UNIDAD 6 FENOMENOS DE ENDURECIMIENTO

1. INTRODUCCIN Por disminucin tamao de grano Por solucin slida Por deformacin Por dispersin de partculas de segunda fasePor precipitacinPor dispersin

Actualmente los materiales son sometidos a altas exigencias, por ello se requiere que los materiales tengas las propiedades requeridas para cumplir los estndares exigidos. Del punto de vista mecnico, se necesitan materiales con elevadas resistencia y ductilidad.El presente capitulo expondr brevemente los mecanismos para aumentar la resistencia de los materiales.

1. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIN

Wilm 1906 descubri el endurecimiento por envejecimiento

La aleacin de Wilm fue producida comercialmente en 1911 con el nombre de DURALUMINIO (4,4 % Cu, 1,5 % Mg, o,6 % Mn resto Al)

Merica dedujo acertadamente que la fuente del aumento de dureza vena de la aparicin de precipitados submicroscpicos

Andrs GuinierGeorge Preston

Etapas del tratamiento trmico de endurecimiento por precipitacin

Tratamiento trmico (solubilizacin)La muestra, que puede estar en forma de fundicin o forja, se calienta a una temperatura entre la lnea solvus y solidus (T), Se deja el metal a esta temperatura hasta obtener una solucin slida homognea y uniforme en la disolucin slida

b) Temple

La muestra se enfra rpidamente a baja temperatura, generalmente a temperatura ambiente y el medio de enfriamiento habitualmente es agua. La estructura de la muestra de aleacin despus del temple en agua, consiste en una disolucin slida sobresaturada

c) Envejecimiento

Primero, es necesario formar los orgenes de precipitados finamente dispersos, proceso llamado nucleacin. Siguiendo la nucleacin, los nucleos de precipitados crecen en tamao como resultado de la difusin del elemento B desde los alrededores hacia las partculas nucleadas. Esto se denomina crecimiento. No puede producirse precipitacin hasta que comienza la nucleacin, pero una vez comenzada sta, la solucin slida puede perder tomos B en dos formas, bien por el crecimiento de las partculas ya formadas o en la formacin de ncleos adicionales. En otras palabras, la nucleacin puede continuar simultneamente con el crecimiento de las partculas previamente formadas.

Cantidad de precipitado como una funcin del tiempo de una aleacin Fe-C (0,018% C) dejada precipitar desde una solucin sobresaturada a 76C La precipitacin, generalmente requiere un tiempo determinado antes de ser detectable (periodo de incubacin, t0 ) t 0 representa el tiempo necesario para formar ncleos estables visibles. La curva muestra tambin que el proceso de precipitacin termina muy lentamente, un efecto que debe esperarse en vista de la prdida continuada de soluto desde la solucin.

La velocidad a la que se produce la precipitacin vara con la temperatura: Tiempo para formar 100% de precipitado en una aleacin sobresaturada.

A temperaturas bajas, se requiere tiempos ms largos para completar la precipitacin debido a que la velocidad de difusin es muy lenta. Aqu, la velocidad de la reaccin es controlada por la velocidad a que pueden emigrar los tomos. La velocidad de precipitacin es muy lenta tambin a temperaturas justamente por debajo de la lnea de solubilidad . En este caso, la solucin slo est ligeramente sobresaturada y la disminucin en la energa libre resultante de la precipitacin es muy pequea. En consecuencia, la nucleacin es lenta y la precipitacin es controlada por la velocidad a la cual se forman los ncleos. A temperaturas intermedias, entre los dos extremos antes mencionados, la velocidad de precipitacin aumenta a lo mximo, as que el tiempo para completar la precipitacin es muy corto. En este rango, la combinacin de difusin y nucleacin moderadas, forman una rpida precipitacin.

Efecto del tiempo de envejecimiento sobre la resistencia y la dureza de una aleacinCambio en la dureza durante el tratamiento de envejecimiento. La aleacin es hierro 0,015% C, y la temperatura de envejecimiento 90C.

Esquema de la curva de envejecimiento (resistencia o dureza frente al tiempo) a una temperatura determinada para una aleacin endurecible por precipitacin

Efecto de la temperatura de envejecimiento sobre la resistencia o dureza de una aleacin Efecto de la temperatura sobre las curvas de envejecimiento durante el endurecimiento por precipitacin de una acero de 0,06% de C.La forma de la curva de envejecimiento es primordialmente una funcin de dos variables: la temperatura a la que ocurre el envejecimiento y la composicin del metal.

Efecto de la composicin sobre la curva de envejecimiento:

- Para bajas concentraciones de soluto, el grado de sobresaturacin es pequeo, por lo tanto menor es la fuerza impulsora, lo que dificulta la nucleacin de la segunda fase y el endurecimiento ocurre lentamente a temperaturas constantes, por lo tanto menor ser la dureza mxima que se puede obtener.- El aumento de la concentracin de soluto hace posible una dureza mxima mayor, para una temperatura de envejecimiento dada. A ms soluto disponible, mayor cantidad de precipitado se forma a tiempos menores, ya que aumenta la velocidad de nucleacin y de crecimiento. La velocidad de nucleacin se eleva debido a la gran diferencia de energa libre entre los estados sobresaturados y de equilibrio

Nucleacin de precipitadosNucleacin Heterognea: Una partcula de precipitado puede ser nucleada en un defecto reticular interno tal como: dislocaciones, nudos de dislocacin (interseccin de dos o ms dislocaciones), partculas de impureza, o discontinuidades en los lmites de granos.

Nucleacin Homognea: Es la formacin espontnea de ncleos a travs de las fluctuaciones de composicin de soluto que se agrupan en la red de la matriz y comienza el crecimiento de una partcula de segunda fase en que de otra forma sera un cristal perfecto. La dificultad principal en el modo de formar ncleos homogneamente se relaciona con la superficie que debe crearse cuando se nuclea una partcula de segunda fase.

En general, el cambio de energa libre requerida para formar un ncleo slido esfrico puede expresarse como:La condicin necesaria para la formacin de un ncleo estable es:

Supongamos el crecimiento de un ncleo esfrico:

Energa libre de una partcula de precipitado en funcin de su radio

Efecto de la temperatura de precipitacin sobre la energa libre de una partcula de precipitado en funcin de su radio

Zonas de Guinier-Preston

Una aleacin en la condicin de solucin slida sobresaturada se encuentra en un estado de energa elevado. Este estado de energa es relativamente inestable y la aleacin tiende a buscar un estado de menor energa por la descomposicin espontnea de la solucin sobresaturada en fases metaestables o en fases de equilibrio.

Precipitacin en aleaciones Al 4% Cu

La secuencia del tratamiento trmico para el endurecimiento de la aleacin es:

Tratamiento trmico de solubilizacin: la aleacin se solubiliza aproximadamente a 515 C. Temple: la aleacin se enfra rpidamente en agua. Envejecimiento: se envejece artificialmente en el intervalo de temperatura entre 130 y 190 C

En esta aleacin se pueden identificar cuatro estructuras secuenciales:

Zonas GP: precipitados tetragonales coherentes que se forman a bajas temperaturas y se crean por la segregacin de tomos de Cu en la solucin sobresaturada . Consisten en regiones segregadas en forma de discos de pocos tomos de espesor (0,4 0,6 nm) y de 8 a 10 nm de dimetro Zonas GP2 (fase ): estructuras tretragonal, coherentes con la familia de planos 100 de la matriz. Su tamao vara entre 1 4 nm de espesor y un dimetro entre 10 y 100 nm. Fase ` : esta fase tretagonal nuclea heterogneamente, especialmente en las dislocaciones y es incoherente con la matriz. El espesor es de 10 a 50 nm Fase : la fase de equilibrio es incoherente con la matriz y tiene una composicin CuAl2 Esta fase tiene una estructura BCT (a = 0,607 nm, c = 0,487 nm) y se forma a partir de ` o directamente de la matriz.

Comparacin esquemtica de (a) un precipitado coherente y (b) un precipitado incoherente. El precipitado coherente va asociado a una elevada energa de deformacin y baja energa superficial y el incoherente va asociado a una baja energa de deformacin y una elevada energa superficial

La barrera de energa de activacin para la formacin de cada fase de transicin es menor comparada con la energa de activacin necesaria para formar directamente el precipitado estable Diagrama esquemtico de la energa libre de la aleacin en funcin del tiempo

Micrografas mostrando los sitios de nucleacin en en aleaciones Al Cu `, ` nuclea en las dislocaciones (x 70000) nuclea en los borde de grano de las zonas GP (x 56000) ` , nuclea in la interfase `/matriz (x 70000)

(a) Lneas solvus metaestables el aleaciones Al Cu (b) Tiempo para comenzar la precipitacin a diferentes temperaturas de la aleacin X

Endurecimiento versus tiempo para varias aleaciones Al-Cu 130 C 190 C

Mecanismos de endurecimientos

la dureza es inversamente proporcional al espacio medio entre precipitados.

La dureza disminuye si el precipitado crece durante el envejecimiento

La dureza aumenta cuando aumenta el porcentaje de soluto en la aleacin y el volumen del precipitado.

En general, puede decirse que el aumento en la dureza es sinnimo del aumento en la dificultad de mover las dislocaciones.

Se puede dividir la interaccin partcula dislocacin:

- Enlazar partculas- Cortar Partculas

Enlazar partculas

Cortar PartculasintercarasEnergaEnerga de antifase: 100-300 ergs/cm2Energa de fase coherente: 10-30 ergs/cm2

1 erg dina por centmetro1 erg = 107 joule

Ejercicio 1:Cmo se explican los siguientes grficos?

ACERO SAE 1020

Esfuerzo de fluencia = 294 Mpa (42750 psi)Esfuerzo Mximo = 394 Mpa (57200 psi)Densidad = 7.87 g/cm3ACERO SAE 1040

Esfuerzo de fluencia = 353 Mpa (51250 psi)Esfuerzo Mximo = 519 Mpa (75250 psi)Densidad = 7.87 g/cm3Densidad Al = 2,7 g/cm3

ENDURECIMIENTO POR DISPERSINSon un tipo especial de materiales los cuales contienen slidos en dispersin (dispersoides).DISPERSOIDE: partculas que bloquean el movimiento de las dislocaciones. Aumentan el endurecimiento. (xidos metlicos).Caracterstica: Baja solubilidad en la matriz no reaccione qumicamente.No existe redisolucin de los precipitados

Documento a revisar:http://cabierta.uchile.cl/revista/6/al2o3-of.htm20m.Microstructures of Al2O3/Cu composite with different contents of Al2O3 (a) 0.4 wt%

ENDURECIMIENTO POR SOLUCIN SLIDAEfectos:

Distribucin de los tomos en solucin. Cluster 2 Dislocaciones Si el deslizamiento produce un incremento en la energa superficial, se requerir un mayor esfuerzo para realizar este deslizamiento. Efecto de la diferencia de tamaos atmicos.La dureza vara directamente con la diferencia de tamaos entre el tomo solvente y soluto.La introduccin de un tomo dentro de la estructura cristalina (intersticial o subsitucionalmente) invariantemente produce una aleacin la cual presenta mayor resistencia que el metal puro.

Distribucin de los tomos en solucin. Atmsferas de Cotrell Strain Aging

ENDURECIMIENTO POR TAMAO DE GRANOLa mayora de los materiales siguen la relacin de Hall-Petch, dada por la ecuacin siguiente, donde ys es el esfuerzo de fluencia con un tamao de grano pequeo,0 el esfuerzo de fluencia con un tamao de grano grande, d el tamao de grano y K una constante.1. E.O.Hall, Proc. Phys. Soc., Ser. B, Vol. 64, pp. 747-753, (1951).2. N.J.Petch, J. Iron and Steel Institute, pp. 25-28, May 1953.

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACINEndurecimiento por deformacin es un importante proceso industrial que es usado para endurecer metales o aleaciones que no responden a tratamientos trmicos.Ao = rea inicialAf = rea final