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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
TESIS PROFESIONAL
Que para obtener el Título de Ingeniero Mecánico
Presenta:
Pedro Francisco Rodríguez Cortez
Directores:
Dr. Felipe Hernández Santiago
Ing. Marco Antonio Cárdenas Martínez
Febrero 2014
Fundición y caracterización mecánica de
aleaciones Aluminio Cobre al 1.5 %, 3%
y 5% tratadas termomecánicamente.
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Dedicatoria:
A mis padres
Gracias por darme la oportunidad de haber llegado hasta este momento tan importante, el cual marca el término de un ciclo y el comienzo de uno nuevo en mi formación como una persona de bien, útil ante la sociedad.
Por haber estado siempre a mi lado, por los concejos y el apoyo recibido.
A mis amigos
Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional a las que me
encantaría agradecerles su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía en los
momentos difíciles de mi vida.
Algunas están en mis recuerdos y en mi corazón, sin importar en donde estén quiero
darles las gracias por formar parte de mí, por todo lo que me han brindado y por todas sus
bendiciones.
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Agradecimiento:
Gracias al laboratorio de Ciencia de Materiales por las facilidades ofrecidas y al personal
docente por su apoyo.
A mis directores de tesis, Dr. Felipe Hernández Santiago e Ing. Marco Antonio Cárdenas
Martínez por su esfuerzo y dedicación, quienes con sus conocimientos, su experiencia, su
paciencia y su motivación, contribuyeron al termino de este trabajo de tesis. También me
gustaría agradecer a mis profesores durante toda mi carrera profesional porque todos han
aportado con un granito de arena a mi formación.
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CONTENIDO
Página Lista de figuras v Lista de tablas x 1. Marco teórico 1 1.1 Aluminio 1 1.1.1 Datos históricos sobre la producción de aluminio 3 1.1.2 Aleaciones del aluminio. 7 1.1.3 Propiedades agregadas por los materiales aleantes 9
1.2 Fundición 12 1.3 Mecánica de materiales 13 1.3.1 Deformación elástica y plástica. 13 1.3.2 Deformación convencional 15 1.3.3 Limite elástico. 16 1.4 El ensayo de tensión 19 1.4.1 Modulo de elasticidad en el ensayo de tensión. 21 1.4.2 Resistencia a la tensión. 22 1.4.3 Porcentaje de alargamiento a la fractura. 23 1.4.4 Porcentaje de reducción en el área. 23 1.5 Laminación en frio 24 1.6. Diseño de experimentos 25 1.6.1. Procedimiento. 26 2. Desarrollo Experimental 27 2.1 Fundición. 27
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2.1.1 Proceso 27 2.1.2Consideraciones. 28 2.1.3 Recursos disponibles. 29 2.1.4 Descripción y observaciones. 31 2.2 Formado de probetas. 31 2.2.1 Proceso. 32 2.2.2 Consideraciones. 32 2.2.3 Recursos disponibles. 33 2.3 Dureza 33 2.3.1 Proceso 33 2.3.2 Consideraciones. 34 2.3.3 Recursos disponibles. 34 2.3.4 Descripción y observaciones. 34 2.4 Ensayos de tensión 34 2.4.1 Proceso 34 2.4.2 Consideraciones. 34 2.4.3 Recursos disponibles. 34 2.4.4 Descripción y observaciones. 35 3. Resultados y análisis 36 3.1 Análisis químico. 36 3.2 Micrografías de las muestras de colada y análisis químico. 36 3.3 Tratamiento térmico. 37 3.4 Medición de la dureza de las muestras 37 3.5 Tratamientos termomecánicos 38 3.6 Pruebas de tensión 39
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Conclusiones 45 Bibliografía 46
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v
Lista de Figuras
No. Descripción Página
1 Nomenclatura química del aluminio en la tabla periódica. 2
2 Números cuánticos del aluminio en la tabla periódica. 2
3 Estructura cristalina del aluminio. 7
4 Diagrama de equilibrio aluminio-cobre. 10
5 Alargamiento de una barra cilíndrica de metal sujeta a una fuerza de tracción 14
uniaxial F. a)La barra sin ninguna fuerza y b) la barra sujeta a la fuerza de
tracción uniaxial F, que alarga la barra desde una longitud inicial ( Io)
hasta una longitud final ( If.).
6 Forma de las curvas esfuerzo – deformación para las aleaciones forjadas 15
de aluminio comunes.
7 Diagrama esfuerzo-deformación convencional. 17
8 Diagrama esfuerzo-deformación de materiales dúctiles en tensión 18
(fuera de escala).
9 Secuencia de un ensayo de tensión. 19
10 Acotación de las medidas de la tabla (6). 19
11 Acotación de probeta en sistema ingles fraccional. 20
12 Comienzo de estricción en una probeta. 22
13 Fractura de la probeta después del ensayo de tensión. 23
14 Ecuación para calcular el porcentaje de alargamiento después de un 23
ensayo de tensión.
15 Ecuación para el cálculo del porcentaje de reducción de área después de 24
un ensayo de tension.
16 Esquema del rolado mediante rodillos. 24
17 Entrada de carga al horno utilizado para la fusión de las aleaciones 28
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18 Equipo de seguridad como guantes de asbesto, pinzas para manejo de 30
material, pinzas para crisol, pinzas anguladas, cubeta con agua y
charola con tierra para verter la aleación a los lingotes. También se
utilizaron guantes de asbesto recubiertos para el manejo de las aleaciones
con zinc, así como un mandil de cuero.
19 Horno de cámara CWF 1200 y tanque de Argón con alimentación a 30
la cámara interna por tubo de acero inoxidable, auxiliado por dispositivo
de sujeción.
20 Lingotera de grafito ensamblable, dos lingoteras cilíndricas de acero 31
inoxidable.
21 Lingotes obtenidos después del proceso de solidificación. 32
22 Durómetro Vikers 633 33
23 Vista a detalle de las mordazas en la sujecion de las probetas. 35
24 Se muestran las diferentes probetas ensayadas con su identificacion 35
correspondiente en cuanto al porcentaje de Cu, deformacion y
tratameinto termico.
25 Micrografía muestra una estructura dendrítica uniformemente distribuida. 36
entre las dendritas se presenta la zona gris obscuro es la matriz rica en Al.
26 Micrografías y espectro de energía dispersa de MEB, de la muestra colada 37
de la aleación base Al a 1000 magnificacionesy su respectivo
microanálisis por EDS
27 Curvas del comportamiento de la dureza con respecto a los tratamientos 38
realizados a las aleaciones base Al.
28 Dimensiones de la probeta utilizada en los ensayos de tensión, cotas en mm. 39
29 Curva esfuerzo-deformación ingenieril para las probetas de colada, 40
tratada y deformada y homogeneizada de la aleación con 5 % en peso Cu.
30 Curva esfuerzo-deformación ingenieril para las probetas en las diferentes 41
condiciones por triplicado en base a norma.
31 Curva esfuerzo-deformación ingenieril para la condición de homogeneizado 42
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v
para las tres diferentes composiciones de Cu.
32 Micrografía presentando la probeta y la microesructura del tratamiento 43
de homogeneizado después del proceso de colada.
33 Micrografía presentando la probeta y la microesructura de un 43
tratamiento termomecánico realizado después del proceso de
homogenizado y solubilizado.
34 Fractografías de las probetas ensayadas a tensión con 3 %Cu. 44
.
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x
Lista de Tablas
No. Contenido Página
1 Desarrollo en los procesos de obtención del aluminio. 4
2 Nomenclatura para las aleaciones de aluminio. 8
3 Nomenclatura para aleaciones de aluminio vaciadas. 8 4 Propiedades químicas de los elementos a alear. 12
5 Propiedades elásticas del aluminio. 16 6 Medidas generales de probetas referentes a la norma ASTM E-8. 20 7 Propiedades elasticas y puntos de fusion de algunos materiales. 22 8 Composición química nominal de las aleaciones fabricadas. 28 9 Composición química nominal de la aleación base Al. 36
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1
1. Marco teórico
Es adecuado establecer los conocimientos bases sobre los cuales se erguirá el presente
estudio, tema al que se dedicará el presente capítulo.
El aluminio y sus aleaciones poseen propiedades que los hacen adecuados para una gran
variedad de aplicaciones. El metal está disponible en una diversidad de formas que van
desde planchas gruesas (250mm) hasta hojas delgadas en extremo (0.005mm) de
secciones de servicio pesado para estructuras ingenieriles; hasta moldes pequeños para
adornos decorativos, varillas de gran diámetro y barras que llegan a finos alambres.
Mientras que el aluminio ha sustituido al cobre en muchas aplicaciones eléctricas como
las líneas de energía de alta tensión y las barras de distribución conductoras, se ha visto
también desafiado por las mejoras en los aceros para las estructuras de peso ligero o
paras las aplicaciones criogénicas como los tanques para el transporte del gas natural
licuado. Las películas orgánicas sintéticas sustituyen a las hojas delgadas de aluminio
como material para envolver algunas mercancías como el tabaco. En la construcción de
los aviones, las aleaciones de aluminio tienen que enfrentarse al reto del titanio y sus
aleaciones y las resinas reforzadas con fibra. Para enfrentarse a estos desafíos, la
industria del aluminio sigue comprometida en la investigación y perfeccionamiento de
procesos como mejorar la eficiencia del proceso de reducción y la conversión del metal a
las formas semimanufacturadas. El proceso de solidificación rápida y los procesos de
metalurgia de polvos y de las fibras de aleaciones de aluminio ofrecen posibilidades de
nuevos campos de aplicación.
1.1 Aluminio.
El aluminio es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los
compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes
en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se
encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae
únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en
alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante
electrólisis.
La bauxita, un óxido impuro hidratado de aluminio, es la fuente comercial de aluminio y
sus compuestos.
El aluminio no se encuentra nunca como metal libre; usualmente como silicato de aluminio
o como silicato mixto de aluminio y otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y
magnesio. Estos silicatos no son minerales útiles por ser químicamente difícil, y por tanto
caro, extraer aluminio a partir de ellos. Su nombre procede de la palabra alumen con que
los romanos designaban a las sustancias con propiedades astringentes.
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2
En el siglo XIX, con el desarrollo de la física y la química se identificó como elemento de
la tabla periódica. Su nombre inicial aluminum fue propuesto por el británico Sir Humphrey
Davy en el año 1809. El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número
atómico 13, tal como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Nomenclatura química del aluminio en la tabla periódica.
El aluminio consiste en un solo isotopo de numero de masa 27 (con una abundancia de
100%) y un número isotópico (es decir neutrones y protones) de 1. Su núcleo contiene 13
protones y 14 neutrones, con sus trece electrones distribuidos de la siguiente manera:
(1s)2, (2s)2; (2p)6;(3s)2; (3p)1
El índice da el número de electrones; el numero subrayado, el numero cuántico principal
(n) y la letra del tipo de orbital que ocupan los electrones. La capa exterior contiene 3
electrones de los cuales 2 son (3s)2; esto explica la existencia del aluminio monovalente.
El átomo “libre” tiene un solo electrón de valencia, pero si los átomos están enlazados en
la celda solida o en el estado de fusión tiene lugar la hibridación y los tres electrones de
valencia pueden comportarse de manera idéntica.
Figura 2. Números cuánticos del aluminio en la tabla periódica
La densidad del aluminio es de 2.699 g/cm3 en comparación con el valor calculado de
2.694. Decrece a 2.55 g/cm3 para el sólido a 660 °C, justo por debajo de la temperatura
de fusión y a2.38g/cm3 para el metal fundido a esta temperatura.
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La fusión está acompañada por un aumento en el volumen de un 6.5% a 6.7%, lo que
depende de la pureza del metal el valor más bajo corresponde a 99.5% del aluminio (el
mismo cambio de volumen para el cobre es de 4%).
La temperatura de fusión del aluminio a 99.99% es de 660.2° C y el calor de fusión es de
10800J (2480 calorías) por gramo-átomo (29.99 g.) o 387 J/g.
El aluminio y sus aleaciones son ligeramente paramagnéticos.
La conductividad eléctrica del aluminio se expresa normalmente como un porcentaje del
International Copper Stándar (Norma Internacional del Cobre Recosido), adoptada en
1913.
La norma del cobre de un 100% de conductividad es equivalente a una resistividad
eléctrica de 1.7241 Ωcm. El aluminio puro tiene una resistividad de 2.630 Ωcm que
equivale a su vez a una conductividad de 63.8% de las IACS
1.1.1 Datos históricos sobre la producción de aluminio
Durante los periodos de 1920 – 1940, correspondientes a las dos guerras mundiales hubo
un gran aumento en la demanda del aluminio, el cual fue seguido por un abatimiento en
las ventas. Al contar ya con la capacidad de reducción instalada para solventar los
requerimientos en tiempo de guerra se recurrió a toda clase de incentivos para hallar la
salida a la capacidad de producción de estas plantas.
Después de la segunda guerra mundial se hizo frente a este desafío no solo con el
descubrimiento de nuevas aleaciones, sino también con la búsqueda de otros usos para
las aleaciones existentes y con el diseño de prácticas y procesos encaminados a mejorar
la calidad de la productividad.
Grandes tonelajes de metal recuperados en los aviones destruidos u obsoletos se usaron
para la fabricación de viviendas temporales prefabricadas y al mismo tiempo, hubo una
creciente demanda de material laminado para la manufactura de utensilios domésticos y
de productos de aleaciones para los vehículos de transporte, la ingeniería estructural y de
edificación, la distribución de energía eléctrica y las aplicaciones marinas en las
aplicaciones comerciales del aluminio ha habido una diversidad de composiciones de
aleaciones introducidas para afrontar las necesidades de una parte pequeña del mercado,
de la industria o para utilizar los materiales de fácil acceso como los metales recuperados.
Actualmente, la producción mundial de aluminio primario ha crecido de alrededor de 2
millones de toneladas en 1950 a 39.7 millones de toneladas en 2008, siendo Rusia y
China los países con mayor producción del mismo.
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Los primeros métodos con resultados satisfactorios para producir aluminio metálico
incluían el uso de una amalgama de potasio o de sodio metálico.
El costo de la producción era elevado, por lo que combinado con la baja resistencia
mecánica del aluminio puro, limitaba las aplicaciones del metal. Sin embargo, la invención
del proceso electrolítico para la reducción del óxido de aluminio, la alúmina, abrió la
posibilidad de reducir los costos.
Han transcurrido unos 100 años desde que Paul Luis Heroult en Francia y Charles Martin
Hall en Estados Unidos describieron, en sus patentes el proceso electrolítico que se
emplea todavía.
El desarrollo por el investigador y proceso utilizado para la obtención del aluminio se
puede observar en la siguiente tabla 1.
Tabla 1: Desarrollo en los procesos de obtención del aluminio.
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5
El aluminio no se puede reducir a partir de su óxido mediante el carbón, como sucede con
el hierro y el cobre, ya que el metal resultante es muy impuro y lo hace comercialmente
inviable. Era necesario encontrar un agente reductor más activo. El primer comunicado
fue presentado en 1825 a la Sociedad Danesa de Ciencias por el danés Hans Christian
Oersted, descubridor del electromagnetismo que reporta el aislamiento parcial del
aluminio por reducción de su cloruro mediante amalgama de potasio a través de
electrolisis.
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Y no fue sino hasta las muy completas investigaciones de Fogh y Haas que se dejó de
dudar de este experimento y se confirmó su validez. El aislamiento total del metal fue
conseguido dos años después por Friedrich Wohler, mejorando el proceso de reducción
química empleando potasio metal en lugar de su amalgama y conduciendo sobre él
cloruro de aluminio en estado de vapor.
Para la obtención comercial del aluminio, Henri SainteClaire Deville, desarrolla en 1854
otro proceso, sustituyendo el cloruro doble de aluminio y sodio, que es mucho menos
higroscópico que el primero, y emplea sodio, que es mucho más económico que el
potasio y a cuya preparación había dedicado una especial atención. Las palabras con las
que Deville termino su conferencia en la Exposición de Londres en 1862, son promisorias
del futuro del preciado metal:
“El aluminio es un metal intermedio entre los nobles y los comunes. Este eslabón, que
faltaba en el pasado, ha sido utilizado en aleaciones imperfectas que no permanecen
inalteradas y sin mancha, bajo la acción del aire, a diferencia de lo que sucede con el oro
y el platino. Es cierto, que el aluminio no tiene una resistencia tan elevada a los agentes
químicos como los metales nobles, pero resiste al aire, al agua, al ácido sulfúrico, al ácido
nítrico y al sulfuro de hidrógeno, lo que no hacen el cobre, ni el hierro ni la plata. Por ello,
el aluminio prestará una gran utilidad a la técnica, como consecuencia de su sonido
metálico, su elevada maleabilidad, su forjabilidad y su pequeño peso específico. Yo
estaría muy satisfecho si la industria aceptase tal metal intermedio. Si llega un día, en que
se encuentre un medio económico para fabricarlo a partir de su mineral, la arcilla, que es
el más difundido en la corteza terrestre, se convertirá en el más común de los metales”.
Y aunque de las fábricas de Sainte Claire Deville salieron las primeras toneladas de metal
aluminio, es justo decir, que desde 1836 se fabricaba aluminio en la Aluminiumund
Magnesium Fabrik de Hemelingen, empleándose el magnesio como agente reductor de
la criolita (fluoruro de aluminio y sodio).
Mientras que la pureza del metal fabricado por Sainte-Claire Deville alcanzaba una
pureza del 98%, la de Hemelingen sólo llegaba a un 94%. Ambos procesos fueron
abandonados por antieconómicos, después de la introducción de los métodos
electroquímicos modernos.
De acuerdo con el U.S. Geological Surveyen Estados Unidos la industria de
procesamiento y obtención de aluminio da empleo a más de 30000 personas. El 3% de su
producción, consumida por México que no se menciona en los primeros 15 lugares de
productores de aluminio a nivel mundial
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1.1.2 Aleaciones (describir desde el color hasta la estructura de grano)
El aluminio es un metal blanco plateado, con un alta reflectividad para la luz y el calor.
Por lo general, las aleaciones del aluminio tienen un color similar, algunas de ellas con un
matiz azulado.
La estructura del aluminio es una Cubica Centrada en las Caras (CCF).
Figura 3. Estructura cristalina del aluminio
El aluminio de una determinada pureza obtenido por reducción electrolítica de la alúmina
es un material relativamente débil.
Para aplicaciones que requieren una mayor resistencia mecánica se alea con metales
como el cobre, magnesio, manganeso y zinc por lo general, en combinación de dos o más
de estos elementos junto con fierro y silicio.
La aleación de aluminio cobre fue una de las primeras utilizadas a principio de este siglo
con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de los productos de aluminio en forma
laminada, pero la presencia del cobre reducía la excelente resistencia del metal a la
corrosión.
Se han diseñado un gran número de aleaciones para satisfacer necesidades específicas.
Y las principales aleaciones están dentro de una serie de normas nacionales e
internacionales que especifican sus composiciones y propiedades mecánicas.
Las aleaciones comprendidas en las normas se pueden dividir en dos grupos principales,
uno es el que se usa para los vaciados y el otro se emplea para fabricar formas forjadas.
Para facilitar la referencia las aleaciones para vaciados se indican por las designaciones
BS1490 LM (lingotes y vaciado) y las aleaciones forjadas mediante un acuerdo
internacional de un sistema de 4 dígitos de los cuales el primero de ellos indica el
elemento principal de la aleación dentro del grupo conocido.
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Tabla 2: Nomenclatura para las aleaciones de aluminio.
Las aleaciones vaciadas se describen por un sistema de tres dígitos seguido por un valor
decimal. El decimal .0 pertenece a las aleaciones vaciadas y los decimales .1 y .2
conciernen a las composiciones de lingote estándar y no estándar y son:
Tabla 3: Nomenclatura para aleaciones de aluminio vaciadas
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1.1.3 Propiedades agregadas por los materiales aleantes
Cobre: Aumenta de manera notable la resistencia a la tracción y la dureza, tanto en
condiciones de extrusión como tratado térmicamente. Las aleaciones que contienen de 4
a 6% Cu tienen una respuesta más efectiva al tratamiento térmico. Por lo general, al cobre
reduce la resistencia a la corrosión y, en ambientes muy específicos en ciertos tipos de
aleaciones, induce a la corrosión bajo tensión. Las adiciones de cobre reducen la
resistencia al agrietamiento en caliente y disminuye la colabilidad y en piezas fundidas.
Manganeso: Incrementa la resistencia mecánica sea por solución sólida o por finos
precipitados intermetálicos. No altera la resistencia a la corrosión.
Se usa en la fundición para corregir la forma acicular de los precipitados aciculares ricos
en hierro y disminuir su efecto fragilizante, aunque promueve una estructura fibrosa en los
lingotes. En forma de precipitados finos previene el crecimiento del grano en la
recristalización. Se encuentra que el manganeso incrementa la sensibilidad al
agrietamiento de las aleaciones tratables térmicamente. Hasta 1,25% Mn es el principal
aleante en las aleaciones del tipo 3xxx. Con grandes deformaciones plástica, estos
materiales exhiben una aceptable embutibilidad. En presencia de Fe, Cr o Ni, debe
cuidarse que no sobrepasen los límites de composición para evitar la formación de
cristales primarios intermetálicos.
Silicio: El efecto más notable del silicio en el aluminio es mejorar las características del
colado, mejorando la fluidez, la resistencia al agrietamiento en caliente y las
características de la alimentación de las piezas fundidas. Las aleaciones comerciales Al-
Si varían desde composiciones hipoeutécticas hasta cerca del 25% Si.
Para procesos de colado con velocidades lentas de solidificación se prefieren los rangos
de 5 a 7% Si, para moldes permanentes se recomienda 7 a 9 % Si y para fundición a
presión, que inducen altas velocidades de enfriamiento, 8 a 12% Si. Se recomienda
mayores cantidades de eutéctico para propósitos de alimentación de la pieza a medida
que aumenta la velocidad de enfriamiento. Las adiciones de silicio disminuyen la densidad
y el coeficiente de expansión térmica.
Estaño: Mejora las características antifricción y la maquinabilidad. Debido a esto, se utiliza
en aleaciones destinadas a cojinetes. El estaño puede influenciar la respuesta al
endurecimiento de ciertas aleaciones de aluminio.
Zinc: No se reportan beneficios por la adición del zinc al aluminio. Sin embargo, en
aleaciones que contienen Cu y/o Mg, mejora la respuesta al endurecimiento por
tratamiento térmico o natural.
Las propiedades de una aleación se determinan por su estructura cristalina que puede
incluir un cierto número de fases que difieren en su composición y que dependen de la
temperatura.
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Los diagramas de equilibrio representan las aleaciones entre la temperatura y
composición de las fases en un sistema de aleación en equilibrio, ósea, que es estable
por completo. Dichas condiciones se alcanzan por un enfriamiento especial o por un
tratamiento térmico prolongado de aleaciones de una pureza conocida con precisión,
determinada en el laboratorio, pero la mayoría de, los materiales en la industria no están
en equilibrio.
No obstante los diagramas de equilibrio suministran una guía y una base para entender
las reacciones que se efectúan en las aleaciones comerciales que, además de los
elementos aleantes principales, también contienen impurezas en cantidades que pueden
tener efectos importantes en la constitución como es el introducir nuevas fases y otras
modificaciones en la estructura.
Figura 4. Diagrama de equilibrio aluminio-cobre.
Al generar una aleación se busca conseguir un material heterogéneo el cual mejore las
propiedades de sus componentes.
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El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase.
Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con
aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la
constituye y con una interface definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno o
varios componentes.
Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que
puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente.
Se pretende estudiar una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) Al Cu, en
diferentes composiciones. Cabe resaltar que el que sea una solución indica que cualquier
precipitado de una fase distinta es no deseable.
El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que
se conocen como diagramas de fase, en ellos se puede determinar el límite de solubilidad
de los componentes, así como la temperatura que se empleará para el tratamiento
térmico de homogeneización de las aleaciones.
La familia a la que pertenece la aleación sujeta de este estudio es la 2000, con su
principal aleante Cu (Cobre).
Cabe mencionar que las aleaciones que se fundieron no son producidas de manera
comercial y son empleadas para el presente estudio por el control que se tiene sobre sus
composición, al enfocarse en estos niveles básicos se puede observar la capacidad que
tiene la metodología de entender su efecto, con lo que puede determinar los ajustes
necesarios que se requieren sobre la misma para aplicarla a aleaciones con una mayor
cantidad de elementos aleantes.
Como se observa en el diagrama bifásico, la máxima solubilidad del Cobre en el Aluminio
se presenta en un el 5.6%, razón por la cual se decidió que la composición química
máxima para este estudio debería ser inferior al menor de los límites de solubilidad en pos
de tener el menor error posible atribuible a precipitación de fase β.
Fueron definidos tres niveles diferentes para la composición química Al-Cu. Las
composiciones para las aleaciones se fijaron en 1.5%, 3% y 5% basados, al igual que los
diagramas de fase, en proporción de peso.
Cabe considerar que la pureza de los materiales base, aunque fue la más alta que se
pudo conseguir, no es total, por lo que se espera tener una pequeña contaminación
menor al 0.04% correspondiente a cobre, zinc y azufre. La cual, para efectos de este
trabajo se considerarán despreciables.
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Tabla 4: Propiedades químicas de los elementos a alear
Elemento Símbolo
químico
Número
atómico
Densidad
relativa
Temperatura
de fusión
Estructura
cristalina
Pureza
Aluminio Al 13 2.689 660.32°C CCF 99.97%
Cobre Cu 29 8.96 1084.62°C CCF 99.99%
1.2 Fundición
El proceso de fundición de metales y sus aleaciones consiste en elevar la temperatura del
material por encima de su punto de fusión para que, en estado líquido, sea introducido en
el seno de una cavidad (denominada molde) donde se enfría se solidifica y adquiere la
forma de dicha cavidad.
Los tipos de hornos empleados para la fusión del aluminio y sus aleaciones varían desde
los pequeños hornos de crisol hasta los grandes hornos de reverbero con una capacidad
de 25 toneladas, cargándose los primeros a mano, mientras que los hornos de mayor
tamaño se diseñan para una carga agitación y limpieza mecánicas.
En medio del calentamiento quizás sea gas, aceite combustible o electricidad. Para
hornos de tamaño intermedio la calefacción eléctrica puede efectuarse mediante
dispositivos que están situados en el techo y que ayudan a la radiación o por inducción a
baja frecuencia. El comportamiento estructural de las aleaciones de 2 elementos ha sido
ampliamente estudiado y descrito por medio de los diagramas bifásicos.
Cuando se enfría rápidamente una solución sólida monofásica, de tal modo que pase a
una región bifásica en el diagrama de fases, queda sobresaturada con respecto a una
nueva fase.
Es de interés para el presente trabajo observar el comportamiento de las aleaciones sin
que estas sean significativamente afectadas por procesos de endurecimiento ajenos a los
provocado, por ellos se emplean tratamientos térmicos de solubilizado para disminuir lo
más posible el endurecimiento por precipitación, el cual es una de las principales
cualidades de la aleación Al-Cu.
En el tratamiento térmico de solubilización los átomos del soluto se disuelven para formar
una solución sólida monofásica. Al considerar una aleación de composición dada el
tratamiento consiste en calentar la aleación a una temperatura dentro del campo
monofásico α, dando tiempo para que toda la fase β se disuelva por completo y retener la
fase por medio de un tratamiento de templado.
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En el proceso de templado se enfría la aleación rápidamente o se templa a una
temperatura dada de modo que la fase en la que se encuentre el material no tiene tiempo
de adaptarse a la correspondiente a la temperatura en su diagrama bifásico. Esto genera
una fase de no equilibrio en la que se mantiene la fase, pero la estructura tenderá con el
tiempo a la fase que le corresponda.
La mayoría de las aleaciones tardan mucho tiempo en hacer este procesos por lo cual la
fase α se mantiene presente por periodos prolongados de tiempo.
En estos principios se basa el comportamiento deseable para las aleaciones que son
estudiadas. Y se repetirá no sólo como base de la fundición inicial de las aleaciones, sino
como tratamiento para la homogenización del tamaño de grano posterior a la deformación
de los lingotes de colada.
1.3 Mecánica de materiales
El aluminio puro es blando y tiene poca resistencia mecánica, pero puede formar
aleaciones con otros elementos para aumentar su resistencia y adquirir varias
propiedades útiles. Las aleaciones de aluminio son ligeras, fuertes, y de fácil formación
para muchos procesos de metalistería; son fáciles de ensamblar, fundir o maquinar y
aceptan gran variedad de acabados. Por sus propiedades físicas, químicas y
metalúrgicas, el aluminio se ha convertido en el metal no ferroso de mayor uso.
1.3.1 Deformación elástica y plástica.
Cuando se somete una pieza de metal a una fuerza de tracción uniaxial se produce la
deformación del metal. Si el metal recupera sus dimensiones originales cuando se elimina
la fuerza, se considera que el metal ha sufrido una deformación elástica.
La cantidad de deformación elástica que puede soportar un metal es pequeña pues
durante la deformación elástica, los átomos del metal se desplazan de sus posiciones
originales, pero sin llegar a alcanzar nuevas posiciones.
De este modo, cuando la fuerza sobre el metal deformado elásticamente se elimina, los
átomos del metal vuelven a sus posiciones iníciales y el metal recupera su forma inicial. Si
el metal se deforma tanto que no puede recuperar completamente sus dimensiones
originales, se considera que ha sufrido una deformación plástica. Durante la deformación
plástica, los átomos del metal se desplazan continuamente desde sus posiciones iníciales
hasta otras nuevas.
La propiedad que tienen algunos metales de ser extensamente deformados sin que se
fracturen, es una de las más útiles en ingeniería.
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Figura 5:Alargamiento de una barra cilíndrica de metal sujeta a una fuerza de tracción
uniaxial F. a)La barra sin ninguna fuerza y b) la barra sujeta a la fuerza de tracción
uniaxial F, quealarga la barra desde una longitud inicial ( Io) hasta una longitud final ( If.).
Latensión de ingeniería “σ“ sobre la barra es igual a la fuerza media de fracción F sobre la
barradividida por el área de su sección transversal A0.
Por tanto:
Lasunidades de la tensión convencional son:
Sistema anglosajón: libras fuerzas por pulgada cuadrada (lbf /pulg2, o psi);
Lbf = libras fuerza
SI: newtons por metro cuadrado (N/m2) o pascales (Pa), donde 1 N/m2 = 1 Pa
Los factores de conversión desde psi a pascal son
1 psi = 6.89 × 103 Pa
106 Pa = 1megapascal = 1MPa
1 000 psi = 1 ksi = 6.89MPa
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1.3.2 Deformación convencional
Cuando una fuerza de tracción uniaxial se aplica a una barra, como la que se muestra en
lafigura, seproduce un alargamiento de la barra en la dirección de la fuerza.
Dichodesplazamiento se conoce como deformación. Por definición, deformación
convencional esla relación entre el cambio en la longitud de una muestra en la dirección
en que se aplica lafuerza y la longitud original de la muestra considerada. Por tanto, la
deformación convencionalpara la barra de metal que se muestra en la figura (o para una
muestra similar de metal)es:
Figura 6. Forma de las curvas esfuerzo – deformacion para las aleaciones forjadas de
aluminio comunes
El módulo de elasticidad del aluminio es más bien bajo y es sensible a los campos
pequeños en la cantidad de impurezas presentes.
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Tabla 5: Propiedades elásticas del aluminio.
El alargamiento elástico del aluminio y sus aleaciones bajo un esfuerzo dado es cerca de
tres veces más grande que el del acero. Esto es ventajoso en caso de los miembros
estructurales que requieren resistir el impacto.
1.3.3 Límite elástico.
El límite elástico es un valor muy importante para el diseño estructural en ingeniería, pues
es el nivel de tensión al que un metal o aleación muestran una deformación plástica
significativa.
Debido a que no hay un punto definido de la curva tensión-deformación donde acaba la
deformación elástica y empieza la deformación plástica, se determina el límite elástico
como la tensión a la que se produce una deformación elástica definida. En muchas
ocasiones se determina el límite cuando se produce una deformación de 0.2 por ciento.
El límite elástico de 0.2 por ciento, también denominado límite elástico convencional se
determina a partir del diagrama convencional, como se muestra en la figura: 7
Primero se traza una línea paralela a la zona elástica (lineal) del diagrama convencional a
una deformación de 0.002 pulg/pulg (m/m), como se indica en la figura. Después se traza
una línea horizontal desde el punto de intersección entre la línea anterior y la parte
superior de la curva tensión-deformación hasta que alcance el eje de las tensiones.
El límite elástico de 0.2 por ciento es el valor de tensión donde la línea horizontal
interseca el eje detensión, y en el caso de la curva de tensión-deformación de la figura 11,
el valor del límite elástico es 78 000 psi.
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Figura 7: Diagrama esfuerzo deformación convencional
La manera más directa de comprender el comportamiento mecánico de los metales es
estudiando su diagrama esfuerzo deformación, el cual es representativo de los materiales
dúctiles. Este empieza con una línea recta desde O hasta A. En esta región, el esfuerzo y
la deformación son directamente proporcionales, y se dice que el comportamiento del
material es lineal. Después del punto A ya no existe una relación lineal entre el esfuerzo y
la deformación, por lo que el esfuerzo en el punto A se denomina límite de
proporcionalidad.
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Figura 8: Diagrama esfuerzo-deformación de materiales dúctiles en tensión (fuera de escala)
La pendiente entre el punto O y A se conoce como Módulo de elasticidad o Módulo de
Young (E) y representa la cantidad de deformación y carga a la que el material puede ser
sometido resultando en que, al retirar la carga, la deformación desaparecerá.
Al incrementar la carga más allá del límite de proporcionalidad, la deformación empieza a
aumentar más rápidamente para cada incremento en esfuerzo. La curva de esfuerzo
deformación asume luego una pendiente cada vez más pequeña, hasta que el punto B de
la curva se vuelve horizontal. A partir de este punto se presenta un alargamiento
considerable, con un incremento prácticamente inapreciable en la fuerza de tensión
(desde B hasta C en el diagrama), a partir de este punto la deformación se convierte en
plástica y no es posible recuperarla al retirar la carga. Este fenómeno se conoce como
sedencia o fluencia del material, y el esfuerzo en el punto B se denomina esfuerzo de
sedencia o punto de sedencia (o bien, esfuerzo de fluencia, punto de fluencia o
resistencia a la tracción). En la región de B hasta C, el material se vuelve
perfectamente plástico, lo que significa que puede deformarse sin un incremento en la
carga aplicada.
Después de sufrir las grandes deformaciones que se presentan durante la fluencia en la
región BC el material empieza a mostrar un endurecimiento por deformación. Durante
este proceso, el material sufre cambios en sus estructuras cristalina y atómica, lo que
origina un incremento en la resistencia del material a futuras deformaciones. Por tanto,
debido a la recuperación ocasionada por las fallas de apilamiento un alargamiento
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adicional requiere de un incremento en la carga de tensión, y el diagrama esfuerzo-
deformación toma una pendiente positiva desde C hasta D.
Finalmente la carga alcanza su valor máximo y el esfuerzo correspondiente (en el punto
D) se denomina esfuerzo último. De hecho, el alargamiento posterior de la barra se
acompaña usualmente de recristalización del material, lo que causa una reducción en la
carga y finalmente se presenta la fractura en un punto E, tal como se indica en el
diagrama. Para materiales como el aluminio, que tienen un gran número de fallas de
apilamiento, el material no alcanza a recristalizar y se mantiene en etapa de recuperación,
por lo que se observa un comportamiento continuo y de pendiente positiva desde C hasta
E (Línea punteada).
El aluminio presenta una muy elevada cantidad de fallas de apilamiento, lo cual le permite
eliminar o re arreglar las imperfecciones en nuevas configuraciones.
Este proceso se conoce como recuperación y su principal efecto es liberar de las fuerzas
internas que se acumulan durante el proceso de deformación en frío. La energía de
activación para la deformación del aluminio es baja en relación con otros metales como el
titanio o hierro.
1.4 El ensayo de tensión
El ensayo de tracción se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. En
esteensayo, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que
se produceen un tiempo relativamente corto.
Figura 9: Secuencia de un ensayo de tension.
(1) Inicio del ensayo, no hay carga; (2) elongación uniforme y reducción del área de la sección transversal; (3) continúa la elongación, se alcanza la carga máxima; (4) se inicia la formación del cuello, la carga comienza a decrecer; y (5) fractura. Si las piezas se juntan como en (6) se puede medir la longitud final.
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La norma ASTM d638 (American Society for Testing and Materials) especifican la
preparación del espécimen de prueba y el procedimiento para el ensayo.
El espécimen y montaje típicos del ensayo.
Tabla 6: Medidas generales de probetas referentes a la norma ASTM E-8
Figura 10: Acotación de las medidas de la tabla (6)
Figura 11: Acotacion de probeta en sistema ingles fraccional.
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Las propiedades mecánicas de los metales y las aleaciones que tienen interés para el
diseñoestructural en ingeniería, y que pueden obtenerse a partir del ensayo de tracción
técnico, son:
1. Módulo de elasticidad 2. Límite elástico convencional de 0.2 por ciento 3. Resistencia a la tracción 4. Porcentaje de alargamiento a fractura 5. Porcentaje de estricción a fractura Alaplicar esfuerzo a un material, este se muestra primero una deformacion elastica. La
deformacion que se produce desaparece por completo cuando se elimina el esfuerzo
aplicado. Sin embargo, al continuar aumentando el esfuerzo aplicado, el material
comienza a mostrar deformacion tanto elastica como plastica. Al final el material cede al
esfuerzo aplicado.
El valor critico del esfuerzo necesario para iniciar la deformacion plastica se llama limite
elastico del material.
1.4.1 Módulo de elasticidad en el ensayo de tension.
En la primera parte del ensayo de tracción, el metal se deforma elásticamente. Es decir, si
lafuerza que actúa sobre la muestra desaparece, la probeta volverá a su longitud inicial.
Parametales, la máxima deformación elástica suele ser inferior a 0.5 por ciento.
En general, losmetales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión
aplicada y la deformaciónproducida en la región elástica del diagrama convencional que
se describe por la ley deHooke:
El módulo de elasticidad está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del
metalo aleación ya que se requieren grandes fuerzas para separar los atomos y hacer que
el material se estire de forma elastica.
Las fuerzas de enlace y, por consiguiente , el modulo de elasticidad suelen ser mayores
para los materiales de punto de fusiòn alto. El modulo de Young es una medida de la
rigidez de un material.
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Tabla 7: Propiedades elasticas y puntos de fusion de algunos materiales
Resistencia a la Tension
La resistencia a la tracción (UTS, por sus siglas en inglés) es la máxima tensión que
sealcanza en la curva tensión-deformación. Si la probeta desarrolla un decrecimiento
localizadode la sección transversal (comúnmente denominada estricción o cuello).la
resistencia a la tension es el esfuerzo en el cual comienza la estriccion en los materiales
ductiles.
Figura 12: Comienzo de estriccion en una probeta
La tensión convencional decrecerá con el incremento de la deformación hasta producirse
la fractura, porque la deformación convencional se determina utilizando el área original de
la sección transversal de la probeta.
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Cuanto más dúctil es el metal, mayor es la estricción antes de la fractura y más
descendente la tensión alejándose del valor de resistencia a la tracción.
Figura 13. Fractura de la probeta despues del ensayo de tensión.
Porcentaje de alargamiento a fractura.
El porcentaje de alargamiento a fractura tiene importancia no sólo como medida de la
ductilidad (cantidad de deformacion que puede resistir un material sin romperse), sino
también como índice de la calidad del metal. Si existe porosidad o inclusiones en el metal,
o si existe un deterioro debido a un sobrecalentamiento del mismo, el porcentaje de
alargamiento decrecerá por debajo del valor normal.
Figura 14: Ecuación para calcular el porcentaje de alargamiento después de un ensayo
de tensión
Porcentaje de reducción en el área
El porcentaje de reducción en el área como el porcentaje de alargamiento, es una medida
de la ductilidad del metal y un índice de su calidad. El porcentaje de reducción en el área
se puede disminuir si existen defectos como inclusiones y/o porosidad en la muestra
metálica.
Después del ensayo, se determina el diámetro de la sección transversal de la zona de
fractura.
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Utilizando las medidas del diámetro inicial y del diámetro final, el porcentaje de estricción
se determina según la ecuación:
Figura 15: Ecuacion para el calculo del porcentaje de reduccion de area despues de un
ensayo de tension
1.3.2 Laminación en frío.
El proceso de laminación se lleva a cabo al hacer pasar el metal a través de rodillos que
ejercen fuerza y dirección sobre él, ocasionando una deformación plástica y liberación de
energía en forma de calor. El proceso de formado de las probetas de tensión incluye una
deformación de 50% en espesor, este trabajo se lleva a cabo en un molino reversible de
laminación.
Figura 16: Esquema del rolado mediante rodillos
En cada pasada de rolado se lleva a cabo un endurecimiento por deformación en la
lámina. Dependiendo de la estructura de grano principalmente afectada por la
composición del material. Por lo que se emplea este método de conformado como
auxiliar en la ruptura de la estructura dendrítica de colada.
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La energía aplicada durante el proceso de deformación en frío presenta las siguientes
transformaciones:
Energía que se convierte en calor durante la deformación. 90%
Energía potencial almacenada 9%
Energía potencial de estrés residual de deformaciones elásticas no liberadas. 1%
Posteriormente se canaliza la energía almacenada a través del tratamiento térmico para
establecer una estructura granular uniforme en el material antes de someterlo a los
ensayos de tensión.
1.4 Diseño de experimentos
Un experimento es una prueba o serie de pruebas en las cuales se efectúan cambios
intencionados y controlados, esto sobre las variables de entrada de un proceso o un
sistema, de manera que se puedan observar e identificar las razones de los cambios que
se observen en la respuesta o salida del proceso.
Tradicionalmente la planeación de los experimentos mantiene reducidos el número de
factores y los niveles en los que serán estudiados, debido a que con un mayor número de
influencias de manera simultánea, la seguridad en la identificación de la causa origen de
los resultados obtenidos disminuye y se requiere un mayor conocimiento del tema por
parte del experimentador para poder dar una explicación aceptable a los sucesos
observados.
Para la aleación de Al-Cu se estudiaron los diagramas de fase y fue en base a la máxima
común solubilidad que se determinó que composiciones sería de interés para el estudio.
Una vez adquiridos los materiales base se planean y funden las aleaciones de estudio,
esto bajo un control y parámetros adecuados a sus composiciones particulares.
Cada lingote es sometido a un tratamiento termo mecánico para romper su estructura de
colada y homogeneizar su estructura interna.
Con una aleación en base aluminio (6100) se corren pruebas previas para evaluación del
funcionamiento del equipo de laminado y ensayos de formación de probetas (en pos de
suavizar la curva de aprendizaje).
La dureza de las aleaciones es medida en las probetas formadas antes de que pasen al
ensayo de tensión. Esto se hace en el orden experimental adecuado y llevando un
registro.
Las probetas son sometidas al ensayo de tensión el cual se lleva a cabo para todas a una
misma velocidad en pos de enfocar el estudio en los factores elemento aleante y
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composición.
Todo el proceso es debidamente registrado con fotografías y una bitácora que permita
ultimar detalles que puedan ser significativos para el estudio de los datos.
1.4.1 Procedimiento
Estos datos son estudiados estadísticamente en relación a su varianza, que es un análisis
que permite separar o partir la variación observable en una variable de estudio en dos
componentes básicos:
1. El nivel de todos los factores en el estudio representan únicamente los niveles de los
cuales se desea obtener información.
2. El modelo de Análisis de Varianza contiene parámetros (constantes desconocidas)
para todos los efectos principales e interacciones de interés en el estudio.
Con estas herramientas estadísticas se puede obtener mucha información valiosa del
comportamiento de las variables de estudio, incrementando así la productividad y
reduciendo los costos de experimentación mientras se le da estructura y dirección a la
misma.
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2. Desarrollo Experimental
El estudio inicio desde la fabricación de las aleación, se analizaron por medio de
microscopia óptica equipada con un analizador de imágenes, microscopia electrónica de
barrido (MEB), mediciones de microdureza Vickers (HV) y ensayos de tensión.
2.1 Fundición
La aleación fue generada a partir de las técnicas de fusión convencional en un crisol
recubierto con Dycot. Se protegió con atmosfera de argón y fue agitada con una varilla de
acero inoxidable, durante 20 minutos. Para después ser vaciadas en una lingotera de
grafito con forma prismática y una lingotera de acero inoxidable previamente precalentada
a 150 °C para reducir porosidad en su estructura. La figura 18 muestra el horno y crisol
utilizados para la fusión de la aleación.
2.1.1 Proceso
Los lingotes obtenidos de la lingotera de grafito fueron templados en agua a temperatura
ambiente, mientras que los otros se enfriaron al aire (temperatura ambiente).
Tabla 8: Composición química nominal de las aleaciones fabricadas.
Aleación Al en g %peso
Aluminio
Cu en g %peso
Cobre
Temperatura
del horno
Al-1.5 %Cu 260 98.5% 2.62 1.5% 1100°C
Al-3%Cu 985.0 97% 31.86 3% 1100°C
Al-5%Cu 993.0 95% 52.3 5% 1100°C
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Figura 17. Entrada de carga al horno utilizado para la fusión de las aleaciones.
2.1.2 Consideraciones
El proceso de planeación de la experimentación tiene dos principales afluentes en este
caso particular, la de las relaciones planteadas hipotéticamente que serán o no
rechazadas por un análisis estadístico y la de los procesos mecánicos y técnicos que
conforman la experimentación.
Los diseños de experimentos aplicados a procesos hacen un análisis previo de todos los
elementos que intervienen en un proceso dado, se les identifica como factores y variables
de estudio y se proponen relaciones comprobables, las cuales dan origen al orden y
variables iníciales de experimentación
En este capítulo se dará prioridad a los procesos que alteran la estructura de los metales
estudiados, a su orden y el control que se les otorga antes, durante y después de la
experimentación (obtención de mediciones).
El desarrollo experimental es complejo y elaborado debido al control que se requiere en
cada una de las fases del mismo. Es de suma importancia reducir al mínimo las
variaciones tanto en la fundición como en el proceso de formado de las probetas, que
debe ser el mismo para todas las aleaciones, de manera que se ejerza la menor
variabilidad posible sobre las propiedades mecánicas y se parta de un punto
razonablemente neutro.
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Para las aleaciones de Al-Cu se estudiaron los diagramas de fase y fue en base a la
máxima común solubilidad que se determinó que composiciones sería de interés para el
estudio. Una vez adquiridos los materiales base se planean y funden las aleaciones de
estudio, esto bajo un control y parámetros adecuados a sus composiciones particulares.
Cada lingote es sometido a un tratamiento termo mecánico para romper su estructura de
colada y homogeneizar su estructura interna.
Con una aleación en base aluminio (serie 6100) se corren pruebas previas para
evaluación del funcionamiento del equipo de laminado y ensayos de formación de
probetas (en pos de suavizar la curva de aprendizaje).
Hasta aquí viene la etapa de preparación previa a la experimentación con la cual se
establecieron los dos factores estudiados (elemento aleante y composición).
Habiendo sido designados tres variables de estudios, obtenidas en dos diferentes
ensayos, se hace hincapié en cada uno de los ensayos de manera independiente. Se
corre una pequeña ronda inicial de experimentos con un número reducido de repeticiones.
La dureza de las aleaciones es medida en las probetas formadas antes de que pasen al
ensayo de tensión. Esto se hace en el orden experimental adecuado y llevando un
registro. Tara ello también se realizó prácticas previas en pos de reducir la variabilidad por
curva de aprendizaje.
Las probetas son sometidas al ensayo de tensión el cual se lleva a cabo ara todas a una
misma velocidad en pos de enfocar el estudio en los factores elemento aleante y
composición. De los datos obtenidos se calcula un ajuste a datos reales y se cotejan los
resultados de módulo de Young y esfuerzo de fluencia, los cuales son debidamente
registrados y capturados para su análisis estadístico.
Todo el proceso es debidamente registrado con fotografías y una bitácora que permita
ultimar detalles que puedan ser significativos para el estudio de los datos.
2.1.3 Recursos disponibles
Se parte con el equipo básico de seguridad, comprendido por una bata de algodón
gruesa, careta de protección, zapatos de seguridad industrial con casquillo y guantes
suaves para el manejo de material. Además de esto hemos contado con equipo e
infraestructura especializada que se presenta a continuación.
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Figura 18. Equipo de seguridad como guantes de asbesto, pinzas para manejo de material, pinzas para crisol, pinzas anguladas, cubeta con agua y charola con tierra para verter la aleación a los lingotes. También se utilizaron guantes de asbesto recubiertos para el manejo de las aleaciones con zinc, así como un mandil de cuero.
Figura 19. Horno de cámara CWF 1200 y tanque de Argón con alimentación a la cámara interna por tubo de acero inoxidable, auxiliado por dispositivo de sujeción.
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Figura 20. Lingotera de grafito ensamblable, dos lingoteras cilíndricas de acero inoxidable.
2.1.4 Descripción y observaciones.
El proceso de fundición tomó más tiempo de lo que se había anticipado debido a la
complejidad que la labor presenta, los tiempos en los equipos y la colaboración de
personas más experimentadas, junto con la supervisión del proceso en sus diversas
etapas.
Las tres primeras aleaciones fueron fundidas en cantidades cercanas al kilo y medio, lo
cual proporcionó suficiente material para poder colar un lingote cilíndrico (en lingotera de
acero inoxidable) y uno prismático (en lingotera de grafito). Al llevar a cabo los procesos
de formado y homogenización del material se detectó que los lingotes prismáticos no eran
aptos para la forma que se buscaba conseguir, por lo que se hicieron las siguientes
aleaciones en coladas de 300g llenando la lingotera prismática de grafito.A partir de esta
forma se iniciaron los procesos de conformado de las probetas de tensión para cada
aleación.
2.2 Formado de probetas
Los lingotes mantienen una estructura de colada, por lo cual no se encuentran
homogéneos como es deseable para realizar las pruebas de laminación. Se sometió el
material a una deformación mecánica del 50% y posteriormente se le da un tratamiento
térmico, lo cual permite que la energía aplicada a modo de deformación mecánica
colabore a la homogeneización de la aleación.
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2.2.1 Proceso
Se seccionó el área del rechupe de los lingotes prismáticos, el bloque restante fue cortado
en dos pequeñas placas de alrededor de 19 milímetros de espesor y entre 9 y 12
milímetros de longitud. Las cuales se muestras en las siguientes fotografías.
Figura 21. Lingotes obtenidos después del proceso de solidificación.
Las placas son laminadas en frío hasta llegar a 4milímetros de espesor. Lo cual garantiza
una deformación de más del 50%.Se tomará una muestra para metalografía. Se
enderezan las placas, se miden, entintan, marcan y cortan en placas de aproximadamente
13mm de ancho. Se rectifican los lados de las placas en fresadora y se miden y marcan
para dejarlos de 10mm de espesor y sin espacios vacantes de material. Se miden y
marcan a 43mm las placas, se cortan con arco y segueta y posteriormente se carean con
fresadora. Las paralelepípedos de 43mmx10mmx4mm son perfiladas en una Máquina de
Control Numérico para formar las probetas de tensión.
Se agrupan por aleación las probetas, se envuelven las placas en papel aluminio y se
someten a 18 horas de tratamiento térmico al 350°C en pos de liberar los esfuerzos de la
deformación mecánica creando granos homogéneos y reduciendo así la segregación y
los precipitados. Son enfriadas en agua a temperatura ambiente. Dos plaquetas de cada
aleación son preparadas metalográficamente (desbastado y pulido) hasta quedar en
acabado espejo.
2.2.2 Consideraciones
Se decidió utilizar las aleaciones que fueron templadas y vertidas en forma prismática
debido a la facilidad que esto representa en relación a la baja precipitación de fases
(debido al rápido enfriamiento) y facilidad morfológica para la deformación mecánica que
presenta su estructura en contra de la forma cilíndrica de las otras aleaciones.
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Como el estudio inicial demostró que la estructura prismática es mejor para el conformado
de las probetas, las probetas manufacturadas a partir de estos lingotes será estudiadas y
los lingotes cilíndricos podrán ser usados en estudios posteriores.
2.2.3 Recursos disponibles
Sierra, arco, banco y mesa de trabajo, Molino de laminación en el laboratorio de Formado
de Metales (ESIME UA Edificio No 3), horno de cámara, Máquina de control numérico.
3.2.4 Observaciones
El proceso de formado de las probetas se llevó a cabo en varias etapas, primero se
maquinaron las aleaciones Al-Cu 3%, Al-Cu 5%, Al-Cu 1%
2.3 Dureza
Se llevaron a cabo pruebas de microdureza Vickers de muestras de las seis diferentes
aleaciones cada una en tres etapas de su tratamiento termomecánio de deformación, con
estructura de colada, con reducción mecánica del 50% y tratamiento termomecánico.
2.3.1 Proceso
Las diversas muestras fueron preparadas y medidas en un micro durómetro Vickers 633,
de acuerdo a los parámetros adecuados para los ensayos Vickers para metales blandos
se aplicó una carga de 200 g.
Figura 22: Durómetro Vikers 633
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2.3.2 Consideraciones
El ensayo fue basada en la norma ASTM E33, la cual establece el número de mediciones
por probeta y la distancia entre cada indentación.
2.3.3 Recursos disponibles
Se cuenta con un micro durómetro Vickers 633, calibrado a la fecha y con blocks patrones
para comprobar su adecuado funcionamiento.
2.3.4 Descripción y observaciones
El proceso de indentación de las probetas se llevó a cabo en diferentes zonas de la
probeta, para tener una adecuada distribución de las zonas ensayadas y fueran
representativas de las aleaciones Al-Cu 3%, Al-Cu 5%, Al-Cu 1%.
2.4 Ensayos de tensión
Una vez formadas y tratadas las probetas se planearon los experimentos de acuerdo a la
determinación aleatoria sugerida por el diseño experimental. Las probetas fueron
probadas en una máquina de tensión SHIMADZU.
2.4.1 Proceso
Se colocaron las probetas en un dispositivo específico para su geometría y fueron
montadas en las mordazas de la máquina de tensión. Se procedió a generar el programa
con avance de 1mm/min, unidades métricas y puntos de interés para el estudio y se
efectuaron los ensayos.
2.4.2 Consideraciones
Las probetas cuentan con una morfología que parte de una tableta de 4x10x43mm la cual
se maquina por control numérico para aportar un área útil de elongación de 20x4x5mm.
Todas las probetas fueron medidas antes de ser ensayadas para controlar pequeñas
desviaciones en el área ocasionados por su proceso de formado.
2.4.3 Recursos disponibles
Máquina de tensión SHIMADZU, ubicada en los laboratorios de Ciencia de Materiales en
el edificio 6 de la ESIME UA.
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2.4.4 Descripción y observación
Se diseñó un dispositivo para el fácil montaje de las diferentes probetas ensayadas. La
cual consiste básicamente en una base para aumentar el espesor de sujeción.
Figura 23. Vista a detalle de las mordazas en la sujecion de las probetas.
Figura 24. Se muestran las diferentes probetas ensayadas con su identificacion
correspondiente en cuanto al porcentaje de Cu, deformacion y tratameinto termico.
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3. Resultados y Análisis
3.1 Análisis químico
La tabla 9 muestra los resultados del análisis químico realizado vía absorción atómica
correspondiente a las aleaciones fabricadas en el presente trabajo. Se observa que la
composición química real de las aleaciones es cercana a las composiciones nominales
propuestas.
Tabla 9: Composición química nominal de la aleación base Al.
Aleación
% peso
Composición
Nominal(
(% peso)
Al Cu
Composición
Real
(% peso)
Al Cu
Al-1.5%Cu 98.5 1.5 98.3 1.7
Al-3%Cu 97 3.0 96.9 3.1
Al-5%Cu 95 5.0 94.8 5.2
3.2 Micrografías de las muestras de colada y análisis químico.
La figura 25 muestra la micro estructura proveniente de la colada de la aleación base Al
observada por MEB empleando electrones secundarios y retrodispersados para obtener
un contraste superficial y composicional, respectivamente.
Figura 25. Micrografía muestra una estructura dendrítica uniformemente distribuida. Entre las dendritas se presenta la zona gris obscuro es la matriz rica en Al.
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Figura 26. Micrografías y espectro de energía dispersa de MEB, de la muestra colada de la aleación base Al a 1000 magnificaciones y su respectivo microanálisis por EDS
3.3 Tratamiento de homogeneización y solubilizado.
Las muestras provenientes de colada fueron tratadas térmicamente mediante un
homogeneizado a425°Cpor 24h y templadas en agua con hielos aproximadamente a 2°C.
La micrografía de la figura 26 muestra el completo rompimiento de la micro estructura
dendrítica de la aleación de base Al, con una micro estructura de granos equiaxiales con
un tamaño aproximado de 50µm. Adicionalmente, en dicha figura se puede notar la
ausencia de precipitados o partículas de segundas fases, lo cual confirma la formación de
una solución solida sobresaturada de Al.
3.4 Medición de la dureza de las muestras.
En la gráfica de la figura 27se observa que la dureza se incrementa rápidamente cuando
la aleación es homogeneizada se alcanza una dureza elevada, esto se atribuye a que
existe mayor difusión atómica por lo que la homogeneización de la muestra ocurre
rápidamente. La muestra que alcanzo mayor dureza fue la de mayor contenido de Cu. Esto
se asocia a la mayor fracción volumétrica del cobre.
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Figura 27. Curvas del comportamiento de la dureza con respecto a los tratamientos realizados a las aleaciones base Al.
3.5 Tratamientos termomecánicos.
Los tratamientos termomecánicos se llevaron a cabo de lingotes de la aleación base Al
homogenizados a 425°C por 24 h. Los lingotes fueron previamente rectificados para obtener
superficies paralelas. Posteriormente, los lingotes fueron deformados mediante hasta en un
50 % de deformación mínimo.
Las muestras finales para cada lingote fueron laminas con espesores de aproximadamente
3.5 mm, las cuales permitieron manufacturar probetas para ensayo de tensión. Estas fueron
maquinadas en la dirección paralela a la dirección de laminación con un con un ancho de 5
mm y una longitud calibrada de 20 mm. Las dimensiones de la probeta se muestran en la
figura 28.
Colada Homogeneizada Trat. y Def.
20
30
40
50
60
70
80
90
D
ure
za
(H
V)
Condicion de la muestras
1 Cu
3 Cu
5 Cu
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Figura 28.Dimensiones de la probeta utilizada en los ensayos de tensión, cotas en mm.
3.6 Pruebas de Tensión
Después de los tratamiento, se realizó la prueba de tensión a temperatura ambiente, en
una maquina universal Instron Shimatzu con una capacidad nominal de 100 kN y una
velocidad de desplazamiento del cabezal de 0.05 mm / min.
En la figura 29 se observa la gráfica Esfuerzo-Deformación ingenieril para las probetas
de la aleación base Al, todas las pruebas se realizaron en el eje paralelo a la dirección
de laminación, poca ductilidad es la mostrada por esta condición.
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40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
200
400
600
800
1000
1200
(MP
a)
Cu 5% P 20 Colada
Cu 5% P 18 Trat. y Def.
Cu 5% P21 homogeizada
Figura 29. Curva esfuerzo-deformación ingenieril para las probetas de colada, tratada y deformada y homogeneizada de la aleación con 5 % en peso Cu.
Las curvas esfuerzo de formación ingenieril para la aleación procesada a 300 °C y
envejecidas, son presentadas en la figura 30. En este caso la probeta con el mayor
porcentaje deformación es la que alcanza valores de resistencia a la tensión mayor, y la
de menor propiedades mecánicas es la de mayor deformación previa más el tratamiento
de envejecido.
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41
0 10 20 30 40 50
0
200
400
600
800
1000
1200
MP
a)
(%)
Cu 1% P13
Cu 1% P19
Cu 3% P8
Cu 3% P20
Cu 5% P9
Cu 5% P15
Cu 5% P21
Figura 30. Curva esfuerzo-deformación ingenieril para las probetas en las diferentes
condiciones por triplicado en base a norma.
Las curvas esfuerzo de formación ingenieril para la aleación procesada a 400 °C y
envejecidas, son presentadas en la figura 31. El efecto del mayor porcentaje de
deformación es en principio el efecto de presentar mejores propiedades mecánicas entre
las solo deformadas, la que alcanza valores de resistencia a la tensión mayor es la
menos deformada a esta temperatura más el tratamiento de envejecido.
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42
0 10 20 30 40 50
0
200
400
600
800
1000
1200
MP
a)
Cu 1%
Cu 3%
Cu 5%
Figura 31. Curva esfuerzo-deformación ingenieril para la condición de homogeneizado para las tres diferentes composiciones de Cu.
Se realizó un análisis micro estructural de las muestras antes de ser ensayadas,
presentándose zonas homogéneas en cuanto a la composición y morfología de la
estructura que presentan, los granos que se presentan son libres de grandes
segregaciones, sin embargo el tamaño de grano presente no es el que se esperaría para
poder obtener grandes cantidades de deformación a altos niveles de esfuerzo.
La figura 32 presenta las tres diferentes zonas los hombros de la muestra, así como la
zona calibrada.
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Figura 32. Micrografía presentando la probeta y la micro estructura del tratamiento de
homogeneizado después del proceso de colada.
Al realizar los tratamientos termo mecánicos la micro estructura de las probetas
presentan granos equiaxiales y de tamaño menor siendo este tipo de micro estructura
la que mejor comportamiento presenta en el ensaye de tensión. La micro estructura es
más homogénea y morfológicamente muy similar, lo cual se presenta en la figura 33.
Figura 33. Micrografía presentando la probeta y la micro estructura de un tratamiento
termomecánico realizado después del proceso de homogenizado y solubilizado.
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Las probetas después de ser ensayadas se realizaron análisis fractograficos de la
zona de separación final, encontrándose características dúctiles, como son la
formación de cuello y deformación plástica asociada a la zona, lo cual se muestra en
la figura 34.
Figura 34.Fractografías de las probetas ensayadas a tensión con 3 %Cu.
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4 Conclusiones.
Al realizar un estudio sobre la evaluación del comportamiento mecánico en la aleación
base Al se llegó a las siguientes conclusiones:
1. Las muestras con 3 % en peso de Cu son las que presentan las mejores
propiedades mecánicas, esto se debe a la buena dispersión del Cu en el Al, así
como su efecto de reforzamiento.
2. Los valores alcanzados para estas aleaciones son de 800 MPa como esfuerzo
máximo y más de 40 % de reducción.
3. Las muestras al ser homogeneizadas, solubilizadas y tratadas termo
mecánicamente de la aleación base Al presentan una refinación de la micro
estructura.
4. El refinamiento del grano como la coexistencia de la precipitación, se ven
reflejadas en el comportamiento de la dureza del material, sin embargo, la mayor
contribución al endurecimiento de la aleación se atribuye a la deformación por
laminación.
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BIBLIOGRAFIA
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Barcelona, 2001 Vol2.
Beer, Ferdinand. Mecánica de Materiales Tercera edición. Editorial Mc Graw Hill,
México 2004
Castillo C. Carlos. Diagramas de Fase para dos y tres Componentes, Universidad
de Chile. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Chile, 2000.
Mendoza, Julio. Ensayo de tracción en metales, Universidad Tecnológica de
Bolívar, Colombia 2006.
Sidney H, Avner introducción a la metalurgia física, 2ª edición Ed. Mc Graw Hill
1998
Donald R. Askeland. La ciencia e ingeniería de los materiales Ed. Grupo editorial
iberoamericana 1987.
William F. Smith, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales Ed. Mc.
Graw Hill 2ª edición 1993.
