Tecnicas de Obtencion de Grano Metalografico enel Rango Milimetrico y Centimetrico MedianteDiversos Tratamiento Termicos y Mecanicos

Proyecto Fin de Carrera

Mariola Roldan Galan

8 de julio de 2007

Indice general

1. Propiedades mecanicas del aluminio 21.1. Dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Resistencia al ensayo de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Resistencia a la compresion, a la flexion, al corte y a la torsion . . . . 41.4. Propiedades resistentes a temperaturas elevadas . . . . . . . . . . . . 51.5. Caracterısticas de resistencia a bajas temperaturas . . . . . . . . . . 9

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Capıtulo 1

Propiedades mecanicas delaluminio

1.1. Dureza

La dureza es Es la resistencia que un material opone a la penetracion.El Alu-

minio es un material muy blando por lo que la mayorıa de las veces se da, en los

materiales de aluminio, la dureza Brinell, a causa de la sencillez de su determinacion.

Los valores de la dureza Brinell se extienden, en el aluminio, desde HB = 15 para

aluminio purısimo blando hasta casi HB = 110, para AlZnMgCu 1.5 endurecido

termicamente. De vez en cuando se utiliza la microdureza, una variante del metodo

Vickers, para determinar la dureza de capas anodizadas. Sirve, ademas, en la inves-

tigacion metalurgica para el analisis de constituyentes estructurales.

Debido a que el Aluminio es un metal blando es absolutamente necesario tener

cuidado con la aplicacion de esfuerzos, para no causar marcas sobre el material y

entorpercer el examen micrografico.

1.2. Resistencia al ensayo de traccion

En general, la resistencia aumenta con el aumento en elementos de aleacion. Los

dominios de la resistencia en cada aleacion surgen, ante todo, como consecuencia de

los aumentos de resistencia que se consiguen por deformacion en frıo o endurecimien-

to. Los distintos elementos de aleacion actuan de modo muy diferente en cuanto al

aumento de resistencia.

Al aumentar la resistencia, aumenta el lımite 0,2 mas deprisa que la resistencia a

la traccion, independientemente del mecanismo que motive el aumento de la resisten-

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CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 3

Figura 1.1: Relacion de limites elasticos de aleaciones para forja en funcion dellimite R0.2 para: 1 endurecimiento en frıo; 2 compactacion de la solucion cristalina;3 endurecimiento termico

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 4

cia; en otras palabras, la relacion R0.2 /Rm entre los lımites elasticos aumenta. Este

aumento se nota, en especial, cuando el aumento de la resistencia tiene lugar por

deformacion en frıo. La curva discurre con la mınima pendiente cuando se aumenta

la resistencia en estado blando, por la formacion de solucion cristalina y entre ambas

se halla el efecto del endurecimiento. En general no se desean altas relaciones entre

los lımites elasticos, ya que expresan un comportamiento relativamente quebradizo

del material. El aumento en la relacion entre los lımites elasticos proporciona una

razon fundamental del porque no puede aumentarse arbitrariamente la resistencia

de los materiales metalicos. Otras razones son que la resistencia a la fatiga no crece

en igual medida que el aumento de resistencia estatica. Ademas, hay que contar,

cuando se usan procedimientos para aumentar la resistencia, con la aparicion fre-

cuente de otros efectos no deseados, como una resistencia disminuida a la corrosion.

Por ello, en el desarrollo de las aleaciones, debe tomarse como objetivo conseguir

una combinacion de propiedades en las que las aleaciones presenten una resistencia

media que sea la mas favorable.

1.3. Resistencia a la compresion, a la flexion, al

corte y a la torsion

El las aleaciones de aluminio se puede admitir que el valor del limite de aplas-

tamiento (parametro de la resistencia a compresion) es igual al valor del limite

elastico de traccion. La resistencia a la compresion o el limite de aplastamiento

tienen importancia principalmente en las piezas sometidas a compresion tales como

cojinetes de friccion.

La resistencia a la flexion en las aleaciones de aluminio se tiene en cuenta en

las de fundicion, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de traccion no es

posible determinar el limite elastico con suficiente exactitud a causa de su pequeno

valor. La resistencia al cizallamiento esta entre el 55 y el 70 % de la resistencia a la

traccion y que, al aumentar la resistencia, la resistencia al cizallamiento aumenta

mas lentamente que la resistencia a la traccion. Para las aleaciones de fundicion

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 traccion.

Casi nunca se determina la resistencia a la torsion. Si se admite una distribucion

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 5

lineal de tensiones, puede considerarsele igual a la resistencia al cizallamiento. Los

ensayos de torsion se utilizan en investigaciones para experimentos ocasionales de la

deformabilidad.

1.4. Propiedades resistentes a temperaturas ele-

vadas

Al aumentar la temperatura, disminuyen la resistencia a la traccion, el lımite

elastico y la dureza, en tanto que, en general, aumenta el alargamiento de rotura

y la estriccion de rotura. En rigor, el comportamiento viene determinado por la

composicion y el estado del material. En la determinacion de los valores de resistencia

para altas temperaturas ası como su utilizacion 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 pro-

ducir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han

experimentado endurecimiento por deformacion en frıo o han sido endurecidos;

estas modificaciones traen consigo un descenso de la resistencia mecanica, que

generalmente es irreversible, es decir, se mantiene incluso despues del enfri-

amiento a temperatura ambiente. Los valores de las resistencias dependen en

este caso de la duracion del calentamiento previo.

2. Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar

deformaciones lentas bajo la accion de cargas en reposo, aumentado la veloci-

dad en el cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tension.

Al mismo tiempo, y como consecuencia de ello, pueden surgir tensiones por

debajo de la resistencia a la traccion o del lımite del 0,2 % e, incluso, a la larga,

roturas o cambios de forma perjudiciales. Las tensiones admisibles dependen,

en este caso, del tiempo de aplicacion de la carga. En la solicitacion constante

influye la velocidad de deformacion o de aplicacion de la carga.

Estabilidad de revenido: El ensayo a temperatura ambiente, despues de un

calentamiento transitorio (revenido), da informacion sobre la posibilidad y

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 6

Figura 1.2: Diversos valores de resistencia a temperatura elevada

accion de un cambio de estado irreversible. Los materiales que no sufren mod-

ificacion permanente a causa de un calentamiento transitorio se denominan

termicamente estables. En general, esta estabilidad esta limitada a un inter-

valo concreto de temperatura y tiempo (para campos especıficos de aplicacion

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 fundicion no en-

durecibles en el estado de colada, que son en la practica termicamente

estables. Son muy estables los materiales maleables prensados, forjados y

laminados en caliente; muestran segun el sistema de fabricacion las varia-

ciones de las que luego se tratara en forma intensamente alternada.

2. Materiales para laminacion y forja, sometidos a endurecimiento por de-

formacion en frıo (y en un estado intermedio, recocidos) en los que el

aumento de resistencia ocasionado por la conformacion se destruye cada

vez mas por el aumento de temperaturas y del tiempo de calentamiento.

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 7

Figura 1.3: Influencia de un calentamiento pasajero de AlMgSi 1, endurecida termi-camente

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 8

Figura 1.4: Influencia de un calentamiento transitorio en las propiedades de AlCuMg1, endurecido en frıo

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 9

3. Aleaciones endurecidas termicamente, que no se alteran permanente-

mente hasta llegar a las proximidades de la temperatura de endurecimien-

to termico. La resistencia mecanica puede sufrir un aumento transitorio

disminuyendo, despues, a causa de sobreenveecimiento, en el caso lımite,

hasta el estado blando o de colada.

4. -Aleaciones endurecidas en frıo que, en su mayorıa, presentan primero un

aumento de resistencia por endurecimiento termico, pudiendo presentarse

con ello una disminucion del alargamiento a la rotura y de la resistencia a

la corrosion. A temperaturas superiores el comportamiento corresponde

al de las aleaciones endurecidas termicamente.

Comportamiento a elevadas temperaturas:A temperaturas a partir de 100 has-

ta aproximadamente 150oC alcanza una influencia apreciable la fluencia. Por

eso, el comportamiento de los materiales, por encima de este intervalo de tem-

peraturas, cuando soportan solicitaciones estaticas durante largo tiempo, solo

puede describirse con ensayos a temperaturas elevadas. El material, su estado

de solidificacion y de endurecimiento, influyen de diversas maneras en el com-

portamiento a elevada temperatura. A temperaturas bajas, (Por debajo de los

150 ◦C), cuando se trata de materiales no endurecibles, los estados consolida-

dos son mas favorables. Por encima de esto se aproxima su comportamiento

rapidamente al del estado blando, por lo que los materiales altamente alead-

os, en estado blando pueden ser mas favorables que los de mas baja aleacion

endurecidos en frıo.

Los materiales endurecibles, cuando los tiempos de solicitacion hayan de ser

largos, se usan con buen criterio solo a aquellas temperaturas que se encuen-

tran claramente por debajo del endurecimiento termico, ya que de otro modo

pasan al estado blando por sobreenvejecimiento.

1.5. Caracterısticas de resistencia a bajas temper-

aturas

El comportamiento de los metales a bajas temperaturas depende, fundamental-

mente, de la estructura de su red cristalina. El aluminio, con su red cubica centrada

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 10

Figura 1.5: Comportamiento a elevadas temperaturas de AlMg4.5Mn W28

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 11

Figura 1.6: Comportamiento a elevadas temperaturas de AlSi10Mg

Figura 1.7: Limite elastico en caliente y resistencia a la traccion en caliente deAlZn4.5Mg1

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 12

en las caras tiene la misma estructura que el cobre, el nıquel y los aceros austenıticos.

Por eso no se presentan nunca en las aleaciones de aluminio a temperaturas bajas

las conocidas complicaciones (caracterizadas, entre otras, por el rapido descenso de

la resiliencia) que tienen lugar en los metales cubicos centrados en el cuerpo, sobre

todo en los aceros ferrıticos.

Al descender la temperatura, aumenta la resistencia a la traccion, primero debil-

mente y, a partir de -100 ◦C , cada vez con mas intensidad. El lımite 0,2 se comporta

de modo semejante, solo que, en este caso, al aumentar las bajas temperaturas es

bastante mas debil, de modo que la relacion del lımite elastico se hace cada vez

menor al descender la temperatura. Tambien el alargamiento a la rotura aumenta

continuamente en todo el intervalo de temperaturas.

Figura 1.8: caracterısticas mecanicas del aluminio puro 1100 a bajas temperaturas

Este comportamiento es, en esencia, independiente del grado de endurecimiento

por conformacion en frıo del material.

Mientras que el alargamiento de rotura aumenta en todo el intervalo al descender

la temperatura, la estriccion de rotura, en cambio , despues de sobrepasar un valor

maximo hacia los -80 ◦C vuelve a descender al seguir bajando la temperatura.

Las aleaciones de aluminio para fundicion presentan, a bajas temperaturas, en

general, igual comportamiento que los materiales para laminacion y forja. En algunas

aleaciones para fundicion, como las que tienen un contenido en Mg superior al 6 %,

se observa una excepcion de la tendencia general, la resistencia a la traccion dismin-

uye poco con el descenso en la temperatura -100 ◦C, y mas por debajo de los -100 ◦C.

CAPITULO 1. PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 13

Figura 1.9: caracterısticas mecanicas de algunas aleaciones AlMg y AlMgN en estadoblando a bajas temperaturas

El alargamiento de rotura y la estriccion de rotura permanecen aproximadamente

constantes o disminuyen al descender la temperatura. Tambien en este caso hay ex-

cepciones, en las cuales el alargamiento de rotura aumenta a la vez que lo hace el

lımite 0,2.