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50 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 23 N°1, 50 - 58. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y MICROESTRUCTURALES DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ALUMINIO REFORZADO CON PARTÍCULAS CERÁMICAS DE B"C, DESARROLLADOS POR PULVIMETALURGICA . ., 1 .,2 2 2 ., 2 L. Gomez , V. Amigo, M. Salvador, D. Busquets y N. Martínez . 1. Departamento de Ciencia y Tecnología Universidad Nacional Experimental de Guayana, Puerto Ordaz, 8015A, Venezuela. 2. Departamento de Ingeniería Mecánica y de los Materiales Universidad.Politécnica de Valenci Camino de Vera s/n, 46022, Valencia, España. Resumen. A partir de polvos de aleación de aluminio AA6061, empleada como matriz y polvos cerárnicos de carb.uro de bo (B4C), utilizados como refuerzo, se han desarrollado materiales compuestos por vía pulvimetalúrgica, seguida de proceso de extrusión. Los resultados obtenidos de los ensayos mecánicos muestran un aumento significativo en 1 resistencia mecánica y en la dureza con el incremento en las fracciones volumétricas del refuerzo empleado, sobre tod para aquellas muestras tratadas térrnicamente, en las cuales, el endurecimiento por precipitación juega también un papel importante. Se comparan los valores de la resistencia máxima de los AMCs reforzados con B 4 C con aquellos reforzado con SiC en los cuales el efecto de las partículas de refuerzo sobre el endurecimiento es bien conocido. Los mecanismos de fractura, la distribución de refuerzos y la unión matriz-refuerzo, entre otros aspecto microestructurales de estos materiales, se han analizado mediante Micrd'scopía Óptica (MO) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB. Palabras Clave: Pulvimetalurgia, Extrusión, Compuestos de matriz de aluminio, refuerzo, B4C, SiC. Abstract. AA6061 based aluminum matrix composites reinforced with boron carbide (B4C) have been developed by a combined powder metallurgy and extrusion route. Mechanical testing on the composites showed a meaningful increase in hard- ness and strength as the reinforcement content was increased, both in the as extruded condition and after precipitation heat treatment on the matrix (T6). Ultimate tensile strength values of the B S composites developed are compared with composites reinforced with SiC and processed in the same way, as in these last one have been extensively researched and the effect of SiC reinforcement on mechanical properties is well known. Finally, fracture mechanisms, reinforcement distribution and matrix-reinforcement interface, among other microstructural aspects in these materials, have been ana- lyzed by means of optical (OM) and scanning electron microscopy (SEM). Keywords: Powder metallurgy, Extrusion, Aluminum matrix composites, B 4 C & SiC reinforcements. 1. Introducción. Los materiales compuestos representan una tecnología emergente con una amplia lista de composiciones y de potenciales aplicaciones y como consecuencia, un progresivo mercado[1, 2]. Por sus características, estos materiales han despertado un gran interés en el área industrial y de manufactura de materiales estructurales, sobre todo en aplicaciones aeroespaciales, automotriz y electrónica [3-11], entre otras. Así mismo, la obtención de propiedades difíciles de conseguir en materiales mediante procesos convencionales (colada o deformación), ha incentivado los estudios de materiales compuestos obtenidos vía pul vi metalúrgica, de manera importante. Entre estos materiales se encuentran aquellos cuya matriz es el aluminio (AMCs) y como otros materiales compuestos, pueden ser fabricados por vía pulvimetalúrgica, por proceso de aleación mecánica, por deposición por spray de partículas de refuerzo o por técnicas de colada [12-15].

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50 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1, 50 - 58.

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y MICROESTRUCTURALES DEMATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ALUMINIO REFORZADO

CON PARTÍCULAS CERÁMICAS DE B"C, DESARROLLADOS PORPULVIMETALURGICA .

., 1 • .,2 2 2 ., 2L. Gomez , V. Amigo, M. Salvador, D. Busquets y N. Martínez .

1. Departamento de Ciencia y Tecnología Universidad Nacional Experimental de Guayana,Puerto Ordaz, 8015A, Venezuela.

2. Departamento de Ingeniería Mecánica y de los Materiales Universidad.Politécnica de ValenciCamino de Vera s/n, 46022, Valencia, España.

Resumen.

A partir de polvos de aleación de aluminio AA6061, empleada como matriz y polvos cerárnicos de carb.uro de bo(B4C), utilizados como refuerzo, se han desarrollado materiales compuestos por vía pulvimetalúrgica, seguida deproceso de extrusión. Los resultados obtenidos de los ensayos mecánicos muestran un aumento significativo en 1resistencia mecánica y en la dureza con el incremento en las fracciones volumétricas del refuerzo empleado, sobre todpara aquellas muestras tratadas térrnicamente, en las cuales, el endurecimiento por precipitación juega también un papelimportante. Se comparan los valores de la resistencia máxima de los AMCs reforzados con B4C con aquellos reforzadocon SiC en los cuales el efecto de las partículas de refuerzo sobre el endurecimiento es bien conocido.

Los mecanismos de fractura, la distribución de refuerzos y la unión matriz-refuerzo, entre otros aspectomicroestructurales de estos materiales, se han analizado mediante Micrd'scopía Óptica (MO) y Microscopía Electrónicade Barrido (MEB.

Palabras Clave: Pulvimetalurgia, Extrusión, Compuestos de matriz de aluminio, refuerzo, B4C, SiC.

Abstract.

AA6061 based aluminum matrix composites reinforced with boron carbide (B4C) have been developed by a combinedpowder metallurgy and extrusion route. Mechanical testing on the composites showed a meaningful increase in hard-ness and strength as the reinforcement content was increased, both in the as extruded condition and after precipitationheat treatment on the matrix (T6). Ultimate tensile strength values of the BS composites developed are compared withcomposites reinforced with SiC and processed in the same way, as in these last one have been extensively researchedand the effect of SiC reinforcement on mechanical properties is well known. Finally, fracture mechanisms, reinforcementdistribution and matrix-reinforcement interface, among other microstructural aspects in these materials, have been ana-lyzed by means of optical (OM) and scanning electron microscopy (SEM).

Keywords: Powder metallurgy, Extrusion, Aluminum matrix composites, B4C & SiC reinforcements.

1. Introducción.

Los materiales compuestos representan una tecnologíaemergente con una amplia lista de composiciones y depotenciales aplicaciones y como consecuencia, un progresivomercado[1, 2]. Por sus características, estos materiales handespertado un gran interés en el área industrial y demanufactura de materiales estructurales, sobre todo enaplicaciones aeroespaciales, automotriz y electrónica [3-11],entre otras. Así mismo, la obtención de propiedades difíciles

de conseguir en materiales mediante procesosconvencionales (colada o deformación), ha incentivado losestudios de materiales compuestos obtenidos víapul vi metalúrgica, de manera importante. Entre estosmateriales se encuentran aquellos cuya matriz es el aluminio(AMCs) y como otros materiales compuestos, pueden serfabricados por vía pulvimetalúrgica, por proceso de aleaciónmecánica, por deposición por spray de partículas de refuerzoo por técnicas de colada [12-15].

L. Gáme: y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y}V1iiteriales. -

La utilización de la aleación envejecible AA6061 comotriz, se fundamenta en-el hecho de que esta aleación po- .una excelente relación resistencia/peso o resistencia es-ífica y buena resistencia a la corrosión, entre otras pro-ades mecánicas aceptables [16-l7]. Además, con el tra-iento de envejecimiento artificial se consigue para esta.z, un aumento de propiedades mecánicas muy notable;

resistencia a la rotura es elevada por efecto de endureci-iento por la formación de precipitados coherentes aciculares

I ] (~"), combinado con endurecimiento por dispersión de-xidos procedentes de la superficie oxidada de los polvos

e han sido procesados. Por otro lado, la adición de partí-:n1as de refuerzo puede ejercer una influencia importante en

procesos de precipitación que tienen lugar durante elendurecimiento por tratamientos térmicos de solubilización

la matriz, debido a los campos tensionales en la interfasetriz-refuerzo, que se crean en este proceso o durante la

fabricación misma, como consecuencia de los distintos co-eficientes de expansión térmica que poseen tanto la matrizcomo el refuerzo. También es importante el efecto del refuer-zo como núcleo para el crecimiento de granos durante larecristalización dependiendo esto a su vez de la mojabilidadmutua en la interfase, de la distribución y cantidad de refuer-zo y del tamaño de estos [19-25].

La elección del carburo de boro como refuerzo, tieneu principal motivo en que este material posee uno de los

más altos índices que describen el rendimiento del mate-rial y que discriminan la combinación de propiedades quemaximizan la ejecución de una función de acuerdo a loscriterios de selección, presentados por Ashby [26].Adicionalmente, el B4C, posee la más alta dureza conocidadespués del diamante, del nitruro de boro cúbico y delóxido de bor027.28. Adicionalmente, presenta buenaspropiedades de oxidación en el aire por encima de los 602C y un punto de ebullición de 2497 °C

Entre otras aplicaciones, los materiales compuestosde matriz aluminio reforzados con B4C, pueden ser usadosen materiales deportivos, tren de aterrizaje de aviones ysustratos para discos de almacenaje.

En este trabajo, se presenta un análisis de lasaracterísticas mecánicas y microestructurales que

ofrecen los materiales compuestos de matriz de aluminioAMC's) reforzados con carburo de boro desarrollados

por vía pulvimetalúrgica, seguida de un proceso deextrusión.

Experimental.

Los AMCs desarrollados, consisten en una matriz deolvos de aleación de aluminio cuya composiciónorresponde a la aleación de forja AA6061 (1.04% Mg,

0.63% Si, 0.23% Cu, 0.21 % Cr), según la designación deAluminum Association. Los polvos de esta aleación

fueron obtenidos por atomización con un tamaño deartícula <75 11my fueron suministrados por Aluminium

Powder Co. Ltd. de West Midlands, Inglaterra. Como

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refuerzos, se emplearon partículas de B4C en fraccionesde 2,5; 7;5.y 12,5 % en volumen, con una distribución detamaño de grano medio de 17 11m. Este polvo fuesuministrado por Alfa Aesar Company, Alemania.

La morfología de las partículas que conforman el polvode la aleación de aluminio indica que éstas fueronobtenidas por atomización por gas, mientras que el polvode B4C, es obtenido por síntesis por reacción, tal como sepuede observar en la figura 1.

Fig. L Micrografía por SEM de las partículas de los polvosde a) Aleación AA6061 y b) Carburo de boro.

Las distintas combinaciones volumétricas de polvos fue-ron sometidas a mezcla de alta energía a 90 rpm, por 2 horasen un molino de bolas de alúmina con una razón de carga de25:1-

Tras un prensado uniaxial a 250 Mpa, de los polvospreviamente mezclados, se obtuvieron compactos congeometría cilíndrica de 25 mm de diámetro y unos 30 mmde longitud, los cuales, una vez lubricados superficial-mente con grafito, se calentaron a 530°C durante Vz horay luego sometidos a extrusión directa con una carga de25 ton en una matriz de relación de extrusión de 25: l. Coneste proceso se obtienen barras cilíndricas de aproxima-damente 500 mm de longitud y 5 mm de diámetro.

Aunque el material ha sido sometido previamente aun calentamiento antes de la extrusión, lo cual puede pro-

52 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°].

ducir cierta solubilización de la matriz, se ha consideradoel estado TI como aquel en el cual está el material tras laextrusión en caliente y enfriado en aire quieto. Por otrolado, un conjunto de muestras fue sometido a tratamien-to térmico de envejecimiento T6; mediante unasolubilización a 530 °Cdurante I hora, temple en agua yposterior envejecimiento durante 8 h a 175 "C.

Los ensayos de tracción se realizaron en una prensauniversal de ensayos INSTRON 4204, a una velocidad decruceta de 2,5 mm/min,sobre probetas cilíndricas de 60mm de longitud total las cuales fueron maquinadas en suzona central hasta lograr un diámetro de 4 mm, con unalongitud calibrada de 20 mm para mantener la relación LID = 5 de acuerdo con la norma ASTM E8M-98A [29].

Las cargas aplicadas y los desplazamientos fueronregistrados mediante ordenador, obteniéndose tresparámetros fundamentales: resistencia a la tracción,tensión a la rotura y el alargamiento.

Para observar la evolución de la dureza a lo largo deltratamiento -de endurecimiento por precipitación, sellevaron a cabo ensayos de microdureza Vickers, en zo-nas determinadas de la matriz. El aparato utilizado en estecaso fue un durómetro Matsuzawa MHT2. En todos loscasos los ensayos fueron realizados sobre muestras delmaterial en estado de pulido con una carga de 200 gfdurante 15 s. Adicionalmente, se obtuvieron medidas dela dureza de los AMCs, mediante un durómetro portátilErnst en la escala HV aplicando una carga de 5 kp.

La caracterización microestructural se realizó mediantemicroscopía óptica con un microscopio Nikon MicrophotFX y mediante microscopía electrónica de barrido en unmicroscopio JEOL JSM 6300 equipado con unamicrosonda de análisis por energías dispersivas de rayosX Link de Oxford Instruments, Las fracturas resultantesde los ensayos de tracción, se observaron mediantemicroscopía electrónica de barrido, con el objeto deanalizar su morfología, mecanismos de fractura presentesy las condiciones de las uniones en las interfaces matriz-refuerzo.

3. Resultados y Discusión

Mediante la extrusión de los compactos en verde, lasbarras cilíndricas obtenidas mostraron una distribuciónhomogénea de las partículas cerámicas en la matriz dealuminio, dando indicación de que procedimiento de mezclaseguido, ha sido efectivo. Por otra parte, las barras extruidaspresentan un estado de libre porosidad. En las micrografíasde la figura 2, obtenidas mediante microscopía óptica, semuestran los cortes transversales de los extruidos obtenidospara las diferentes fracciones volumétricas de refuerzo,mientras que en la figura 3, se muestran estos mismos cortesvistos bajo microscopía electrónica de barrido.

Fig. 2. Micrografías MO de la sección transversal de las varillasextruídas de (a) 6061/B,C/2.5p, (b) 6061/ B,Cn.5p y (c) 6061/B.C/12.5p

Los parámetros resistentes obtenidos en los ensayosde tracción, de los materiales compuestos fabricados porextrusión, tales como la resistencia máxima y la carga derotura, tienen un incremento en función del tratamientotérmico y del contenido de refuerzo.

La figura 4 muestra la evolución de la resistencia máxima. registrada para los diferentes materiales ensayados en los

dos estados TI y T6.

L. Gámez y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

Fig, 3. Fotornicrogsañas SEM de la sección transversal de' lasvarillas extruídas de (a) 6061/B4C/2Sp~ (b) 6061/ B4C/7.5p ye) 6061/ B4CnZ.5p.

Para AMe:s. reforzados con carburo de boro, tras laextrusión, puede apreciarse un aumento gradual de la

istencia máxima para aquellos-materiales con fraccionesolumétricas crecientes de B4C. Bartiendo de 198 MPa para

la matriz de,aluminio AA6061y: con incrementos de un 8%para un 2,5% vol. de refuerzo, hasta alcanzar un máximo de

% para el 12.5% vol de refuerzo ..En este estado, el aumentode la resistencia está gobernade.por la adición de partículas

refuerzo.

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RESISTENCIA MÁXIMA

i~~~1S;C _--- --f"

e. 1 __ b. a: B C)( 300. 4I'CI SiC JE 250 ·x,.~::c~~_:>--~~-.-_~-_-_-__o_~

O 2,5 5 7,5 10 12,5 15

% Refuerzo

Fig. 4. Resistencia máxima para AMC's desarrollados en estainvestigación.

Para estos mismos materiales, tras el envejecimiento, laadición de 2,5% vol de refuerzo provoca un aumento de laresistencia en el mismo orden que en materiales en estado TI(8%). Cantidades adicionales de refuerzo (7,5% vol), noproducen efecto sobre este parámetro, observándose unaumento significativo de 24,5% respecto a la matriz parafracciones volumétricas de 12,5% de refuerzo.

Por todo esto, se plantea que inicialmente elendurecimiento está gobernado por las fases finas deprecipitación, hasta cierto punto en el cual, para una fracciónde partículas dada, éstas actúan como núcleos quecoadyuvan una precipitación más homogénea durante elenvejecimiento y así generar mayor endurecimiento del ma-te~al, tal como ocurre para un 12,5% vol de B4C. Esto,evidentemente, puede suceder debido a que a) las pequeñaspartículas de refuerzo tienen un tamaño promedio de 17 um,lo cual permite que a su alrededor puedan desarrollarse zo-nas de deformación asociada a su geometría y tamaño, b) lasdistancias de separación entre partículas es suficiente comopara que el crecimiento de los subgranos no se vea impedidoy e) la presencia de finas capas de óxido alrededor de laspartículas de la matriz que influyen en la cinética deenvejecimiento y representan un sumidero de vacantessobre todo en la interfase matriz-refuerzo. '

En general, el efecto de endurecimiento porprecipitación es tan importante como el efecto que puedenproducir las partículas de refuerzo sobre las propiedadesde la matriz. Por ejemplo, agregar un 12,5% de refuerzopara una matriz en TI, no genera tanta resistencia comoenT6.

Al comparar los valores de la resistencia máxima delos AMCs reforzados con carburo de boro con aquellosreforzados con SiC, se puede observar que en los AMCs/SiC, el aumento de la resistencia es mas acentuadomediante el envejecimiento debido probablemente a unamayor contribución de las partículas de SiC, como núcleosde formación de precipitados finos, aunque mayoresfracciones no generan una mayor resistencia, ocurriendouna situación análoga para los AMCs reforzados con B4C,

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INDlCEDE ENDURECIMIENTO

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1.

al menos hasta un 7,5% vol de SiC. Sin embargo, para elestado TI, el comportamiento de la resistencia, a bajasfracciones de refuerzo, puede estar relacionada con lacohesión entre las partículas y la matriz, no pudiéndosealcanzar un incremento significativo de la resistenciadebido a un enlace interfacial débil y como consecuencia,podría fallar la interfase matriz-refuerzo antes de que elesfuerzo se transfiera de manera efectiva hacia la partícula.El material compuesto puede, de hecho, ser más débilque la matriz sin refuerzo como resultado de una reduccióndel área que soporta la carga. Por el contrario, en esteestado, la resistencia es mayor a medida que aumenta elcontenido de refuerzo, llegando incluso a superar a losAMC/B4C al 7.5% vol de refuerzo.

El porcentaje de alargamiento y el índice deendurecimiento, definido este último como la relación entreel límite elástico y la tensión de rotura son los parámetrosmecánicos que a diferencia de los anteriores disminuyentanto en función de la cantidad de refuerzo como en funcióndel tratamiento T6. La figura 5a. muestra la evolución delíndice de endurecimiento en función del porcentaje derefuerzo y el tratamiento paraAMCs reforzados con B4C. Enella se puede observar que el comportamiento plástico escontrario el aumento del contenido de refuerzo, aunque conlas partículas de refuerzo ensayadas se mantiene una grancapacidad de deformación. De manera similar, encontrapartida con el aumento de resistencia se produce unareducción de la ductilidad, principalmente a mayoresporcentajes de refuerzo. La figura 5b. muestra la deformaciónporcentual alcanzada por los AMes entre 2,5 y 12,5% deB4C. El porcentaje de deformación o alargamiento se reduceproporcionalmente al porcentaje de refuerzo en todos loscasos. Esta caída es más acentuada para los materiales quehan sido endurecidos por envejecimiento.

Los resultados de los ensayos de dureza sonmostrados en la tabla I y graficados en la figura 6. Comose ha mencionado anteriormente, la capacidad de alcanzarun mayor endurecimiento en un material compuestodepende de la capacidad de transferir el esfuerzo desdela matriz a las partículas de refuerzo más fuertes. Además,se espera un endurecimiento mayor a medida que aumentael contenido de refuerzo y mas aún cuando el material essometido a un tratamiento de envejecimiento. Así, seencuentra que la resistencia y la dureza están ligadasuna a otra.

Para AMCs en estado TI, partiendo de la aleaciónbase, se registra un aumento de algo mas de 20% en ladureza hasta AMCs con un 12,5% vol de B4C. En estadoT6, el incremento en la dureza es extraordinario siendocasi el doble (37,6%), pero los incrementos entre uno yotro no son mayores que en el caso del estado TI, seregistra una razón de un 4% por cada 2,5% de refuerzo,llegando a un 12,4% como máximo.

0,80 1

. 0,60 -u(1)~::J"C 0,40 ~c:W

:c - _~ _

"Cc: 0,20,

0,00

° 2,5

. EnT6 --EnT1

7,5 10 12,55

DEFORMACiÓN PORCENTUAL

25 -t

20 l15 --1

~ I

~10 J

5O

liI En T1 o En T6

2,5 12,57,5

% Refuerzo

Fig. 5. Índices de endurecimiento y deformación porcentualpara AMes reforzados con B4C en estados TI y T6

Tabla 1. Dureza Vickers, determinada mediante el duró metroportátil Ernst

% Refuerzo HV en TI HVen T6

O 66 95

2,5 67,3,

116,3

7,5 75,3 ] 19,7

12,5 79,5 130.7

U na comparación adicional, nos revela que entreAMCs/2,5/B4Cp en estado TI y AMCsI12,5/B4Cp contratamiento T6 existe un incremento sustancial de ladureza llegando a ser del 94,2%. Finalmente, si la propiedadque interesa es la dureza y desde el punto de vistaeconómico, solo será cuestión de elegir entre un materialreforzado con 12,5% de B4C, sin tratamiento térmico (HV= 79,5) y un material constituido solo por la aleación

L. Gómez y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

Dureza140~120-;·100~

i80+I60:!

40l20J

O~ .. / AMC en TE

0--.-------· -- // AMC en T1

25 ~-, 7,5 125,

Fig, 6. Evolución de la dureza con el contenido de refuerzo y eltamiento térmico T6.

Matriz AA6061

AA6061 tratada térmicamente (HV = 95). Los ensayos demicra dureza efectuados sobre estas muestras, revelan uncomportamiento similar al caso anterior.

El análisis fractográfico revela la plasticidad de losmateriales compuestos, la cual se pone de manifiesto en las'micrografías de las fracturas obtenidas en el ensayo detracción de las mismas. En las figuras 7a a 7d, se presentanvistas de las superficies de rotura por tracción para losmateriales obtenidos por extrusión (estado TI). En lasfracturas se revela el carácter dúctil de estos materiales, auncon un aumento del contenido de refuerzo.

En las figuras 8a a 8c, se observan detalles de estasfracturas. La rotura alrededor de las partículas aglomeradas,sobre todo para elevados porcentajes de refuerzo, exhibeuna transición a un estado menos dúctil, posiblementegenerado por un endurecimiento por acritud el cual puedereducir significativamente la plasticidad del material.

AA6061/2,5/B4C

AA6061/12,5/B4C

Fig. 7. Micrografías por SEM correspondientes a las roturas de a) la matriz y los compuestos de la aleación AA6061 reforzados conb) 2,5, c) 7.5 d) L % de B4C, tras la extrusi6n.

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de las partículas de refuerzo y ec) la unión íntima entre lamatriz y las partículas.

En general, la fractura a tracción en todas las muestrasensayadas a tracción y observadas bajo SEM, señalanque la matriz de AA6061 mantiene alta ductilidad auncuando el contenido de refuerzo aumenta e igualmente.cuando estos compuestos son sometidos aendurecimiento por envejecimiento.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1.

En el detalle presentado en la figura 8a, se puede apreciarlas marcas de playas como resultado del desprendimientode una partícula desde la matriz, sin embargo, la figura 8c,muestra que existe una buena cohesión entre las partículasde refuerzo y la matriz.

En correspondencia con lo mencionadoanteriormente, en las figuras siguientes se aprecian lasfracturas a tracción en sentido longitudinal. Estasmuestran el carácter dúctil de la matriz ea) frente al frágil

AA606112,5/B4CAA6061112,5/B4C

AA606117,5/B4C, detalle

4. Conclusiones.

Fig. 8. Aspecto de las fracturas, correspondiente a los AMCsIB4C desarrollados en esta investigación.

Se han desarrollado materiales compuestos de aleaciónde aluminio AA6061, reforzados con partículas cerámicasde carburo de boro, mediante vía pulvimetalúrgica, seguidode un proceso de extrusión.

El análisis microestructural mediante microscopía ópticay microscopía electrónica de barrido, mostró una distribuciónhomogénea de las partículas de refuerzo dentro de la matrizen todos los materiales obtenidos. En ningún caso seobservó evidencia de reacción en la interfase matriz-refuerzo.

Se producen mejores propiedades mecánicas cuando laspartículas de refuerzo no sufren aglomeraciones, presentanelevada superficie interfacial y por lo tanto se generantensiones internas y mejor unión en la interfase matriz-refuerzo, lo que produce un mayor número de sitiospreferericiales para la nucleación de precipitados y por lotanto una aceleración de la cinética de envejecimiento.

Al interferir las partículas en el flujo plástico de la matriz'l. durante la carga, se p~qduce una mayor resistencia de rotura.

Esto es posible también gracias a una distribución más

L. Gome: y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

En AA6061

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En AA606117.5/B4C

En AA6061/12.5/B4C

Fig. 9. Corte longitudinal de probeta s mostrando detalles de fractura a tracción

uniforme de los óxidos que originalmente recubren loslvos, generándose un endurecimiento por dispersión de

óxidos durante el proceso de extrusión.Mediante tratamiento térmico de solubilización y un pos-

rerior envejecido, los materiales no muestran cambiosimportantes en la interfase matriz- refuerzo, lo que indicaque no existe reactividad entre la matriz y el refuerzo.

En estos materiales, se ha encontrado que fraccionesrolumétricas crecientes de partículas de refuerzo aumentansustancialmente las propiedades mecánicas, al compararloscon la aleación base. El endurecimiento de la matriz debido

tratamiento térmico aporta una resistencia adicional almaterial compuesto. Este endurecimiento es afectado

sitivamente con un mayor contenido de partículas derefuerzo, debido a que estas partículas actúan como núcleosque coadyuvan una precipitación más homogénea duranteel envejecimiento.

Así, los resultados de ensayos mecánicos muestran quefracciones de 12,5% de B4C,aumentan la resistencia máximaen un 17%, respecto a la aleación AA6061, en materialesobtenidos por extrusión (estado TI). Mientras que aquellosmateriales sometidos a un tratamiento de solubilización a

530°C durante 1 h, posterior temple en agua y envejecidoa 175°C durante 8 h (estado T6), la resistencia máximaaumenta considerablemente hasta un 24,5%, respecto a lamatriz tratada térmicamente.

La comparación de esta característica con la de los AMCs,reforzados con partículas de SiC, considerado como estándar,indica que el endurecimiento en estos últimos es masacentuado durante el envejecido, debido posiblemente auna mayor cinética de precipitación. En estado TI, laresistencia máxima tiene un comportamiento similar en am-bos.

La carga a rotura se ve igualmente incrementada eniguales proporciones a la resistencia máxima. Lo que indicaque a mayor porcentaje de refuerzo, tanto en estados TI yT6, el comportamiento plástico disminuye y comoconsecuencia, la estricción del material es menor debido a lapérdida de ductilidad del mismo. Esto se corrobora con losvalores cada vez menores, del porcentaje de alargamiento.

De igual manera, los ensayos de dureza y de microdureza,muestran un incremento en la misma mediante la adición derefuerzos en ambos estados. Mientras que en estado TI,esta dureza aumenta en mas de un 20%, en T6, se registra un

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15. Ruiz-Navas E.M., da Costa, C.E., Lopez, F.v. & Castello.J.M.T. "Mechanical Alloying: A Method to Obtain Me-tallic Powder Composite Materials". Revista Metalúrgica(Madrid). vol.36. N° 4, pp 279-286. 2000

16. N. Martínez, D. Busquets, M.D. Salvador and V. Amigó."Propiedades mecánicas de compuestos de matrizaluminio reforzados con partículas cerámicas, obtenidopor extrusión de polvos". Comunicación en Congreso

. Nac. de Prop. Mec. de Sólidos, Gandía 2002.17. Kamat, s.v, Hirth, J.P. and Mehrabian, R. "Mechanical

properties of particulate-reinforced aluminum-matrixcomposites". Acta Metall Vol. 37 N° 9, pp 2395-2402.1999.

18. J.L.A.Ortiz: "Materiales compuestos de aleaciónAIMgSiCu6061, reforzada con partículas de nitruro.obtenidos por extrusión de polvos: producción.estructura y propiedades" Tesis Doctoral. UPv. 2000.

19. Mitchell, C.A. & Davidson, A.M. "Effect of AlP3 Par-ticulates as Reinforcement in Age Hardenable AluminiumAlloy Composites". Materials Science & Technology.vol. 16. N° 7-8, pp. 873-876. 2000.

20. Salvo, L., Suery, M., Towle, D. & Friend, M."Age_Hardening Behaviour ofLiquid-Processed 6061Alloy Reinforced With Particulates and Short Fibres".Composites PartA. vol. 27A. pp. 1201-1210. 1996.

21. Eskin, D.G., Massardier, V. & Merle, "A Study ofHigh-Temperature Precipitation in AI-Mg-Si Alloys With aExcess of Silicon". Journal ofMaterials Science. Vol 34.pp. 811-820. 1999.

22. Kouzeli, M. & Mortensen, A. "Size Dependent Strength-ening in Particle Reinforced Aluminium". Acta Materialiavol. 50. pp. 39-51. 2002.

23. Smagorinski, M.E. & Tsantrizos, P.G. "Development ofLight Composite Materials With Low Coefficients ofThermal Expansion". Material Science & Technolog .vol. 16, N° 7-8, pp. 853-861. 2000.

24. Amigó, v., Ortiz, J.L., Salvador, M.D. "Microstructureand mechanical behaviour of 6061AI reinforced withnitride partic1es, processed by powder metallurgy".Comunicación en UPv. Valencia, España. 2001.

25. Busquets, D., Martinez, N., Valero, N., Salvador, M.D. yAmigó, V. "Influencia Microestructural del Proceso deObtención de Compuestos de Aluminio Reforzados conPartículas Cerámicas". Comunicación en VID Congresode Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandía, España.2002.

26. Ashby, M.F. "Criteria for Selecting the ComponentsofComposites". Acta Metall. Marter. Vol. 41, N° 5, pp.1313-1335,1993.

27. Radev, D.D. "Boron Carbide, Part 1: Synthesis ofPowders". Metallwissenschaft und Technik. Metall. 51.Jahrgang. Nr. 10. 1997.

28. Biscarini, P., "PM Boron Carbide MMC". Alyn Corp.16761. Powder Metallurgy. Vol. 39, N° 4. pp 244.1996.

29. Norma ASTM E8M-98A.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°l.

incremento sustancial de mas de 37%, respecto a la aleaciónbase. Pero al comparar la dureza de un AMC en estado TIcon uno tratado térmicamente, el aumento de la dureza es de60% aproximadamente, ante el 44% de aumento en la dureza,que experimenta la aleación base durante este tratamiento.

Bibliografía

1. Baetz, J. G. "Metal Matrix Composites : Their Time HasCome". Aerospace America. pp. 14-16. November 1998.

2. Mussler, B. H. et al. Advanced Materials and PowdersDigest. American Cerarnic Society Bulletin, vol. 80, N° 6.1999.

3. Klein, T.F. & Lesieutre, G.A. "Space Environment Effectson Damping of Polymer Matrix Carbon Fiber Compos-ites". Journal of Spacecraft and Rockets. vol. 37, N° 4,pp 519-525. Jul-Aug. 2000.

4. Czepiela S.A., McManus H.L. & Hastings D. "Charging ofComposites in the Space Environment". Joumal of Space-craft and Rockets. vol. 37, N° 5, pp 556-560. Sep-Oct.2001

5. Czepiela S.A., McManus H.L. & Hastings D. "Measure-ment and Tailoring of Composite Electrical Properties".Joumal ofSpacecraft andRockets. vol. 37, W 5, pp 561-566. Sep-Oct. 2000.

6. Parsonage, T. "Beryl1ium Metal Matrix Composites forAerospace and Cornmercial Applications". MaterialsScience & Technology. vol. 16, N° 7-8, pp. 732-738. Jul-Aug,2000.

7. Goni, L, Mitxelena 1.& Coleto, J. "Development of LowCost metal Matrix Composites for Cornmercial Applica-tions". Material Science & Technology. vol. 16, N° 7-8,pp. 743-746. Jul-Aug, 2000.

8. Rawal, S. P. "Metal matrix composites for space applica-tions". JOM 53 (4) (2001) pp 14-17.

9. Hooker, J.A. & Doorbar, P.J. "Metal Matrix composites forAeroengines". Materials Science & Technology. vol 16.N°7-8,pp725-731. 2000.

10. Van Den Berg, M. "MMC Fighter Fin". DWA CompositesSpecialities, Chatsworth, CA 91311, USA. Powder Met-allurgy. Vol. 39, N° 4. pp 244. 1996.

11.Kaczmar, lw., Pietrzak, K. & Wlosinski, W. ''The Produc-tion and Application ofMetal Matrix Composite Materi-als". Journal of Materials Processing Technology. vol.106, pp 58-67. 2000.

12. Dowson, G. "Introduction to Powder Metallurgy, the pro-cess and its products". European Powder MetallurgyAssociation - Education & Training. 2000.

13.Amigó, V. "Desarrollo de Materiales Compuestos de MatrizAluminio por Vía Pulvimetalúrgica". Comunicacióninterna, UPV. Diciembre 1998.

14. Bhagat, R. B. "Advanced Aluminum Powder MetallurgyAlloys and Compsoites". ASM Handbook Vol. 7. pp 840.1998.