del de la matriz.

2. El trabajo adicional que es necesario suministrar para crear el

límite de antiface dentro de la partícula con la estructura

ordenada.

La contribución al endurecimiento real de una aleación por este

mecanismo no es tan importante, salvo que se tratase de partículas de

tamaños muy pequeños; por tanto puede concluirse que este mecanismo no

contribuye de manera significativa al endurecimiento de las aleaciones

endurecibles por precipitación. [811, 26]

Endurecimiento por módulo.

La interpretación teórica del mecanismo del endurecimiento por

módulo es bastante compleja, ya que existen dos regímenes diferentes que

dependen de si la dislocación esta dentro o fuera del obstáculo.

Varios autores han investigado la energía de interacción entre una

dislocación helicoidal recta en un medio que rodea a un precipitado, el cual

posee un módulo G y una relación de Poisson y el precipitado esférico con

constantes Gp y p, obteniendo valores cuya aproximación es muy elevada.

También han evaluado la fuerza de interacción existente en el plano que

contiene a la dislocación, el cual es proporcional a G=Gp-G, alcanzando


Interface

El aluminio

un máximo en la interfase precipitado matriz. Cuando la dislocación penetra

en la partícula la fuerza de interacción aumenta, para lo cual se requiere de

otra formulación.

Melander y Persson [27] demostraron por sus cálculos que el

endurecimiento por módulo proporciona una explicación satisfactoria a sus

datos experimentales, en una aleación con 2% de Zn y 1,4% de Mg

endurecida, y concluyeron que el endurecimiento por módulo es el principal

mecanismo del endurecimiento en esa aleación. Para comparar esta teoría

con datos experimentales se hace difícil, ya que la obtención del módulo Gp

independiente de del volumen de fases, se hace imposible dado que la

mayoría de las partículas involucradas en el proceso de endurecimiento son

partículas metaestables, pese a que el valor que emplearon Melander y

Persson es bastante razonable, puede darse el caso en el que el no haya un

verdadero acuerdo entre su teoría y sus datos experimentales.

Endurecimiento por dispersión.

En los últimos años se han sugerido diversas teorías que toman en

consideración el endurecimiento por variación del módulo de cizalladura y

también el endurecimiento debido a los fenómenos de coherencia, la

mayoría de estas teorías simuladas por ordenador incorporan estudios

estadísticos de las interacciones entre los precipitados y las dislocaciones.

Para modelizar el endurecimiento por dispersión se debe tener en

consideración los siguientes aspectos:

a) El precipitado no se deforma con la matriz.

b) El límite de elasticidad es el esfuerzo necesario para extender

un anillo de dislocaciones entre los precipitados.

c) En la interfase matriz precipitado no existen tensiones

residuales producto del desajuste reticular.

El esfuerzo requerido para que una dislocación atraviese un par de

precipitados alineados en su plano se expresa por la tensión de Orowan

[813]


El aluminio

(2.3)

Donde:

d es la distancia entre los precipitados.

b es el vector de Burgers.

G es el Módulo de la matriz.

Cuando una dislocación sobrepasa este esfuerzo es capaz de rodear

los precipitados como se puede observar en la figura 2.11 La tensión

necesaria para que la dislocación atraviese un cristal se hace mayor cuanto

más cercanos estén los precipitados.

Este proceso es importante en la ultima etapa de la precipitación

pues es ahí, cuando los precipitados comienzan a ser incoherentes con la

matriz, desapareciendo la tensión residual producto del desajuste reticular.

Figura 2.11 Representación esquemática del modelo de Orowan.

Endurecimiento por tensiones de coherencia

Durante la precipitación de las partículas en el estado sólido, se

sucede una serie de ordenamientos y migraciones de los átomos tanto de

soluto como del solvente, creando bien o una partícula coherente o

incoherente dependiendo de varios factores, pero tanto la una como la otra,

diferirán de la matriz bien en su parámetro reticular o bien en su estructura

cristalina, originando así un campo tensional alrededor de esta partícula. Es

este campo el que impide o relentiza el movimiento de las dislocaciones;

para que una dislocación pueda atravesar este campo deberá superar esta

tensión, la cual en términos generales puede calcularse con la siguiente

formulación.


El aluminio

= 2Gf (2.4)

Donde:

es el parámetro de distorsión de la partícula.

f es la fracción de volumen del precipitado.

Esta ecuación presenta una solución lógica al problema planteado,

pero como contrapartida esta no considera ni el tamaño de partícula ni la

dispersión de las mismas, resultados experimentales han demostrado que

existe un endurecimiento máximo bajo una dispersión critica de los

precipitados.

Mott y Nabarro en [811] consideraron que la dislocación es flexible y

puede curvarse alrededor de una partícula por efecto del campo tensional,

como se muestra en la figura 2.12 y dicho esfuerzo puede calcularse a

través de la ecuación 2.5

(2.5)

Donde:

r es el radio de curvatura de la dislocación.

En las aleaciones endurecidas por envejecimiento, cuando el límite de

elasticidad es del orden de la centésima parte del módulo de cizalladura, la

dislocación puede doblarse hasta conseguir radios de curvatura cercanos a

los 50 espacios interatómicos y puesto que la distancia entre las partículas

precipitadas es del mismo orden puede parecer que la dislocación los

evitase, adquiriendo la forma que se esquematiza en la figura 2.12

Figura 2.12 Curvado de una dislocación bajo la acción de los campos

tensionales.


El aluminio

Tomando en consideración el tamaño de patícula, el modulo de

cizalladura y la fracción de volumen [813, 26], se obtiene el siguiente

formulamiento para obtener la tensión media, para partículas coherentes y

de tamaño pequeño ecuación 2.6, y para partículas coherentes de mayor

tamaño la ecuación 2.7

(2.6)

(2.7)


Introducción al aluminio

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