INFORMACIÓN DEL PROYECTO EFECTODEL CAMBIO DE...

$: INFORMACIÓN DEL PROYECTO EFECTODEL CAMBIO DE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8349/1/RuedaBenite... · figura 13. fractura de las probetas de prueba ensayo charpy.$
1

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS” - FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA|

FORMATO DE PROYECTOS DE GRADO

Nº DE RADICACIÓN: ______________

INFORMACIÓN EJECUTOR

Ejecutor 1

Nombre (s): Leonardo Jaime

Apellido (s): Rueda Benítez Código: 20092275029

E-mail: [email protected]

Teléfono fijo: 464 18 93

Celular: 311 4682359

INFORMACIÓN DEL PROYECTO

Título del Proyecto:

EFECTODEL CAMBIO DE LA MICROESTRUCTURA METALOGRAFICA PRODUCIDO POR EL TRATAMIENTO TERMICO DE

ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ALUMINIO 7075-T6

Duración (estimada): 6 Meses

Tipo de Proyecto: (Marqué con una “x”)

Innovación y Desarrollo Tecnológico X

Prestación y Servicios Tecnológicos

Otro

Modalidad del Trabajo de Grado:

Proyectos Científicos y Comunitarios

Línea de Investigación de la Facultad*:

Desarrollo Tecnológico Local e Institucional

Línea de Investigación del Proyecto Curricular**:

Materiales y Procesos

Grupo de Investigación:

Proyecto de Investigación: Áreas del conocimiento que involucra:

CIENCIA DE LOS MATERIALES

INFORMACIÓN PASANTÍA

Nombre de la empresa:

Dirección: Teléfonos:

Correo electrónico: Página Web:

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA

Director: (Vo. Bo.) Proyecto de Pasantía: (Tutor): (Vo. Bo.)

mailto:[email protected]

2

EFECTO DEL CAMBIO DE LA MICROESTRUCTURA METALOGRAFICA PRODUCIDO POR EL TRATAMIENTO TERMICO DE ENVEJECIMIENTO

ARTIFICIAL EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ALUMINIO 7075-T6

Autor: Leonardo Jaime Rueda Benítez

Cód. 20092275029

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Ingeniería Mecánica

Bogotá D.C. 2015

3

EFECTO DEL CAMBIO DE LA MICROESTRUCTURA METALOGRAFICA PRODUCIDO POR EL TRATAMIENTO TERMICO DE ENVEJECIMIENTO

ARTIFICIAL EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ALUMINIO 7075-T6

Autor: Leonardo Jaime Rueda Benítez

Cód. 20092275029

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de INGENIERO MECÁNICO

Dirigido por: Ing. Carlos Arturo Bohórquez Ávila

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Ingeniería Mecánica

Bogotá D.C. 2015

4

Nota de Aceptación

_________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________

_________________________________ Firma del tutor

_________________________________ Firma del jurado

_________________________________ Firma del jurado

BOGOTÁ D.C. Agosto 10 de 2015

5

CONTENIDO

Pág.

CONTENIDO LISTA DE FIGURAS 7 LISTA DE TABLAS 11 LISTA DE FORMULAS 12 1. INTRODUCCION 13 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14 3. JUSTIFICACIÓN 16 4. OBJETIVOS 17 4.1 Objetivo general 17 4.2 Objetivos específicos 17 5. METODOLOGIA 18 5.1 Diseño del Experimento 19 5.2 Fabricación de Probetas 20 5.3 Tratamientos Térmicos 21 5.4 Pruebas Mecánicas 23 5.4.1 Ensayo de Dureza 23 5.4.2 Ensayo de Impacto 23 5.4.3 Ensayo de Tensión 24 5.5 Pruebas de Ultrasonido 25 5.6 Análisis de la microestructura 27 5.6.1 Microscopio Óptico 27

6

5.6.2 Microscopia SEM 27 6. RESULTADOS 29 6.1 Pruebas Mecánicas 29 6.1.1 Ensayo de Dureza 29 6.1.2 Ensayo de Impacto 31 6.1.3 Ensayo de Tensión 34 6.2 Pruebas de Ultrasonido Industrial 43 6.3 Análisis de la microestructura 46 6.4 Análisis de Resultados 59 7. CONCLUSIONES 61 8. BIBLIOGRAFÍA 62 9. ANEXOS 63

7

LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. DIMENSIONES PROBETAS DE IMPACTO Y TENSION 20

Figura 2. ETAPAS DE FABRICACION DE LAS PROBETAS 21 Figura 3. MUFLA Y AREA DE TRABAJO . 22 Figura 4. MAQUINA PARA ENSAYOS DE IMPACTO 24

Figura 5. MAQUINA PARA ENSAYOS UNIVERSAL UH-50A MARCA SHIMAUDZU 25

Figura 6. SEÑALES EN EL PATRON DE CALIBRACION EN LA CONFIGURACION INICIAL 26

Figura 7. EQUIPOS UTILIZADOS DURANTE LA PRUEBA DE ULTRASONIDO INDUSTRIAL 26

Figura 8. “SCANNING ELECTRON MICROSCOPE” QUANTA 200. 28

Figura 9. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO 28

Figura 10. MEDICIONES DE DUREZA PARA TODAS LAS PROBETAS DE PRUEBA Y MATERIAL BASE. 30

Figura11. VARIACION PORCENTUAL DUREZA HRB PARA TODAS LAS PROBETAS DE PRUEBA. 31

Figura12. MEDICIONES PROBETAS DE IMPACTO 32

Figura 13. FRACTURA DE LAS PROBETAS DE PRUEBA ENSAYO CHARPY. 33

Figura 14. VARIACIÓN PORCENTUAL ENERGÍA ABSORBIDA PARA TODAS LAS PROBETAS DE PRUEBA Y MATERIAL BASE. 34

Figura 15. DIAGRAMA DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN PROBETAS SOLUBILIZADAS A 500°C Y TEMPLADAS EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE. 35

8

Figura 16. DIAGRAMA DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN PROBETAS SOLUBILIZADAS A 500°C Y TEMPLADAS EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE, Y ENVEJECIDA A 180°C POR UN PERIODO DE 2 HORAS, Y ENFRIADA A TEMPERATURA AMBIENTE. 36

Figura 17. DIAGRAMA DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN PROBETAS SOLUBILIZADAS A 500°C Y TEMPLADAS EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE, Y ENVEJECIDA A 180°C POR UN PERIODO DE 4 HORAS, Y ENFRIADA A TEMPERATURA AMBIENTE 37





Figura 22. VARIACIÓN PORCENTUAL DEL ESFUERZO MÁXIMO DE LAS PROBETAS DE PRUEBA. 42

Figura 23. VARIACION PORCENTUAL DE LA DEFORMACION MAXIMA DE LAS PROBETAS DE PRUEBA. 42

Figura 24. MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD LONGITUDINAL, CON FRECUENCIA DE 5 MHZ PARA TODAS LAS PROBETAS Y MATERIAL BASE. 45

Figura 25. VARIACION PORCENTUAL DE LA VELOCIDAD LONGITUDINAL PARA LAS PROBETAS DE PRUEBA Y MATERIAL BASE. 45

Figura 26. TECNICAS DE OBSERVACION DEL SEM. 47

9

Figura 27. PARTICULAS RICAS EN Fe, a)MATERIAL BASE A 200X MICROSCOPIA OPTICA, b)MATERIAL BASE POR MICROSCOPIA DE BARRIDO ELECTRONICO. 48

Figura 28. IDENTIFICACION DE MICROESTRUCTURA A LA PROBETA CON MATERIAL BASE. 49

Figura 29. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C

Y TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE. 50

Figura 30. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C, TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE Y EXPUESTA A UN PERIODO DE ENVEJECIDO A UNA TEMPERATURA DE 180° POR 2 HORAS. 51


Figura 32. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C, TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE Y EXPUESTA A UN PERIODO DE ENVEJECIDO A UNA TEMPERATURA DE 180° POR 6 HORAS. 53 Figura 33. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C, TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE Y EXPUESTA A UN PERIODO DE ENVEJECIDO A UNA TEMPERATURA DE 180° POR 6 HORAS. 54 Figura 34. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C, TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE Y EXPUESTA A UN PERIODO DE ENVEJECIDO A UNA TEMPERATURA DE 180° POR 12 HORAS. 55


Figura 36. IMPUREZAS ENCONTRADAS DURANTE EL ANALISI CON SEM. 57

10

Figura 37. VARIACION PORCENTUAL DE LA DUREZA EN COMPARACION CON LA ENERGIA ABSORBIDA EN LA PRUEBA DE IMPACTO, ESFUERZO MAXIMO EN LA PRUEBA DE TENSION Y LA MEDICION DE VELOCIDAD LONGITUDINAL. 59

11

LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. PROGRAMACION DE ENVEJECIDO DE LAS PROBETAS EN LA MUFLA ELECTRICA 22 Tabla 2. CALIBRACIÓN INICIAL DEL EQUIPO DE ULTRASONIDO. 44 Tabla 3. TABLA DE COMPARACION DE LA ALEACION CON DATOS TEORICO 47

12

LISTA DE FORMULAS

pág.

Ecuación 1. Ecuación para el cálculo de la energía potencial. 23 Ecuación 2. Ecuación para el cálculo de la deformación. 34

13

1. INTRODUCCION

El aluminio es uno de los materiales más abundantes en la corteza terrestre, gracias a esto los estudios para mejorar sus propiedades mecánicas, nunca son suficientes puesto que con el aumento de las tecnologías disponibles para estos estudios se dan más herramientas tecnológicas para descubrir todo un potencial que quizá no se ha podido descubrir, sus propiedades mecánicas y bajo peso hacen que el aluminio sea un material que aportara una solución efectiva para los inconvenientes que se presentan en la ingeniería actual. Son muchas las aplicaciones que tiene el aluminio, una de las más importantes es la de la aviación, ya que reducir el peso de la aeronave se ve reflejado en menor potencia necesaria en vuelo y por esta razón lo una disminución de combustible, peso en componentes y un aumento de la carga efectiva disponible en ella. Sin dejar de ser el factor más importante, las propiedades mecánicas que aporta el aluminio al proceso de ingeniería son decisivas en el diseño, por esto las investigaciones que se producen alrededor de su mejoramiento, abren caminos para el diseño de nuevas aleaciones más resistentes mecánicamente, a la corrosión y al estrés, producido por las cargar cambiantes y alternantes a las que se somete este material. Este trabajo es un aporte importante a la investigación sobre cómo mejorar las propiedades mecánicas del aluminio 7075-T6, en él se hará un tratamiento térmico de Solubilización a una temperatura de 500°C, el cual permitirá crear una solución solida sobresatura, la cual se mantendrá por medio de un temple en agua a temperatura ambiente, esto servirá como punto de partida para poder endurecer por el tratamiento de envejecido artificial, en periodos de 2, 4, 6, 8, 12 y 18 horas a una temperatura de 180°C, para de esta forma cambiar su microestructura. Seguidamente al tratamiento térmico se realizaran pruebas mecánicas de dureza, impacto y tensión para determinar, si la manipulación térmica fue apropiada, y de esa forma realizar una medición de ultrasonido industrial, para determinar que variación se produjo durante el tratamiento térmico. Finalmente se realizara un análisis de la microestructura por medio de un microscopio óptico y un equipo de SEM, para determinar el desplazamiento de los precipitados dentro de la estructura y los demás elementos, y así finalmente, llegar a la conclusión de cómo influyen los periodos de envejecido artificial en la velocidad de propagación del sonido dentro del material, y de esa forma poder cumplir con el objetivo principal del proyecto, el cual es encontrar la relación que existe entre el envejecido artificial a 180°C en periodos de 2, 4, 6, 8. 12 y 18 horas en la velocidad de propagación del sonido en el material.

14

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Según el servicio geológico estadounidense en su publicación realizada en el año 2013, “Revisión de las industrias globales de la minería en el 2011 y una perspectiva al 2017”, la producción mundial de aluminio tuvo un crecimiento 29,03% en el 2005 con un total de 9000 toneladas en referencia al año 2000, y un crecimiento del 27,5% en el año 2010 respecto al año 2005 elevándose a 51.000, y proyecto un aumento en la producción del 11.5% al año 2017 lo que representa una producción total de 66.000 toneladas1. Esta producción se suma a la preocupación mundial por el cuidado del ambiente, y el aluminio ha sido una opción muy conveniente para la oportuna solución de este problema, porque su baja densidad de 2.7 g/cm³ (la tercera parte de la densidad del acero)2, ha dado un mejor rendimiento a aeronaves y automóviles que funcionan con combustibles fósiles, reduciendo sus emisiones de gases contaminantes y su alto consumo de combustibles, como lo afirmo Philip Meyer, vicepresidente y Director de Tecnología de Aleris Rolled Products Germany GmbH, productor de aluminio laminado y de productos extruidos, y aunque no es una solución definitiva, si es un aporte importante al cuidado del medio ambiente y a la creación de un futuro sostenible3. En América Latina para el caso de Brasil, según el servicio geológico estadounidense en su publicación realizada en el año 2013, “Revisión de las industrias globales de la minería en el 2011 y una perspectiva al 2017”, asegura de acuerdo a una proyección realizada en base de los datos históricos que la producción de Bauxita (mineral base para la producción del aluminio), será 32.000 toneladas en el año 2017, y para Venezuela será de 5.000 toneladas en el mismo año1. Con esta producción se da paso en america latina al surgimiento de empresas como lo afirmo, como lo afirmo Colín Pratt, consultor de estrategias de gestión de CRU "La demanda de aluminio es el punto fuerte; está creciendo más rápido que otros grandes metales, esto es debido a la reducción de peso de coches y aeroplanos y al rápido crecimiento de los mercados emergentes. El aluminio se utiliza en ruedas, radiadores, motores, incluso de coches de lujo, y remplaza al acero en los paneles de la carrocería."4

.

En Colombia el aluminio es usado frecuentemente en diversas formas como lo son partes de motores diésel, cajas de transmisión, carcazas de generadores eléctricos barriles para cerveza, contactores eléctricos, rines de lujo para vehículos, carrocerías

1. U.S. Geological Survey, [year of last update, e.g., 2005], [Mineral commodity, e.g., Gold] statistics, in

Kelly, T.D., and Matos, G.R., comps., Historical statistics for mineral and material commodities in the United States: U.S. Geological Survey Data Series 140, accessed [date], at http://pubs.usgs.gov/ds/2005/140/.

2. Ciencia e ingenieria de los materiales, International. Thomson Editores, S.A. de C. V., tercera edicion, 1998.

3. Ibid., p.2. 4 El aluminio gana terreno sobre el acero y el cobre. EN. Bombay Exhibition centre, Mumbay, India.

Internet: (http://www.ersi.es/PDF/Nota%20de%20prensa%20AAI%20ALU%20INDIA%202013.pdf)

15

de buses, y el aumento de su uso radica en las excelentes propiedades mecánicas según la norma ASTM B275 la mezcla del aluminio puro con diferentes elementos como lo son el Cobre, Magnesio y Silicio o con Zinc, mejoran significativamente sus propiedades mecánicas, las aleaciones 2XXX (Cobre), 6XXX(Silicio), 7XXX(Zinc), también tienen la posibilidad de ser mejoradas térmicamente, el tratamiento más usado en estas aleaciones es el envejecimiento artificial, aumentando considerablemente su esfuerzo a la tracción, los pasos para realizar este tratamiento se resumen en una Solubilización a rango de 430 a 550°C, donde se crea una solución solida sobresaturada de los elementos de la aleación, para posterior ser templada e agua a temperatura ambiente manteniendo la solución sobresaturada, manteniendo los elementos en un estado metaestable, luego se realiza el envejecimiento artificial llevando el material a una temperatura entre los 110 y 200°C, por periodos controlados, con el objetivo de permitir la precipitaciones de partículas de soluto, que por forma, cantidad y distribución definen la dureza dada por el envejecimiento, aumentando la dureza de la aleación. Este proceso de envejecido artificial descrito anteriormente, fue usado mucho después del año 1889 fecha en la que se inventaron los procesos de Hall-Héroult y Bayer5, lo que hace centrar la atención de la academia ya que es un material que se estudia relativamente hace poco tiempo, y aún más teniendo la proyección en las diversas industrias emergentes y posicionadas actualmente. El camino que se ha recorrido en el campo de los materiales en Colombia es muy corto, por esta razón la Universidad Distrital Francisco José de Caldas tiene el reto de aumentar la investigación de materiales para hacer un aporte importante a mi país y a la comunidad universitaria en esta área, puesto que en especial la facultad tecnológica nunca ha estudiado la relación que existe entre el envejecimiento artificial y la propagación del sonido en una aleación de aluminio 7075, aportando recolección de información y conocimientos para futuras investigaciones de este material, en la universidad y en Colombia. En el presente trabajo, la prueba no destructiva de Ultrasonido Industrial, permitirá la recolección de datos importantes que determinen la influencia en la velocidad del sonido propia del material, del tratamiento térmico de envejecido artificial, por medio de la caracterización de los cambios micro estructurales en el material basado en los datos obtenidos de la técnica del “Scanning electron microscopy”, o SEM. El problema abordado en este proyecto de grado, es el de encontrar la relación existente entre los efectos que produce el envejecimiento artificial y la forma en que se propaga el sonido en una aleación de aluminio 7075, tomando como referencia varios tiempos de envejecido y crear así una variable de comparación de la microestructura.

5Ciencia de ingenieria de los materiales, International. Thomson Editores, S.A. de C. V., tercera

edicion, 1998.

16

3. JUSTIFICACIÓN Durante la segunda guerra mundial se vio la necesidad de dar un gran salto en la aviación por las necesidades bélicas de esa época, las investigaciones que se desarrollaron para el mejoramiento del rendimiento de estas aeronaves arrojaron que el peso influía de forma definitiva en su rendimiento, gracias a esta conclusión se inició un camino para descubrir las mejores aleaciones y así la construcción de estructuras aeronáuticas, el aluminio daba los mejores resultados, con tan solo menos de cincuenta años de haber sido descubierto un procedimiento efectivo para su producción limpia y económica, fue catapultado como uno de los materiales más usados en el siglo XX, y de la mano los estudios sobre este material aumentaron y fueron enfocados al mejoramiento de sus propiedades mecánicas, una de las aleaciones más conocida fue la de Aluminio-Zinc 7075, ya que constituyo el mejor material para la fabricación de estructuras aeronáuticas y liberación de peso del aeronave, los diversos estudios hechos a este material se basaron en tratamientos térmicos, y la aleación de aluminio con diversos materiales, sin embargo los estudios no han llegado a su final durante el último siglo se han perfeccionado tratamientos térmicos y pruebas destructivas que han arrojado datos fundamentales que fundamentan próximos estudios de mejoramiento de las aleaciones hechas a base de aluminio. Por los diferentes aportes que se requieren para mejorar las propiedades de las aleaciones lumínicas, se justifica el desarrollo de esta investigación, la cual busca relacionar las propiedades mecánicas, de tracción, dureza y microestructura con la propagación del sonido en una aleación de aluminio 7075, detectado por medio de una prueba no destructiva de ultrasonido industrial, aportándole a la Universidad, en el aumento de información en el campo de los materiales para futuras investigaciones y como datos académicos que puedan ser consultado por estudiantes para obtener conocimientos oportunos y actualizados que serán fundamentales en su formación como tecnólogos e ingenieros mecánicos.

17

4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Identificar como el cambio de la microestructura por envejecido artificial, influye en la propagación del sonido de una aleación de aluminio 7075-T6. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Efectuar tratamiento térmico de Solubilización a las probetas en prueba.

Realizar envejecido artificial a las probetas de aluminio 7075-T6, variando el tiempo de exposición en periodos de 2, 4, 6, 8, 12 y 18 horas, a una temperatura de 180°C.

Realizar prueba no destructiva por el método de Ultrasonido Industrial, para verificar los efectos de precipitación y composición química de granos, que produjo los periodos de envejecimiento artificial en la propagación del sonido.

Efectuar la recolección de datos durante las pruebas destructivas de impacto, dureza, tensión, metalografía y pruebas de laboratorio de microscopia de barrido electrónico y óptico a las probetas en prueba.

18

5. METODOLOGÍA En el momento de realizar una medición por ultrasonido es fundamental, tener en cuenta la mayor cantidad de variables que afecten la aplicación del ensayo, unas de ellas son las propiedades mecánicas y los tratamientos térmicos y mecánicos que al material en prueba se hallan realizado, como lo es un ejemplo el tratamiento térmico numerado con el prefijo T651, en el cual se hace una Solubilización, y posterior alivio de tensiones por estiramiento controlado del material, para posterior envejecimiento artificial, esto indica que un correcto control de estas variables nos permitirá controlar el mayor número de variables que afecten la medición se podrá identificar la correcta influencia que el tratamiento térmico de envejecido artificial a una temperatura de 180°C, en los periodos de 2, 4, 6, 8, 12, y 18 horas, tendrá en la microestructura y así mismo la relación con la velocidad de propagación del sonido en el material, por esta razón se cumplirán con las siguientes actividades para el alcance de los objetivos de este proyecto:

Selección del método de experimentación de las probetas en prueba.

Realización de los tratamientos térmicos de Solubilización a 500°C por un periodo de 1 hora, seguido de temple en agua a temperatura ambiente y posteriormente envejecido artificial con intervalos de 2, 4, 6, 8, 12, y 18 horas a una temperatura de 180°C a los grupos de probetas en prueba.

Realización de las pruebas destructivas de dureza impacto y tensión. Preparación y observación metalográfica por microscopia óptica MO y electrónica de barrido, con análisis químico de material.

Prueba de ultrasonido industrial a las probetas en prueba.

Análisis de las variación en la microestructura y propagación del sonido durante las

19

5.1 Diseño de Experimento La atención del diseño del experimento es centrada en ver los efectos que produce, el envejecido artificial a 180°C, en periodos de 2, 4, 6, 8, 12, 18 horas en la propiedad física de propagación del sonido, sin embargo es fundamental analizar los cambios en las propiedades mecánicas de dicho material, en búsqueda de cambios significativos que puedan afectar la medición de la prueba de ultrasonido, como son cambios en la microestructura, y cambios anormales en las propiedades mecánicas Durante la elección de la cantidad de probetas para la aplicación de las pruebas destructivas se tuvieron en cuenta: 1. Estimar un parámetro determinado con el nivel de confianza deseado. 2. Detectar una determinada diferencia, si realmente existe, entre los grupos de estudio con un mínimo de garantía. 3. Reducir costes o aumentar la rapidez del estudio.6 Teniendo en cuenta estos parámetros se determinó usar tres probetas para cada periodo de envejecido y tener una probeta del material entregado como referencia, ya que este material es entregado dentro de propiedades físicas y mecánicas aproximadas, y no se tiene un control exacto del almacenamiento en el cual sufrió un envejecido natural afectando sus propiedades mecánicas y físicas. Al elegir tres probetas para las pruebas de tensión y de impacto podemos determinar rangos necesarios de comparación, y así tomar las mediciones más acertadas para el análisis de variables. La consecución de las pruebas tuvo un factor importante puesto que al efectuarse pruebas destructivas el material podría tener algún tipo de afectación para la toma de la medición de velocidad del material por medio del ultrasonido industrial, por este motivo, las pruebas se realizaron de forma conveniente, evitando esta variable en el análisis de los datos obtenidos, aportando a la reducción de errores aleatorios y sistemáticos. El análisis de resultados fue realizado por medio de hojas de cálculo en Excel, en la primera fase se resumieron los datos obtenidos calculándose todas las variables a disposición como lo fueron la varianza, desviación estándar, y coeficiente de variación de las mediciones, con ellas se redujeron errores que puedan afectar de forma considerable las estadísticas que posteriormente fueron graficadas en las mismas hojas de cálculo, en las cuales se pueden observar las variaciones, de forma gráfica con lo cual se pudo obtener información muy valiosa para las deducciones sobre la influencia que tiene el tratamiento térmico de envejecimiento en las propiedades mecánicas y físicas del material de prueba, de forma rápida y consecuente con las pruebas obtenidas.

6WIKIPEDIA, Tamaño de la muestra, 03 Agosto de 2014, Disponible

enhttp://es.wikipedia.org/wiki/Tama%C3%B1o_de_la_muestra

20

5.2 Fabricación de Probetas Como factor inicial se compró el material de trabajo en una empresa reconocida en el mercado, asegurando con esto la fiabilidad de las mediciones sin embargo, durante la microscopia de barrido electrónico, pruebas de destructivas, y prueba no destructiva de ultrasonido industrial, se comparara con datos teóricos conocidos para esta aleación, el primer paso fue el desbaste del 95% del material, garantizando que las probetas tengan el mismo sentido de corte, (figura No 1), para posterior rectificado a las medidas con el fin de garantizar la correcta tolerancia se tomaron los parámetros de la norma ASTM E8, mostrados en la (figura No 2, b) y c)).

Figura No 1. DIMENSIONES PROBETAS DE IMPACTO Y TENSION.

21

Figura No 2. ETAPAS DE FABRICACION DE LAS PROBETAS, a) Material desbastado para paso a rectificación, c) Probetas de Impacto rectificadas, d) Probetas de Impacto marcadas. Para una correcta aplicación del tratamiento térmico y aplicación de pruebas se realizó una marcación de cada probeta, como se muestra en la (figura No 2, c)), por medio de “Types” con material que posee una dureza mayor al aluminio, el código utilizado fue la asignación de un número del 1 al 22, evitando confusiones entre ellas. 5.3 Tratamientos Térmicos Durante la aplicación de la Solubilización, y el tratamiento térmico de envejecimiento, la mufla presento una fluctuación de la temperatura de 5°C fluctuación sobre la temperatura de trabajo, esta fluctuación solo se presentó durante el inicio del inicio del calentamiento general del horno, y en el momento en que se llevaba a cabo el cambio de probetas dentro del horno eléctrico, la temperatura de envejecido artificial, es una temperatura que no es crítica, por esta razón se dio la opción de abrir la mufla durante el tratamiento térmico de envejecido, por el contrario con los periodos de Solubilización donde no se permitió realizar cambio de probetas dentro del horno, otra condición que fue favorable para permitir este procedimiento, es que todas las probetas fueron solubilizadas y templadas a las misma temperatura.

22

Figura No 3. MUFLA Y AREA DE TRABAJO, A) Horno eléctrico, b) Área de trabajo

El primer paso para el tratamiento térmico fue la utilización del horno eléctrico Figura No 3, en el cual se realizó la Solubilización de las probetas numeradas desde la 2 hasta la 22, la probeta 1 tanto de tensión como de impacto es una referencia ya que no se conoce las verdaderas condiciones de envejecido natural a las cuales fue expuesta, y es una referencia de la recepción del material, seguido a ello todas las probetas fueron templadas en agua a temperatura ambiente, siendo sumergidas por completo y agitadas para evitar un saco de vapor alrededor de ellas que impidiera, el correcto enfriamiento rápido que es requerido en un temple. Durante el proceso de Envejecido Artificial, se realizó la siguiente programación para el correcto uso del horno como se muestra en la Tabla No 1, siendo después enfriadas lentamente hasta la temperatura ambiente, en el área de trabajo que se estableció para el control adecuado de las probetas, como se muestra en la (Figura No 3, b).

CRONOGRAMA ENVEJECIDO PROBETAS FECHA HORA ENTRADA MANTENIMIENTO SALIDA

viernes, 25 de abril de 2014 09:00 6 Horas (11,12,13)

8 Horas (14,15,16)

15:00 2 Horas (5,6,7) 8 Horas (14,15,16) 6 Horas (11,12,13)

18 Horas (20,21,22)

17:00 4 Horas (8,9,10) 2 Horas (5,6,7)

8 Horas (14,15,16)

21:00 12 Horas (17,18,19) 18 Horas (20,21,22) 4 Horas (8,9,10)

sábado, 26 de abril de 2014 09:00 12 Horas (17,18,19)

18 Horas (20,21,22)

Tabla No 1. PROGRAMACION DE ENVEJECIDO DE LAS PROBETAS EN LA MUFLA ELECTRICA.

23

5.4 Pruebas Mecánicas Las pruebas mecánicas a realizar son las de dureza, impacto y tensión, el objetivo primordial de la realización de estas pruebas es la verificación de la efectividad que tuvieron los tratamientos térmicos en el material, para que después se sepa con certeza que las variaciones por pequeñas que sean durante la prueba de ultrasonido industrial sean verdaderas. 5.4.1 Prueba de Dureza La prueba de dureza es primordial puesto que de acuerdo a la naturaleza de la prueba, los precipitados endurecen la aleación durante los periodos de envejecido y esta es la prueba mecánica que se utiliza para comparar las demás propiedades mecánicas. Para esto se utilizó el durómetro que se encuentra en el laboratorio de metalografía en la universidad distrital Francisco José de Caldas, la medición se realizó en la escala Rockwell B, utilizando un indentador redondo de un diámetro de 1\16 de pulgada. La prueba fue aplicada a las probetas de impacto las cuales serán utilizadas también la prueba de ultrasonido industrial, garantizando una correcta planeidad con la probeta y evitar medidas erróneas. 5.4.2 Prueba de Impacto Durante la prueba de impacto se posiciono el péndulo a en la posición de 90° respecto a la vertical, partiendo desde el punto donde va posicionada la probeta, este paso indica que el péndulo con un peso de 13.33 lb, tendrá una energía cinética la cual se calcula por medio de la ecuación para la energía potencial siguiente:

⁄

Ecuación No 1 ECUACION PARA EL CALCULO ENERGIA POTENCIAL Luego la probeta se posiciono en la apertura donde el péndulo pasara y romperá la probeta con la energía potencial que desarrolle durante el viaje que tendrá desde la posición inicial y el punto de impacto con la probeta, antes de ser liberado el péndulo se debe realizar un una compensación y dar el punto de partida de la máquina de ensayos de impacto. En el momento en el que la maquina ya se encuentre

24

configurada es liberado el péndulo el cual genera una energía potencial la cual al impactar la probeta es absorbida por la probeta en gran cantidad sin embargo el péndulo después de romper la probeta, sigue su trayectoria y gracias al movimiento restante se puede hacer una suma de energías, las cuales dan como resultado la energía necesaria para producir la ruptura de la probeta.

Figura No 4. MAQUINA PARA ENSAYOS DE IMPACTO LABORATORIO UNIVERSIDAD DISTRITAL FUENTE; AUTOR

5.4.3 Prueba de Tensión Después de realizadas las probetas de acuerdo a la norma ASTM E-8, las probetas fueron sometidas a fuerzas de tensión en la máquina de ensayos universal UH-50A marca Shimadzu, al utilizar los medios que se encuentran en la universidad en el momento en que se realizó la prueba, la máquina de ensayos no tenía disponible el extensómetro con el cual se obtienen los datos de alargamiento de la probeta, lo que restringió la prueba a tomar en cuenta solamente la tensión máxima. Para esta prueba se realizaron 22 probetas, de las cuales una de ellas es de material base o de entrega, y las demás 21 probetas fueron solubilizadas a 500°C por un periodo de una hora, y posterior temple en agua a temperatura ambiente, luego se dividieron para ser envejecidas en grupos de 3 por cada periodo, dejando un grupo de ellos para relacionarse como material inicial inmediatamente al del envejecido, para tener un punto de partida conocido, puesto que del material base adquirido, no se tiene un registro de tiempo en el cual se ha envejecido artificialmente. Seguidamente los periodos a los que fueron expuestos fueron 2, 4, 6, 8, 12 y 18 horas, y de la misma forma en que se agruparon las probetas para su análisis promedio y observación de comportamiento.

25

En esta prueba el esfuerzo máximo revelara el cambio de la microestructura, para ello se sometieron las probetas de prueba a fuerzas sobre su eje longitudinal, con el fin de alargarla hasta el punto de ruptura y así en ese momento poder obtener el valor de resistencia máxima.

Figura No 5, MAQUINA PARA ENSAYOS UNIVERSAL UH-50A MARCA SHIMAUDZU LABORATORIO UNIVERSIDAD DISTRITAL FUENTE; AUTOR

5.5 Prueba de Ultrasonido Industrial. Durante la medición de la velocidad longitudinal se utilizó un equipo de ultrasonido industrial USM 35 con presentación de pantalla en Scan A, un cable de 6 pies de longitud con conectores microdot a Fischer y un traductor con Angulo de 90° y una frecuencia de operación de 5MHz, además durante la prueba se tuvieron en cuenta los parámetros que definen la calidad de la prueba, además se tomaron las probetas de impacto las cuales tienen un espesor mayor a 5 milímetros, su rugosidad menor a 3.2µm y la planeidad fue garantizada durante la elaboración de las probetas7. Para la calibración inicial se utilizó un bloque con defectos artificiales de aluminio 6061, y se realizaron las siguientes pruebas al equipo, transductor y cable en conjunto para garantizar el correcto funcionamiento de los equipos en conjunto:

7 ASTM, Standard Practice for Measuring Ultrasonic Velocity in Materials, NORMA E494,2005

26

Rango: Para ello tomamos el patrón de calibración con un rango de cuatro pulgadas y posicionamos el traductor (Figura No 6 DETALLE a)), obteniéndose una señal en la posición del 100% en la escala graduada para el rango de 4 INCH, seguidamente con esta calibración se posicionara el transductor como se observa en la (Figura No 6 DETALLE b)), donde se deben obtener cuatro señales las cuales deben perder altura, indicando que durante el recorrido del ultrasonido en el material se ha perdido energía.8 Resolución: En esta prueba la dispersión del haz ultrasónico es importante ya que gracias a esta prueba tendremos el punto exacto de la velocidad del sonido durante la prueba, para esto tomamos la calibración que se dio para la calibración de rango y la posicionamos según detalle c, la señal que debemos obtener debe ser definida y con diferentes ganancias, puesto que el ultrasonido debe ser eficaz en detectar defectos pequeños.

Figura No 6. SEÑALES EN EL PATRON DE CALIBRACION EN LA CONFIGURACION INICIAL. a) Prueba de Rango señal 4 INCH b) Prueba de Rango señal a 1 INCH, c) Prueba de Resolución FUENTE:

http://168.101.24.238/ultrasonido/ND%201.html

Figura No 7. EQUIPOS UTILIZADOS DURANTE LA PRUEBA DE ULTRASONIDO INDUSTRIAL. FUENTE: AUTOR

Después de realizadas las pruebas donde se encontró que el conjunto de equipos funcionaban en óptimas condiciones, se procedió a realizar la medición de la

8 INTERNET, http://168.101.24.238/ultrasonido/ND%201.html

27

velocidad longitudinal, para ello se tomaron las probetas una a una u fueron medidas con un calibrador pie de rey y el rango fue modificado en el equipo, luego de posicionar el transductor sobre la probeta con el rango modificado para cada una de ellas, se cambió el parámetro de velocidad longitudinal hasta que la señal se posicionara en el 100% de la escala en el equipo, obteniendo así la medición de la velocidad longitudinal del sonido dentro del material. 5.6 Análisis de la Microestructura. Los cambios en la microestructura inicialmente se realizaron en un microscopio electrónico óptico con el cual se identificó los cambios en la microestructura, lo que después se verifico por medio del SEM, y poder realizar un correcto seguimiento a los precipitados que endurecieron la aleación. 5.6.1 Microscopia Óptica Durante la prueba de Microscopio Óptico se estandarizaron los aumentos a 500X y 200X, para poder tener una referencia adecuada de los cambios en la microestructura, este método no permitió verificar las composiciones químicas de los elementos de la microestructura del material, para esto fue necesario incluir un análisis por SEM para complementar la caracterización de la estructura. 5.6.2 SEM Para el análisis por medio del SEM o “Scanning Electron Microscope”, se utilizaron las mismas probetas con las cuales se realizaron las mediciones de Dureza, Impacto y Ultrasonido Industrial, garantizando con ello que los resultados obtenidos fuesen lo más acertados posible, para esta prueba se usó un SEM, marca Quanta modelo 200 propiedad de la Universidad de Colombia, con esta prueba se caracterizó la microestructura de las probetas de prueba, este microscopio funciona en una cámara

de vacio que por lo general es mantenida en a un vacío de torr, para garantizar el correcto viaje de los electrones desde la columna de electrones hasta el material de muestra, la columna de electrones posee un filamento de tungsteno de aproximadamente 100µm de diámetro, que se calienta produciendo un haz de electrones por emisión termoiónica, El filamento está rodeado por una pieza metálica cilíndrica, denominada cilindro de Wehnelt Figura No 8, que se mantiene a un potencial negativo variable que obliga a los electrones a focalizarse en una pequeña región de entre 25 y 100µm. Unos pocos milímetros por debajo de esta pieza metálica se encuentra un ánodo que puede polarizarse hasta un potencial de 50kV. Los electrones se aceleran a este potencial mientras que un par de bobinas electromagnéticas denominadas lentes condensadoras, demagnifican el haz una cierta cantidad. Un segundo par de bobinas, llamadas lentes objetivos concentran el haz hasta una sección mínima, que puede variar de 1nm a 500nm. Asimismo, un par de bobinas de deflexión electromagnéticas permiten realizar el barrido del haz de electrones sobre la muestra en sincronismo con la impresión de la imagen en la

28

pantalla del monitor. Esto implica que a cada punto de la muestra le corresponde un punto de la imagen9.

Figura No 8. SCANNING ELECTRON MICROSCOPE” QUANTA 200, UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FUENTE; AUTOR

Figura No 9. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO. FUENTE: internet file:///C:/Users/Ricardo/Desktop/Proyecto%207075%2002%20AGO%2015/Doc%20Descargados/SEM%20documento.pdf

9INTERNET,(file:///C:/Users/Ricardo/Desktop/Proyecto%207075%2002%20AGO%2015/Doc%20Desc

argados/SEM%20documento.pdf)

29

6. RESULTADOS 6.1 Pruebas Mecánicas El envejecido artificial produce en el aluminio un endurecimiento el cual puede ser verificado por una serie de prueba de mecánicas, esto debido a que durante la aplicación del tratamiento térmico de Solubilización y envejecido artificial, los elementos que componen la aleación tienden a segregarse o situarse de forma sobresaturada en los bordes de grano10, para la detección de este cambio microestructura se realizó pruebas de dureza por macroindentacion, tensión para encontrar su esfuerzo último, e impacto, con estas pruebas se monitoreara el cambio de sus propiedades mecánicas y posterior a ello, se realizara el análisis del cambio microestructura por la técnica metalográfica. 6.1.1 Ensayo de Dureza Las mediciones de durezas fueron realizadas en la probeta de impacto haciendo 3 indentaciones por cada probeta (Anexo 1), durante el análisis de los datos del ensayo de dureza, se tomaron las mediciones más confiables de acuerdo a su desviación estándar por grupo de tomas, con el fin de utilizar las mediciones que dieran la mayor fiabilidad de la prueba, por esta razón se eligieron las probetas que se relacionan en la Figura No 10, en ella se relaciona las probetas que presentaron las menores desviaciones estándar, gracias que al tener en cuenta este parámetro se pudo determinar que las mediciones se encuentran en un rango aceptable para poder tomar estas mediciones como referencia, las desviaciones estándar se mantuvieron en un rango de 0,4725 a 9,9425, siendo muy consecuentes con los resultados obtenidos del coeficiente de desviación que se mantuve en un rango de 0,53% y el 13,46%, dando un excelente punto de referencia para ser utilizadas las mediciones obtenidas, ya que corroboran la pequeña desviación de los datos respecto al promedio y la varianza. Con las mediciones obtenidas se pudo evidenciar que la dureza, muestra una caída brusca desde el material base hasta el promedio de material solubilizado sin ningún tipo de envejecido artificial, pero en la Figura No 10, se dejó atrás esta caída para mostrar que la dureza tuvo un incremento progresivo a medida que se aumentaron las horas de envejecido, que corresponde a la probeta No 2 solubilizada y posteriormente templada en agua a temperatura ambiente, hasta la probeta No 21, la cual fue envejecida por un periodo de 18 horas.

10

Estudio del comportamiento de las señales obtenidas de un ensayo ultrasónico de contacto en la aleación de aluminio AA5052 homogenizada, César E. Flores, Freddy Fraudita, Carlos González, Demian Pereira, 5th Pan American Conferencie for NDT, octubre 2011

30

Figura No 10. MEDICIONES DE DUREZA PARA TODAS LAS PROBETAS DE PRUEBA Y MATERIAL BASE.

En la Figura No 11, se puede visualizar que:

Desde el material base a la probeta solubilizada a 500°C, y templada en agua a temperatura ambiente, se observó una disminución porcentual del 26,75 %, indicando que durante tratamiento térmico, se obtuvo un cambio completo de sus propiedades mecánicas al realizar una correcta Solubilización del material.

Después de la disminución porcentual más alta que se observó en las probetas solubilizadas a 500°C y posterior temple en agua a temperatura ambiente, se observó un aumento progresivo en la dureza a medida que las probetas fueron expuestas a un envejecido artificial más prolongado.

Después de iniciar el aumento progresivo de la dureza, se llegó a las probetas para los tiempos de envejecido más extensos como lo fueron las probetas expuestas a 12 y 18 horas de envejecido después de la Solubilización, donde se pudo observar un cambio de 5,75% y 2,19% respectivamente, con respecto a las probetas envejecidas por un periodo de 8 horas, cuando por una progresión se esperaba una disminución porcentual del 1,5% para las probetas envejecidas por 12 horas y un 3% para las probetas envejecidas por un periodo de 18 horas.

31

Figura No 11. VARIACION PORCENTUAL DUREZA HRB PARA TODAS LAS PROBETAS DE PRUEBA Y MATERIAL

BASE.

6.1.2 Ensayo de Impacto Durante la prueba de impacto por medio de la prueba Charpy, se obtuvieron los datos relacionados (Anexo 2), para este ensayo se utilizaron tres probetas para cada tiempo de envejecido y una como referencia en material base, en todas las probeta se observó una ruptura completa, mostrando una fractura frágil puesto que no se evidencio ningún tipo de deformación plástica como se puede observar en la Figura No 13.

32

Figura No 12. MEDICIONES PROBETAS DE IMPACTO.

En la Figura No 12, se pudo observar que:

Se observó que el material base tiene una energía absorbida de solamente 4,83 J, y en las probetas promediadas con tratamiento térmico de Solubilización y posterior temple a temperatura ambiente, una energía absorbida de 16,113 J, lo que induce una variación porcentual del 233,6 %, indicando una transformación efectiva del material por medio del tratamiento de Solubilización, lo que es una excelente partida para la aplicación de las siguientes pruebas mecánicas de Impacto.

Una posterior disminución de energía absorbida en el grupo de probetas envejecidas por un periodo de 2 horas, muestra una variación porcentual del 182,6%, respecto a las probetas que fueron solamente solubilizada y templada en agua a temperatura ambiente como se muestra en la Figura No 14.

Después de iniciarse el envejecido las probetas muestran un una variación porcentual positiva, de una forma constante a medida que son expuestas a periodos de envejecido más prolongados, sin embargo en el periodo de envejecido de 6 horas, se dio una variación porcentual del 129, 7%, la cual es mayor a la que se esperaba de 97,05% sin embargo las probetas del tiempo

33

de envejecido de 8 horas, siguió con la tendencia de aumentar la cantidad de energía absorbida durante el ensayo Figura No 12.

Figura No 13. FRACTURA DE LAS PROBETAS DE PRUEBA ENSAYO CHARPY.

Horas de envejecido

Energía Absorbida

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3

Material base 4,83

0 16,56

2 7,76

4 8,85

6 11,56

8 8,09

12 9,33

18 19,64

34

Figura No14. VARIACION PORCENTUAL ENERGIA ABSORBIDA PARA TODAS LAS PROBETAS DE PRUEBA Y MATERIAL BASE.

6.1.3 Ensayo de Tensión Los datos obtenidos en las pruebas de tensión se cuantificaron en Mega pascales para esfuerzos, las deformaciones son calculadas bajo la Ecuación No 2.

Ecuación No 2 ECUACION PARA EL CÁLCULO DE LA DEFORMACION

1 2 3 4 5 6 7 8

. 0 233,602 50,9938 73,8233 129,772 120,373 150,904 213,264

0

50

100

150

200

250

Po

rce

nta

je d

e V

aria

cio

n

Variacion Porcentual IMPACTO

35

Figura No 15, DIAGRAMA DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN PROBETAS SOLUBILIZADAS A 500°C Y TEMPLADAS EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE.

36

Figura No 16. DIAGRAMA DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN PROBETAS SOLUBILIZADAS A 500°C Y TEMPLADAS EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE, Y

ENVEJECIDA A 180°C POR UN PERIODO DE 2 HORAS, Y ENFRIADA A TEMPERATURA AMBIENTE.

37



38



39



40

Grafica No 20. DIAGRAMA DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN PROBETAS SOLUBILIZADAS A 500°C Y TEMPLADAS EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE, Y


41



42

Figura No 22. VARIACIÓN PORCENTUAL DEL ESFUERZO MÁXIMO DE LAS PROBETAS DE PRUEBA.

Figura No 23. VARIACIÓN PORCENTUAL DE LA DEFORMACIÓN MÁXIMA DE LAS PROBETAS DE PRUEBA.

En los diagramas Esfuerzo Vs Deformación de los diferentes grupos de tiempos de envejecidos figuras 15 al 21, se pudo observar:

El esfuerzo máximo tuvo una disminución de forma progresiva en relación al material base, y fue mucho más aparente en después de exponerse a los periodos de envejecidos.

43

El mayor punto de esfuerzo máximo se pudo observar en el grupo de probetas que fueron solubilizadas y envejecidas por un periodo de 2 horas.

El grupo de probetas donde se pudo observar la mayor ductilidad se observó en las probetas solubilizadas y templadas, las cuales no poseían ningún tipo de envejecido artificial.

Después de observado el comportamiento de los diferentes envejecidos artificiales, efectuados a las probetas de pruebas se puede observar de acuerdo a la Figura No 22 y 23 variaciones porcentuales:

La mayor variación porcentual en relación al material base, se obtuvo en el segundo grupo de probetas las cuales fueron solubilizadas y posteriormente templadas en agua a temperatura ambiente.

Al iniciar los tiempos de envejecidos se observó un cambio brusco en la variación porcentual en el momento en que

Se observó un aumento porcentual progresivo en las probetas envejecidas artificialmente desde el periodo de 2 horas hasta el periodo de 18 horas.

La mayor variación porcentual de la deformación máxima se observó en las probetas que no fueron expuestas a ningún periodo de envejecido y correspondió a un porcentaje del 96.99%.

Al iniciar los periodos de envejecimiento artificial la disminución porcentual se disminuyó en un 109%, sin embargo esta disminución porcentual fue siendo cada vez menor en comparación con la probeta de material base.

La disminución porcentual se mantuvo hasta el tiempo de envejecido de 8 horas donde tuvo una pequeña tendencia a aumentar en los tiempos de envejecido de 12 y 18 horas.

La relación apreciable entre el esfuerzo y la deformación máxima, es inversamente proporcional, en todos los tratamientos realizados a las probetas de prueba

6.2 Prueba de Ultrasonido Industrial

Para la prueba de ultrasonido inicialmente se realizó una inspección no destructiva al material para detectar posibles defectos que se hallan dado por el temple desde los 500°C del tratamiento de Solubilización a temperatura por medio de un temple en agua, en esta prueba no se encontró ningún defecto durante los tratamientos térmicos realizados. El ensayo de medición de la Velocidad Longitudinal se realizó con una frecuencia de 5MHz, al determinarse que es la señal más estable durante las mediciones previas con las frecuencias de 10 y 15 MHz, y fue realizada en las probetas de impacto las cuales permitían un área adecuada para la posición del transductor y permitieron un rango adecuado para el transporte de la señal dentro del material, la calibración inicial del equipo fue mantenida durante el proceso de medición Tabla No 2,Calibración Inicial del equipo de Ultrasonido, y solamente fue modificado el

44

parámetro de Velocidad del Material, variable que se esperaba que cambiara durante el ensayo.

Tabla No2. Calibración Inicial del equipo de Ultrasonido.

Durante la medición de la velocidad longitudinal a las probetas de prueba, se identificaron cambios representativos los cuales fueron plasmados en las Figura 25, 26 y 27 de las cuales se pude deducir:

En el material base encontró la mayor velocidad longitudinal.

En el material solubilizado a 500°C y templado posteriormente en agua a temperatura ambiente, se observó la mayor disminución de la velocidad longitudinal en un 1,6% en referencia al material base, y una disminución de del 0,2% en el primer periodo desde el periodo de envejecido de dos hasta el periodo de 4 de envejecido seguido a un aumento progresivo donde los periodos disminuyen y aumentan en un rango de 0,37%.

En la figura No 25, se pudo observar un comportamiento muy regular con cambios significativos en la manipulación térmica inicial, y posteriores cambios muy pequeños en la velocidad del material durante los periodos de envejecido artificial.

45

Figura No 24. MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD LONGITUDINAL, CON FRECUENCIAS DE 5 MHZ PARA TODAS LAS

PROBETAS.

Figura No 25. VARIACION PORCENTUAL DE LA VELOCIDAD LONGITUDINAL PARA LAS PROBETAS DE PRUEBA Y

MATERIAL BASE.

46

6.3 Análisis de la Microestructura La preparación de las probetas se realizó después de los tratamientos térmicos para

ello se tomó la parte más externa de las probetas de impactó en las cuales se realizó

la prueba de Ultrasonido, y fueron preparadas de la misma forma para la prueba de

Microscopio Óptico como para el Microscopio de Barrido Electrónico.

Para llegar a una superficie óptima para las pruebas de microscopio óptico y el SEM,

de realizo lijado con 5 diferentes valores de lija, y después se verifico el polichado por

medio del microscopio óptico y la microestructura se revelo por medio del ataque

químico llamado Keller’s modificado, con la cual se encontró las constituyentes

microestructurales a ser evaluados.

Durante el análisis de la estructura por medio del microscopio Óptico, no se identificó

a ciencia exacta elementos de la microestructura, por esta razón fue complementada

con la técnica del SEM

Inicialmente el material base es un material del que no se tiene la certeza de cuales

han sido las condiciones ambientales, ni el tiempo después del proceso de

envejecido, por esta razón esta probeta que no recibió ningún tipo de tratamiento

térmico, será solamente una referencia de para identificar la correcta Solubilización

del material.

Para realizar una correcta interpretación de las microestructuras obtenidas durante la

técnica de microscopia óptica es necesario hacer un recorrido por los cambios que

ocurrieron durante los tratamientos térmicos, Durante el tratamiento térmico de

Solubilización se obtiene una solución solida sobresaturada donde todos los aleantes

se disuelven en la matriz de aluminio, y son retenidos en este estado por medio de

un temple en agua a temperatura ambiente y se encuentra en un estado

metaestable, lo que significa que la microestructura es termodinámicamente

inestable, con una fuerza de conducción metalúrgico para la aleación para mover

hacia la estructura de equilibrio - la energía libre total del sistema se reduce

progresivamente a medida que se mueve hacia el equilibrio11.

Después las probetas restantes se expusieron a periodos de envejecido artificial de

2, 4, 6, 8, 12, 18 horas a una temperatura de 180°C, donde se observa el

endurecimiento de las probetas por el fenómeno de precipitación de sus

componentes aleantes.

11

M H Jacobs, Interdisciplinary Research Centre in Materials, The University of Birmingham, UK, and Precipitation Hardening, TALAT Lecture 1204-Pag 5, 1999.

47

Como primer paso se obtuvo la composición química de la aleación, realizando

análisis a la probeta No 1 (material base), la cual no recibió ningún tipo de

tratamiento térmico, y es el material tal como fue recibido de la empresa proveedora

Figura No 36. La comparación arrojo que la aleación corresponde a la serie 7075,

realizando la comparación de acuerdo a los datos teóricos descritos en la TABLA No

3

Tabla No 3. TABLA DE COMPARACION DE LA ALEACION CON DATOS TEORICO, FUENTE: METAL HAND BOOK VOL 2.

PAG 69

Seguidamente al análisis para verificar la composición química del material base, se

inició un análisis de cada una las probetas con el fin de corroborar la composición

química de los precipitados, e identificar defectos y partículas que no fueron

coherentes durante la microscopia Óptica, utilizando varios aumentos y las técnicas

de “Secondary Electron Images” al igual que la técnica de “Back Scattered Electron

Images”, las cuales son adecuadas para detectar estas estructuras tal como se

muestra en la Figura No 26.

Figura No 26. TECNICAS DE OBSERVACION DEL SEM

12.

12 M H Jacobs, Interdisciplinary Research Centre in Materials, The University of Birmingham, UK, and

Metallography of Aluminum alloys, TALAT Lecture 1202-Pag 12, 1999.

PROBETAS OBS. Al Mg Zn Cu Si Fe Mn Cr Ti ELEMENTOS NO ESPECIFICADOS

ASTM METAL

HANDBOOK

2.1-2.9

5.1-6.1

1.2-2.0

0.4 0.5 0.3 0.18-0.28

0.20

0.05 CU-0.15 TOTAL

ANALISIS POR SEM

MATERIAL BASE

89.3 2.34 5.70 1.85 0.25

48

Figura No 27. PARTICULAS RICAS EN Fe, a)MATERIAL BASE A 200X MICROSCOPIA OPTICA, b)MATERIAL BASE POR MICROSCOPIA DE BARRIDO ELECTRONICO,

c)PARTICULA SELECCIONADA PARA ANALISIS, d) RESULTADOS DEL ANALISIS A PARTICULA SELECCIONADA.

49

Figura No 28. IDENTIFICACION DE MICROESTRUCTURA A LA PROBETA CON MATERIAL BASE.

50

Figura No 29. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C Y TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE.

51

Figura No 30. ANALISIS POR MEDIO DEL SEM A PROBETA SOLUBILIZADA A 500°C, TEMPLADA EN AGUA A TEMPERATURA AMBIENTE Y EXPUESTA A UN

PERIODO DE ENVEJECIDO A UNA TEMPERATURA DE 180° POR 2 HORAS.

52



53



54



55



56



57

Figura No 36. IMPUREZAS ENCONTRADAS DURANTE EL ANALISI CON SEM.

Durante el análisis de las probetas por medio del microscopio óptico y SEM se pudo observar:

La microestructura de la probeta de material base tiene una microestructura

clara y definida, en ella se puede observar granos, límites de grano,

precipitados y las partículas ricas en hierro.

Los precipitados identificados en el material base se dispersaron en la matriz

de aluminio durante el tratamiento de Solubilización, ellos cambiaron

progresivamente de tamaño y posición a medida que los periodos de

envejecimientos fueron más largos, ellos se forman por descomposición de la

solución sólida sobresaturada durante un tratamiento de envejecimiento, y son

los responsables de la alta resistencia mecánica de esta aleación13.

13

Alberto Orozco Caballero, OPTIMIZACIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Al-7%Si Y Al 7075 MEDIANTE DEFORMACIÓN PLÁSTICA SEVERA:

58

Los límites de grano en el material base estaban bien definidos, pero en el proceso de Solubilización fueron también diluidos en la solución solida sobresaturada que se produjo por dicho tratamiento, sin embargo en los periodos de envejecido de 4 horas en adelante se pudieron observar con mayor claridad, y fueron siendo cada vez más visibles en la medida que los precipitados se fueron depositando en ellos.

Los límites de grano después del periodo de Solubilización no fueron visibles pero después del primer periodo de envejecido fueron haciéndose más oscuros gracias a los precipitados se posicionan en ellos.

Se observan partículas ricas en hierro en todas las probetas manteniéndose constantes en tamaño y composición, ellas no se fusionaron durante el tratamiento de Solubilización del material, puesto que el punto de fusión del hierro es de 1535°C14 y una solubilidad de tan solo el 0.005wt% en el aluminio a 665°C15, y la temperatura más alta a la que fueron expuestas las probetas fue 500°C, durante el tratamiento de Solubilización. Las partículas con alto contenido de hierro se comportaron como Partículas constituyentes con un rango de tamaño desde 1 a 30 μ y se forman a partir del Fe y el Si presentes en la aleación como impurezas. Son resistentes a la disolución, presentan morfología irregular y son perjudiciales para la mayoría de las propiedades mecánicas de la aleación16.

Las zonas ricas en magnesio fueron siendo más claras y más libres de cobre debido a que la diferencia de tamaño atómico con el aluminio (alrededor del 10% más pequeño17) permite que las vacancias sean ocupadas por los átomos de cobre ya que el maximo endurecimiento esta asociado con un tamaño critico de particula18.

Durante las pruebas efectuadas se determinó que en los casos donde la indicación sea de forma ovalada o circular, se refiere a una impureza como se muestra en la Figura No 36.

PROCESADO POR FRICCIÓN BATIDA (FSP) Y EXTRUSIÓN EN CANAL ANGULAR CONSTANTE (ECAP), Tesis Doctoral, 2014. 14

Internet: (https://es.wikipedia.org/wiki/Hierro), 20 de Abril de 2015. 15

M H Jacobs, Interdisciplinary Research Centre in Materials The University of Birmingham, UK, Introduction to Aluminium as an Engineering Material, TALAT Lecture 1201, Pag 12, 1999. 16

Alberto Orozco Caballero, OPTIMIZACIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Al-7%Si Y Al 7075 MEDIANTE DEFORMACIÓN PLÁSTICA SEVERA: PROCESADO POR FRICCIÓN BATIDA (FSP) Y EXTRUSIÓN EN CANAL ANGULAR CONSTANTE (ECAP), Tesis Doctoral, 2014. 17

M H Jacobs, Interdisciplinary Research Centre in Materials, The University of Birmingham, UK, and Precipitation Hardening, TALAT Lecture 1204-Pag 6, 1999. 18

httpcdigital.dgb.uanl.mxte10201460661020146066_02.pdf

59

6.4 Analisis de Resultados Para una mejor comprension de los resultados, fueron puestos de forma simultanea las variaciones porcentuales, las cuales muestran el comportamiento de las propiedades mecanicas del material despues de ser tratado termicamente al periodo de solubilizacion y los diferentes periodos de envejecido artificial.

Figura No 37 VARIACION PORCENTUAL DE LA DUREZA EN COMPARACION CON LA ENERGIA ABSORBIDA EN LA

PRUEBA DE IMPACTO, ESFUERZO MAXIMO EN LA PRUEBA DE TENSION Y LA MEDICION DE VELOCIDAD LONGITUDINAL.

Despues de realizada la comparacion de las mediciones tomadas deacuerdo a la variacion porcentual y lineas de tendencia en las figura No 37 se pudo deducir que:

La mayor variacion porcentual se dio en las probetas de impacto, en ellas la cantidad absorbida por la probeta solubilizada fue de un 233.6% en comparacion con la probeta de material base, despues de esto tuvo una caida porcentual del 82.7%, la cual inicio un aumento progresivo hasta alcanzar una

60

variacion del 213.26%, en la probeta envejecida por un periodo de 18 Horas, sin embargo la menor variacion porcentual fue del 50.99%, aclarando que siempre se mantuvo en un rango positivo en comparacion con la probeta del material base.

Las propiedades de dureza, y tension fueron disminuidas por los tratamientos tanto de solubilizacion, temple y envejecido artificial, la unica propiedad que mejoro en todos los tratamiento realizados a las probetas fue la propiedad de impacto, donde la cantidad de energia absorbida durante la prueba mejoro positivamente esta propiedad en el material.

Los mayores cambios porcentuales en todas las propiedades mecanicas, se evidencio durante la solubilizacion y posterior temple, las probetas expuestas a este tratamiento mostraron una variacion porcentual negativa en dureza del 26.74%, esfuerzo maximo 18.14% y velocidad longitudinal de 1.62%, y una variacion positiva en la propiedad de impacto donde su variacion fue del 233.6%.

El aumento de las propiedades mecanicas afectadas por el envejecido artificial, tiene un aumento progresivo a diferencia del esfuerzo maximo en la prueba de tension, sin embargo, el endurecimiento máximo está asociado con un tamaño óptimo y un gran número de precipitados, el reenvejecimiento significa, por el contrario, pequeño número de partículas grandes, las probetas reenvejecidas presentan ablandamiento como resultado del envejecimiento prolongado. El reenvejecimiento no significa que todas las partículas de precipitados crezcan sino que las más pequeñas desaparecen y las mayores aumentan de volumen. Se produce una disminución considerable del número de partículas19

En la condición que se realizó la relación es suficiente para observar que el material no fue reenvejecidas y que los periodos de envejecido fueron suficientes para observar la relación que existe con el cambio de la velocidad del sonido dentro del material.

La deformación creada en la matriz (disolvente) de una aleación por la aparición de precipitados aumenta a medida que aumenta el tamaño del precipitado. Pero este tamaño no puede aumentar indefinidamente. La partícula al crecer llega un momento que debe separarse de la matriz tomando una superficie o límite de fase. Esta pérdida de coherencia de la red reduce al estado de deformación asociado con los precipitados20, por esta razón las propiedades de impacto y dureza se vieron mejoradas, gracias a que los precipitados se posicionaron de forma agrupada en los límites de granos y en las vacancias de la microestructura dando paso a una resistencia frente a los deslizamientos.

19 F.R.Morral, E. JIMENO, P. Molera: Metalurgia general, 2004, vol. 1, pp. 1230-1236. 20 F.R.Morral, E. JIMENO, P. Molera: Metalurgia general, 2004, vol. 1, pp. 1230-1236.

61

7. CONCLUSIONES

El tratamiento de Solubilización a temperatura de 500°C, y templado en agua a temperatura ambiente, produjo una disminución del 1,6% respecto al material base, y no se pudo llegar a igualar por los periodos de envejecido, lo que significa que los precipitados ricos en cobre pueden requerir de periodos más largos para poderse obtener los mismos valores en sus propiedades mecánicas que el material de aporte.

La Solubilización en el material creo una solución solida sobresaturada la cual, disolvió la mayoría de los componentes aleantes en la matriz de aluminio y esto fue visible en las zonas de precipitación, las cuales se esparcieron, en toda la microestructura dando así paso a un punto de partida para la observación de los efectos que produce el envejecido.

Los granos ricos en zinc y en magnesio se mantuvieron constantes gracias a que los precipitados se desplazaron a los límites de grano y fueron agrupándose dentro del grano, ya que el material cuyo radio atómico es significativamente pequeño en comparación con los átomos de aluminio son los del cobre.

Las pendientes que se obtuvieron durante las pruebas mecánicas y la prueba no destructiva de ultrasonido industrial fueron positivas, indicando que se llegó a un punto intermedio de la precipitación completa, de esa forma se puede concluir que durante los periodos de envejecidos aplicados a las probetas no se obtuvo un sobre envejecido el cual se hubiera detectado por medio de una un cambio repentino de valores en las propiedades mecánicas.

Los precipitados se dispersaron durante el tratamiento de Solubilización, posterior a esto se fueron agrupando dentro de los granos y los límites de grano, lo que aumento en pequeña medida la velocidad longitudinal del material, gracias a que el cobre es un muy buen conductor, siendo el aumento de la velocidad longitudinal proporcional a los periodos de envejecido.

62

8. BIBLIOGRAFIA

1. STANDARD TEST METHODS FOR NOTCHED BAR IMPACT TESTING OF METALLIC MATERIALS (ASTM) INTERNATIONAL E18-05, Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials, E 18-05

2. STANDARD TEST METHODS FOR NOTCHED BAR IMPACT TESTING OF METALLIC MATERIALS (ASTM) INTERNATIONAL E 112 – 96, Métodos de Prueba Para Determinar el Tamaño de GranoPromedio, E 112-96

3. STANDARD TEST METHODS FOR NOTCHED BAR IMPACT TESTING OF METALLIC MATERIALS (ASTM) INTERNATIONAL E23, Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, E 23-82

4. STANDARD TEST METHODS FOR NOTCHED BAR IMPACT TESTING OF METALLIC MATERIALS (ASTM) INTERNATIONAL B-557-10, Standard Test Methods for Tension Testing Wrought and Cast Aluminum- And Magnesium-Alloy Products, B-557-10

5. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN, Trabajos escritos: presentación y referencias bibliográficas. Sexta actualización. Bogotá: ICONTEC, 2008 110P.

6. Bohórquez A. Carlos Arturo, Lemus Javier, Sierra C. Mauricio. Influencia del tratamiento térmico de envejecimiento en las propiedades mecánicas de los aluminios 6061 T6 y 6063 T5, Avance de investigación en Ingeniería, Universidad Libre, Ingeniería Mecánica, Bogotá, Colombia, 2011.

7. Bautista Jacobo Juana Lilia, Estudio de la resistencia a la fatiga ultrasónica de la aleación de aluminio AISI-SAE 6063 t-5, Tesis de grado ingeniero, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán, México, 2012.

8. Cavazos José Luis. (1998). tratamiento térmico de una aleación de aluminio 6063. Tesis de grado doctor, Universidad Autónoma de Nuevo León Jun. de 1998.

9. Laughlin David E., Rioja Roberto, Ciencia, La secuencia de precipitación en aleaciones de aluminio y cobre, Universidad Carnegie-Mellón, EUA, 1981.

10. Espinoza B. Henry, Torres R. Y raima A., Torrealba Zurilma, Aplicación de la microscopia electrónica de barrido a la caracterización de fallas en cojinete con recubrimientos antifricción, Universidad de Oriente, Venezuela, 2008.

11. VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, (Gandía 2002), Optimización del tratamiento térmico de envejecimiento en materiales compuestos base aluminio,Universidad Politécnica de Catalunya, España. 2002.

12. Fases de un tratamiento térmicohttp://www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos.htm.

13. Soldadura, químicos, herramientas…especiales. Just another WordPress.com site http://soldaduraymas.wordpress.com/2011/05/14/caracteristicas-aluminio-2/.

http://www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos.htm

http://www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos.htm

http://soldaduraymas.wordpress.com/

http://soldaduraymas.wordpress.com/2011/05/14/caracteristicas-aluminio-2/

http://soldaduraymas.wordpress.com/2011/05/14/caracteristicas-aluminio-2/

63

14. http://www.ndte⁻ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm.

15. Ultrasonic Non Destructive Testing - Advanced Concepts and Applications (National Instruments). (Tutoría).

16. U.S. Geological Survey, [year of last update, e.g., 2005], [Mineral commodity, e.g., Gold] statistics, in Kelly, T.D., and Matos, G.R., comps., Historical statistics for mineral and material commodities in the United States: U.S. Geological Survey Data Series 140, accessed [date], at http://pubs.usgs.gov/ds/2005/140/.

17. Profesor titular de Economía Aplicada, Investigador principal (Asia -Pacífico) del Real Instituto Elcano, Artículo publicado en Cuadernos de Información Económica, nº 186, mayo-junio de 2005,Fundación de las Cajas de Ahorro (FUNCAS-CECA).

18. Internet: (http://soldaduraymas.wordpress.com/2011/05/14/caracteristicas-aluminio-2/)

19. Aluminium India, El Aluminio gana terreno sobre el acero y el cobre, (2013 12 -14 september Bombay Exhibition centre Mumbai, India.

20. vonGleich, Arnim, “Outlines of a sustainable metals industry”, en: vonGleich, A., Ayres, R., y Göbling-Reisemann, S (eds.), Sustainable Metals Management. Springer, Holanda, 2006, p. 7.

21. Ciencia e ingenieria de los materiales, International. Thomson Editores, S.A. de C. V., tercera edicion, 1998.

22. HelbertMartinez,YohanRodriguez, Propuesta de grado, INFLUENCIA DEL ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN EN UN ALUMINIO 6061 T6. Propuesta de Grado, universidad Distrital FransicoJosé de Caldas, 2013.

23. J. M. Badia, J. M. Antoranz P. Tarin, C.Lopezdel Castillo, A. G. Simon, N. M. Piris, Influencia de la sobremaduracion en las propiedades mecanicas y comportamiento a corrosion bajo tension de una aleacion 7075 T6, Articulo departamento de materiales y produccion aeroespacial E.T.S.I. aeronauticos U.P.N. 28040, Madrid, 2004.

24. E. Rodríguez, F. Fraudita, L. Amorer. “Effect of Surface Rougness in Ultrasonic Testing (Pulse-echo by Direct contact) in AISI/SAE 4340 Steel Samples. NDT & E International. Vol. 8 Nº 11. 2003, citado por César E. Flores, Freddy Fraudita, Carlos González, Demian Pereira.

25. NondestructiveTestingHandbook, “UltrasonicTesting”, 2nd edition, Volume 7, ASNDT, USA, 1992, citado por César E. Flores, Freddy Fraudita, Carlos González, Demian Pereira.

26. J. Gómez. “Estudio de las Transformaciones Ocurridas Durante el Tratamiento Térmico de Homogenización en la Aleación de Aluminio 5052 producida por C.V.G. ALCASA”. Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ingeniería. 1998, citado por César E. Flores, Freddy Fraudita, Carlos González, Demian Pereira.

http://www.ndte/

INFORMACIÓN DEL PROYECTO EFECTODEL CAMBIO DE...

Documents

Transcript of INFORMACIÓN DEL PROYECTO EFECTODEL CAMBIO DE...