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M E C A N I SM O S D E E N D UR E C I M I E N T O

Es innegable que la estructura es un factor primordial para definir el comportamiento mecánico de lossólidos. Este parámetro depende de la composición química y los procesamientos térmicos y mecánicos posteriores, entre los que se incluyen fundición, sinterización, trabajado en caliente, y tratamientos térmicos.Estas etapas de la producción afectan las propiedades mecánicas debido a su efecto en el tamaño de grano,gradientes de concentración, inclusiones, huecos, fases metaestables, fases dispersas y otros tipos deimperfecciones cristalinas.

A F I N A M IE N T O D E L G R A N O

El endurecimiento por afino del grano también denominado !de "all#$etch%& es consecuencia de

que los bordes de grano act'an como una barrera infranqueable para el mo(imiento de las dislocaciones, yque el n'mero de dislocaciones dentro de un grano, afecta a cómo éstas pueden trasmitir su efecto a granos(ecinos a tra(és de los bordes. El tamaño de grano de un material depende del tratamiento térmico posterior a la deformación plástica, o bien de la (elocidad de solidificación.

)ig. *++.- pilamiento de dislocaciones en un borde de grano

)ig. *++./- +nfluencia del tamaño de grano en el endurecimiento

El borde de grano act'a como punto de fijación, impidiendo la propaga#ción de las dislocaciones. $or un lado, laestructura reticular de los granos adyacentesdifiere en la orientación, por lo que serequeriría más energía para cambiar dedirección de deslizamiento. demás, ellímite de grano es una región desordenadacon campos de tensión muy ele(ados.0uando (arias dislocaciones que se mue(en

en el sentido indicado en la )ig. *++. por efecto de un esfuerzo aplicado, seencuentran con esos campos elásticos y sedetienen cada (ez a mayor distancia pro(ocando un apilamiento de las mismas.Esto aumenta la tensión interna acumuladay obstaculiza el inicio de la plasticidad,aumentando la resistencia a la fluencia delmaterial.

1a relación entre el tamaño degrano y la tensión de fluencia, está dada por la ecuación de "all#$etch

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donde σ  y es la tensión de fluencia, σ o es una constante del material relacionada con la tensión necesaria parainiciar el mo(imiento de las dislocaciones o resistencia de la red cristalina al mo(imiento&, k  y es el

coeficiente de endurecimiento constante para cada material&, y d es el diámetro promedio de los granos. 2o e3isten materiales infinitamente fuertes4 este modo de endurecimiento tiene un límite. 1os granos pueden (ariar apro3imadamente entre 55 6m granos grandes& y 6m granos pequeños&. $or debajo deeste (alor, el tamaño de las dislocaciones se apro3ima al del grano4 en uno de 5 nm sólo puede contenerseuna o dos dislocaciones, e(itándose el apilamiento. En este caso, como se obser(a en la )ig. *++./, latensión aplicada induce al deslizamiento de los bordes, resultando en una disminución de la resistencia delmaterial.

D E F O R M A CI ÓN E N F RÍ O

En la laminación, estirado y otros procesos de deformación en frío, apro3imadamente el 758 de la

energía aplicada se disipa como calor. El resto se almacena en la red cristalina aumentando así la energíainterna entre 5,5 a ,5 calorías9gramo, seg'n el punto de fusión o el contenido de aleación en el material. 1aenergía almacenada aumenta con la cantidad de deformación aplicada hasta alcanzar un (alor de saturación,y es mayor cuando la temperatura de deformación es menor. $arte de este almacenamiento puede atribuirse ala formación de (acancias y parte a energía de maclado y de fallas de apilamiento, pero en su mayoría sedebe a la generación e interacción de las dislocaciones. :u densidad aumenta de 5; a 5/ dislocaciones por centímetro cuadrado al pasar de un material totalmente recocido a uno se(eramente endurecido.

$or lo general, la dureza y el límite elástico aumentan con la deformación en frío. 1os granos de unmaterial deformado en frío tienden a alargarse y a adquirir una orientación cristalográfica preferente!te3tura%&. :i la deformación es ele(ada, la densidad disminuye ligeramente4 al mismo tiempo disminuye laconducti(idad eléctrica y aumenta la e3pansión térmica )ig. *++.

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estructura de los granos. 1a conducti(idad eléctrica se apro3ima a la del metal recocido y los rayos ?indican, sin lugar a dudas, la disminución de tensiones internas en la red cristalina. Esto e3plica por qué lostratamientos térmicos de recuperación tienen tanta aplicación industrial.

1a fuerza promotora de los procesos de recuperación y recristalización es la energía de deformaciónalmacenada.

una temperatura superior a la de recuperación, se inicia un proceso de sustitución de la estructuradeformada, por granos totalmente libres de tensiones. Esto indica el comienzo de la recristalización. Este(alor se determina fácilmente por medios mecánicos ya que la dureza y la resistencia disminuyen muyrápidamente mientras que la ductilidad aumenta. 0omo es de esperar la densidad de dislocaciones disminuyetambién en forma apreciable. @n aumento de la temperatura de tratamiento térmico a ni(eles superiores a losdel inter(alo de recristalización produce un aumento rápido en el tamaño de grano.

>esde un punto de (ista práctico, la temperatura de recristalización se define como aquella a la cual seobtiene una estructura de granos totalmente nue(a o bien, un 7A8 de granos recristalizados& en un períodode una hora. 2ormalmente se encuentra alrededor de 5,B de la temperatura de fusión en C& de la aleación.

E N DU REC I M IE N TO P O R 

S O L U T O S@n método com'n para aumentar la dureza y el límite elástico de un material, así como su (elocidad

de endurecimiento, es la aleación por soluciones sólidas. 1a fig. *++.B indica el efecto de (arios solutos en el

límite elástico del cobre tensión con(encional de 8 ).1a efecti(idad del soluto depende de la diferencia detamaño con respecto al sol(ente, y del porcentajeagregado. :i el átomo de soluto es más grande que eldel sol(ente, se inducen campos de compresión,mientras que si es más pequeño, son de tracción. 1a presencia de cualquiera de los dos obstruye elmo(imiento de las dislocaciones.

)ig. *++.B- Efecto de elementos aleantes sobre el límite elástico con(encional 8& para cobre policristalino atemperatura ambiente

E N DU REC I M IE N TO P O R  P REC I P I TA CI ÓN

En muchas aleaciones, incluyendo ciertos aceros, el principal mecanismo de endurecimientodisponible se basa en la posibilidad de fomentar el fenómeno de precipitación de forma adecuada.

@n ejemplo típico se manifiesta en aleaciones de l, cuya utilización en la industria aeronáutica esde capital importancia por su buena relación peso#resistencia, y que también se utiliza ampliamente en otroscampos industriales. :e trata de aleaciones de l, a la que se incorporan di(ersos elementos aleantes con lafinalidad de generar una masa adecuada de precipitados, distribuidos homogéneamente en el interior de losgranos de la aleación, de forma de alcanzar el má3imo grado de endurecimiento posible.

:on aleaciones endurecibles por en(ejecimiento, de las que e3isten di(ersas marcas comerciables,siendo una de las más difundidas la que se conoce como !duraluminio%. 1os elementos aleantes

incorporados, tales como 0u, )e, =g, Di, =n, etc., forman habitualmente compuestos con el l, base de laaleación, o entre sí. 1as piezas deseadas generalmente se procesan hasta obtener su geometría final, paraluego ser sometidas al tratamiento de en(ejecimiento requerido para modificar sus propiedades. 0ontandocon la composición adecuada y efectuando el tratamiento correcto, la dureza y resistencia de estas aleacionesse puede cuadruplicar respecto de esas mismas propiedades medidas antes del tratamiento.

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modo de ejemplo se analizará en el sistema l#0u )ig. *++.A&, el caso de una aleación de B,A 8de 0u, que inicialmente se encuentra a temperatura ambiente en situación de equilibrio. En estas condiciones presentará una estructura como la de la )ig. *++.;a, con granos de la solución sólida K y el compuesto θ0ul/& precipitado en bordes de grano.

El primer paso para obtener el endurecimiento por precipitación es denominado disolución, yconsiste en ele(ar la temperatura hasta el campo monofásico correspondiente, en el diagrama AA5F 0, a finde obtener, en primer lugar la disociación del compuesto θ y luego la solubilidad total en la solución sólidaC, de todo el 0u procedente de la disociación. Entonces, a AA5F 0, y luego de transcurrido el tiemponecesario para que se completen las transformaciones aludidas, el aspecto de la aleación será el mostrado en la )ig.*++.;b. 1a aleación en equilibrio AA5F 0, es monofásica y con todo el 0u disuelto en la solución sólida C.

En estas condiciones, sometiéndola a un enfriamiento rápido que impida la difusión y por lo tanto, la precipitación de θ, resulta a temperatura ambiente la solución C sobresaturada en 0u. El sistema ahora noestá en equilibrio y su posible e(olución será la segregación del e3ceso de 0u, y la precipi tación de θ.Esta precipitación debe ser controlada para obtener el objeti(o buscado- precipitados en el interior de los granos,homogéneamente distribuidos y que cada uno constituya un obstáculo eficaz para el deslizamiento de las

dislocaciones. En la )ig. *++.G se propone realizar esta etapa de precipitación a apro3imadamente G5F 0.$uesto que la cantidad total de precipitado es fija se puede calcular aplicando la ley de la palanca& la durezamá3ima se obtendrá buscando un compromiso entre el tamaño, el n'mero y la eficacia como obstáculo de las partículas. $ara ello se hace necesario determinar los parámetros adecuados del tratamiento térmicotemperatura y tiempo&.

)ig. *++.A- >iagrama de equilibrio l#0u

a& b&)ig. *++.;- =icroestructura de una aleación

de B,A 8 0u a temperatura ambiente4a& enfriada lentamente, b& templada

)ig. *++.H- Ionas de Juinier#$reston

)ig. *++.G- =archa del proceso

0uando se ele(a la temperatura en la muestra monofásica sobresaturada en 0u, comienzan a actuar los mecanismos de precipitación. En este caso, lo primero que se detecta es la aparición de las llamadasIonas de Juinier#$reston, constituidas por una deposición de iones de 0u sobre un plano cristalográfico,conformando un disco de pocas decenas de K de diámetro. 0omo el ion 0u es de menor diámetro que el de

aluminio, la presencia de estas zonas genera en la red una distorsión )ig. *++.H&, que pro(oca un sua(e perocreciente endurecimiento a medida que aumenta su n'mero, y (an creciendo y perdiendo coherencia entrelas redes cristalinas.

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)ig. *++.7- >ureza obtenida para diferentes temperaturas y tiempos de tratamiento de precipitación.

En la )ig. *++.7 se han graficado cur(as de dureza en función del tiempo de permanencia a latemperatura. 0ada una de ellas se traza tomando un n'mero adecuado de muestras, colocándolas en un hornoa la temperatura seleccionada, D  por ejemplo, y retirándolas a inter(alos de tiempo predeterminados. :eefect'a un ensayo de dureza en cada muestra y, con la cifra obtenida y los tiempos de permanencia atemperatura, se grafica la cur(a. 0omo se ha indicado precedentemente, al comienzo del tratamiento seobser(a el incremento de dureza debido a la presencia de las zonas de Juinier #$reston J#$ +&indicándose sobre la cur(a mediante un trazo de puntos.

0uando el proceso prosigue, se contin'an agregando iones 0u a las zonas4 la composición seapro3ima a la que presentará el precipitado final 0ul/& y adquiere (olumen. El sector aun tiene la red delaluminio, por lo que no se ha producido toda(ía el precipitado, denominándose Ionas de J#$ ++ o θL. Elcorrespondiente tramo de la cur(a de dureza se ha señalado mediante un trazo continuo gris.

l aumentar el tiempo, la etapa siguiente es la formación del precipitado 0ul/, que implica laadopción del tipo de red que le es propio, y es semicoherente. Es θM, indicándose su presencia con trazocontinuo negro. 0omo se obser(a en la cur(a, su presencia pro(oca el endurecimiento má3imo.

$rolongando la permanencia de las muestras a la temperatura D el precipitado contin'a creciendo, perdiendo la coherencia debido a su tamaño. >ado que la cantidad total de precipitado que se puede obtener es fija, al crecer algunos, otros desaparecen, disminuyendo el n'mero total de partículas. 1a presencia de θ,indicada en la cur(a por medio de un trazo de puntos gris, conduce generalmente a una disminución de ladureza, que será tanto mayor cuanto mayor sea el tamaño alcanzado por el precipitado.

0omo se obser(a en la cur(a trazada para D, la e3tensión asociada a la misma de cada tipo de partícula no tiene un límite definido, además debe puntualizarse que seg'n sea la temperatura elegida para el proceso de precipitación, alguna de las etapas descriptas puede no presentarse. 1a duración de la precipitación puede ser de (arias horas, (ariando el tiempo en función de la composición específica de unaaleación particular.

En los casos en que es necesario determinar los parámetros temperatura y tiempo para el tratamientode un lote grande de piezas, es recomendable el trazado e3perimental de cur(as de dureza a distintas

temperaturas, lo que permite determinar para cada una el tiempo asociado a los má3imos de dureza, el (alor de ésta y consecuentemente estar en condiciones de adoptar la solución más con(eniente desde el punto de(ista técnico y económico.

$ara las aleaciones de aluminio normalizadas, también se hayan standarizados los tratamientostérmicos correspondientes.

T R A NS F O R M A CI ÓN M A R T E NS Í T IC A

1a transformación martensítica es una reacción por cizallamiento que ocurre sin difusión de materia, yse presenta en sistemas en los cuales e3iste una transformación in(ariante, controlada por difusión,

que puede suprimirse por enfriamiento rápido. 1a fase martensítica se forma a partir de la fase dealta temperatura, la cual es retenida a temperaturas inferiores a la de equilibrio de la transformaciónin(ariante. Estas reacciones representan una tendencia en el sistema a formar una estructura cristalina que seapro3ime a la del equilibrio.

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@na muestra de martensita (ista al microscopio aparece como placas lenticulares que di(iden losgranos de la matriz4 estas partículas se tocan, mas nunca se cruzan una a otra, como se mostró en la )ig. *.;.1a forma lenticular hace mínima la distorsión en la matriz que produjo la placa martensítica.

Ntra característica de la reacción martensítica es la gran (elocidad de crecimiento de las placas4 casiun tercio de la (elocidad del sonido. Esto indica que la energía de acti(ación para el crecimiento de una placaes muy baja y, por lo tanto, es la energía de nucleación la que determina la cantidad de martensita formada bajo una condición determinada. 1a martensita empieza a formarse cuando la fase original se enfría por debajo de la temperatura crítica =s, y la transformación termina a la temperatura inferior, =f. l disminuir la temperatura por abajo de =s, aumenta la fuerza promotora para la transformación, con lo cual seincrementa la formación de n'cleos que pueden crecer en ese momento determinado. 1a deformaciónmecánica promue(e la formación de martensita a temperaturas superiores a =s.

1a transformación martensítica se presenta en un gran n'mero de aleaciones entre las que se incluyen)e#0, )e#2i, )e#2i#0, )e#=n, 0u#In, u#0d, y en algunos metales puros como 1i, Ir, 0o. Peo sólo!oduce endueci"ien#o en los $ceos con con#enido de c$%ono su!eio $l &'( ).