Capitulo 6 metalurgia fisica y mecanica
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UNIDAD 6 FENOMENOS DE ENDURECIMIENTO
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UNIDAD 6
FENOMENOS DE
ENDURECIMIENTO
1. INTRODUCCIÓN
• Por disminución tamaño de grano
• Por solución sólida
• Por deformación
• Por dispersión de partículas de segunda fase
Por precipitación
Por dispersión
Actualmente los materiales son sometidos a altas exigencias, por ello se
requiere que los materiales tengas las propiedades requeridas para cumplir los
estándares exigidos. Del punto de vista mecánico, se necesitan materiales con
elevadas resistencia y ductilidad.
El presente capitulo expondrá brevemente los mecanismos para aumentar la
resistencia de los materiales.
1. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
Wilm 1906 descubrió el endurecimiento por envejecimiento
La aleación 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 venía de la aparición de precipitados submicroscópicos
Andrés Guinier George Preston
Etapas del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación
a)Tratamiento térmico (solubilización)
La muestra, que puede estar en
forma de fundición o forja, se calienta
a una temperatura entre la línea
solvus y solidus (T), Se deja el
metal a esta temperatura hasta
obtener una solución sólida
homogénea y uniforme en la
disolución sólida
b) Temple
La muestra se enfría
rápidamente a baja
temperatura, generalmente
a temperatura ambiente y el
medio de enfriamiento
habitualmente es agua. La
estructura de la muestra de
aleación después del
temple en agua, consiste
en una disolución sólida
sobresaturada
c) Envejecimiento
Primero, es necesario formar los orígenes de precipitados finamente
dispersos, proceso llamado nucleación. Siguiendo la nucleación, los
nucleos de precipitados crecen en tamaño como resultado de la difusión
del elemento B desde los alrededores hacia las partículas nucleadas.
Esto se denomina crecimiento. No puede producirse precipitación hasta
que comienza la nucleación, pero una vez comenzada ésta, la solución
sólida puede perder átomos B en dos formas, bien por el crecimiento de
las partículas ya formadas o en la formación de núcleos adicionales. En
otras palabras, la nucleación puede continuar simultáneamente con el
crecimiento de las partículas previamente formadas.
Cantidad de precipitado como una función del tiempo de una aleación Fe-C (0,018% C) dejada precipitar desde una solución sobresaturada a 76ºC
La precipitación,
generalmente requiere un
tiempo determinado antes de
ser detectable (periodo de
incubación, t0 )
t 0 representa el tiempo
necesario para formar núcleos
estables visibles.
La curva muestra también
que el proceso de precipitación
termina muy lentamente, un
efecto que debe esperarse en
vista de la pérdida continuada
de soluto desde la solución.
La velocidad a la que se produce la precipitación varía con la
temperatura:
Tiempo para formar 100% de precipitado en una aleación sobresaturada.
A temperaturas bajas, se requiere tiempos más largos para completar la
precipitación debido a que la velocidad de difusión es muy lenta. Aquí, la
velocidad de la reacción es controlada por la velocidad a que pueden emigrar
los átomos.
La velocidad de precipitación es muy lenta también a temperaturas
justamente por debajo de la línea de solubilidad . En este caso, la solución sólo
está ligeramente sobresaturada y la disminución en la energía libre resultante
de la precipitación es muy pequeña. En consecuencia, la nucleación es lenta y
la precipitación es controlada por la velocidad a la cual se forman los núcleos.
A temperaturas intermedias, entre los dos extremos antes mencionados, la
velocidad de precipitación aumenta a lo máximo, así que el tiempo para
completar la precipitación es muy corto. En este rango, la combinación de
difusión y nucleación moderadas, forman una rápida precipitación.
Efecto del tiempo de envejecimiento sobre la resistencia y la dureza de una
aleación
Cambio en la dureza durante el tratamiento de envejecimiento. La
aleación es hierro 0,015% C, y la temperatura de envejecimiento 90ºC.
Esquema de la curva de envejecimiento (resistencia o dureza frente al
tiempo) a una temperatura determinada para una aleación endurecible por
precipitación
Efecto de la temperatura de envejecimiento sobre la resistencia o dureza de una aleación
Efecto de la temperatura sobre las curvas de envejecimiento durante el endurecimiento por precipitación de una acero de 0,06% de C.
La forma de la curva de envejecimiento es primordialmente una función de dos variables: la temperatura a la que ocurre el envejecimiento y la composición del metal.
Efecto de la composición sobre la curva de envejecimiento:
- Para bajas concentraciones de soluto, el grado de sobresaturación es
pequeño, por lo tanto menor es la fuerza impulsora, lo que dificulta la
nucleación de la segunda fase y el endurecimiento ocurre lentamente a
temperaturas constantes, por lo tanto menor será la dureza máxima que se
puede obtener.
- El aumento de la concentración de soluto hace posible una dureza máxima
mayor, para una temperatura de envejecimiento dada. A más soluto
disponible, mayor cantidad de precipitado se forma a tiempos menores, ya
que aumenta la velocidad de nucleación y de crecimiento. La velocidad de
nucleación se eleva debido a la gran diferencia de energía libre entre los
estados sobresaturados y de equilibrio
Nucleación de precipitados
Nucleación Heterogénea: Una partícula de precipitado puede ser
nucleada en un defecto reticular interno tal como: dislocaciones, nudos de
dislocación (intersección de dos o más dislocaciones), partículas de
impureza, o discontinuidades en los límites de granos.
Nucleación Homogénea: Es la formación espontánea de núcleos a
través de las fluctuaciones de composición de soluto que se agrupan en la
red de la matriz y comienza el crecimiento de una partícula de segunda
fase en que de otra forma sería un cristal perfecto. La dificultad principal
en el modo de formar núcleos homogéneamente se relaciona con la
superficie que debe crearse cuando se nuclea una partícula de segunda
fase.
GG)r(G )(v
En general, el cambio de energía libre requerida para formar un
núcleo sólido esférico puede expresarse como:
La condición necesaria para la formación de un núcleo estable es:
Supongamos el crecimiento de un núcleo esférico:
0r
)r(G
22
31)( rArArG
Energía libre de una partícula de precipitado en función de su radio
Efecto de la temperatura de precipitación sobre la energía libre de una partícula de precipitado en función de su radio
Zonas de Guinier-Preston
Una aleación en la condición de solución sólida sobresaturada se
encuentra en un estado de energía elevado. Este estado de energía es
relativamente inestable y la aleación tiende a buscar un estado de menor
energía por la descomposición espontánea de la solución sobresaturada
en fases metaestables o en fases de equilibrio.
Precipitación en aleaciones Al – 4% Cu
La secuencia del tratamiento térmico para el endurecimiento de la aleación es:
Tratamiento térmico de
solubilización: la aleación se
solubiliza aproximadamente
a 515 ºC.
Temple: la aleación se
enfría rápidamente en agua.
Envejecimiento: se
envejece artificialmente en el
intervalo de temperatura
entre 130 y 190 ºC
En esta aleación se pueden identificar cuatro estructuras secuenciales:
4`
3"
210 GPzonas
Zonas GP: precipitados tetragonales coherentes que se forman a bajas
temperaturas y se crean por la segregación de átomos de Cu en la solución
sobresaturada . Consisten en regiones segregadas en forma de discos de
pocos átomos de espesor (0,4 – 0,6 nm) y de 8 a 10 nm de diámetro
Zonas GP2 (fase ”): estructuras tretragonal, coherentes con la familia de
planos 100 de la matriz. Su tamaño varía entre 1 4 nm de espesor y un diámetro
entre 10 y 100 nm.
Fase ` : esta fase tretagonal nuclea heterogéneamente, 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
composición 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.
Comparación esquemática de (a) un precipitado coherente y (b) un
precipitado incoherente. El precipitado coherente va asociado a una
elevada energía de deformación y baja energía superficial y el
incoherente va asociado a una baja energía de deformación y una
elevada energía superficial
(a) La barrera de energía de activación para la formación de cada fase de transición es
menor comparada con la energía de activación necesaria para formar directamente el
precipitado estable
(b) Diagrama esquemático de la energía libre de la aleación en función del tiempo
Micrografías mostrando los sitios de
nucleación en en aleaciones Al – Cu
()” `, ` nuclea en las
dislocaciones (x 70000)
(b) nuclea en los borde de grano de
las zonas GP (x 56000)
(c) ` , nuclea in la interfase
`/matriz (x 70000)
(a) Líneas solvus metaestables el aleaciones Al – Cu (b) Tiempo para
comenzar la precipitación a diferentes temperaturas de la aleación X
Endurecimiento
versus tiempo
para varias
aleaciones Al-Cu
(a)130 ºC
(b) 190 ºC
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
aleación y el volumen del precipitado.
En general, puede decirse que el aumento en la dureza es sinónimo
del aumento en la dificultad de mover las dislocaciones.
Se puede dividir la interacción partícula dislocación:
- Enlazar partículas- Cortar Partículas
Enlazar partículas
Cortar Partículas
intercarasEnergía
Energía de antifase: 100-300 ergs/cm2
Energía de fase coherente: 10-30 ergs/cm2
1 erg dina por centímetro1 erg = 10−7 joule
Ejercicio 1:¿Cómo se explican los siguientes gráficos?
ACERO SAE 1020
Esfuerzo de fluencia = 294 Mpa (42750 psi)Esfuerzo Máximo = 394 Mpa (57200 psi)Densidad = 7.87 g/cm3
ACERO SAE 1040
Esfuerzo de fluencia = 353 Mpa (51250 psi)Esfuerzo Máximo = 519 Mpa (75250 psi)Densidad = 7.87 g/cm3
Densidad Al = 2,7 g/cm3
ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN
Son un tipo especial de materiales los cuales contienen sólidos en dispersión (dispersoides).
DISPERSOIDE: partículas que bloquean el movimiento de las dislocaciones. Aumentan el endurecimiento. (óxidos metálicos).
Característica: Baja solubilidad en la matriz no reaccione químicamente.No existe redisolución de los precipitados
Documento a revisar:http://cabierta.uchile.cl/revista/6/al2o3-of.htm
20μm.
Microstructures of Al2O3/Cu composite with different contents of Al2O3 (a) 0.4 wt%
ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
Efectos:
Distribución de los átomos en solución.
Cluster
2 Dislocaciones
Si el deslizamiento produce un incremento en la energía superficial, se requerirá un mayor esfuerzo para realizar este deslizamiento.
Efecto de la diferencia de tamaños atómicos.La dureza varía directamente con la diferencia de tamaños entre el átomo solvente y soluto.
La introducción de un átomo dentro de la estructura cristalina (intersticial o subsitucionalmente) invariantemente produce una aleación la cual presenta mayor resistencia que el metal puro.
Distribución de los átomos en solución.
Atmósferas de Cotrell Strain Aging
ENDURECIMIENTO POR TAMAÑO DE GRANO
La mayoría de los materiales siguen la relación de Hall-Petch, dada por la ecuación siguiente, donde ys es el esfuerzo de fluencia con un tamaño de grano pequeño,0 el esfuerzo de fluencia con un tamaño de grano grande, d el tamaño de grano y K una constante.
1 20
/ys Kd
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 DEFORMACIÓN
Endurecimiento por deformación es un importante proceso industrial que es usado para endurecer metales o aleaciones que no responden a tratamientos térmicos.
Ao = área inicialAf = área final
