PROPIEDADES MECANICAS LOCALES A TRACCION UNIAXIAL EN...
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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID Facultad de Ciencias Químicas Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica BIBLIOTECA (JCM 5303530453 PROPIEDADES MECANICAS LOCALES A TRACCION UNIAXIAL EN UNIONES SOLDADAS DE ALUMINIO DE FORJA. APLICACION DEL METODO OPTOELECTRONICO 1~ — UNIVERSIDAD COMPLUTENSE - MASRID Faculrat de elude U~S El BLIOTECA Ni RegstrO Juan Antonio Martínez García Madrid, 1992
Transcript of PROPIEDADES MECANICAS LOCALES A TRACCION UNIAXIAL EN...
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
Facultad de Ciencias Químicas
Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería
Metalúrgica
BIBLIOTECA (JCM
5303530453
PROPIEDADES MECANICAS LOCALES ATRACCION UNIAXIAL EN UNIONES
SOLDADAS DE ALUMINIO DE FORJA.APLICACION DEL METODO
OPTOELECTRONICO
1~ —
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE - MASRID
Faculrat de elude U~S
El BLIOTECA
Ni RegstrO
Juan Antonio Martínez García
Madrid, 1992
Colección Tesis Doctorales. NY 196/92
© Juan Antonio Martínez García
Edita e imprime la Edhorial de la UniversidadComplutense de MadricL Servicio de Reprograf la.Escuela de Estomatología. Ciudad Universitaria.Madrid, 1992.Ricoh 3700Depósito Legal: M-25109-1992
La Tesis Doctoral a o. ¿VAN ANTONIO MARTíNEZ
.GARLLATitulada ‘PROFIEDADES MECANICAS LOCALES A TRACCIONUNIAXIAL EN UNIONES SOLDADAS DE ALUMINIO DE FQRJA.ATrrCACTn¶r ~
Director Dr.. O. ANTONIO CRIADO PORTAL
fu. leídas la Facultad-de CIENCIAS QUíMICAS
a la tUIVERSIIMO CVUI1USE OK SORIO. el dfa 20
da KPt~M~RE a i~ .~L. ate el trtbaalcoustitmtdo por los slguim.tes Profesores:MESIOSO! 1>. ENRIQUE OTERO HUERTA
ura p....FF~J~L?p. MERINO COMEZ
vacm. D. CARLOS BARBA SOLANA
wnra D. JUAN RUBIO ALONSO
SECRETARIO 1). 205E MARIA COMEZ DE S4hA~U MiQ.
hah¿~<~~ibidolacaliftcacidn de
tdrld. ac2Q decs4atQ¿4 de.199¿EL SECRETARIO DEL TRIBUNAL.
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
Facultadde CienciasQuímicas
Departamentode Cienciasde los Materialese IngenieríaMetalurgica
PROPIEDADESMECANICAS LOCALES
A TRACCION TJNIAXIAL EN UNIONES
SOLDADAS DE ALUMINIO DE FORÚJA.
APLICACION DEL METODO
OPTOELECTRONICO
Juan Antonio Maflínez García
Madád, 1991
JUANANTONIO MARTINEZ GARC¿’A
PROPIEDADESMECANICAS LOCALES
A TRACCION UNIAXIAL EN UNIONES
SOLDADAS DE ALEACIONES DE FOR.JA.
APLICACION DEL METODO OFFOELECTRONICO
Nrcctores: Dr. Antwdo 1. Qiado PortalDr. Norbert FM.sr&h
UNIVERSWAD COMPLUTENSEFACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LOS MATERIALESE INGENIERIA MErALURGICA
Sepiloabre1991Madrid
a ti
Quisiera expresarmi más sincero agradecimiento a:
Dres. Antonio a. Criado Portal y Norbert Eisenreich por su
acertada dirección, comprensión y amistad.
Nana Petar Kugler, Dipí. mg., por su amistad, paciencia
y ayuda en la adaptacióndel método optoelectrónico, criatura
suya.
Dr. Enrique Otero Huerta, por el incondicional apoyo
humano, científico y logístico.
Dr. Jose Maria Gómez de Salazar y Caso de los Cobos, por
su asesoramiento y colaboración incondicionales.
Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería
Metalúrgica de la Facultad de Ciencias Químicas de la
Universidad Complutense de Madrid, por poner a mi disposición
los medios necesarios para la realflación de esta
investigación.
Fraunhoter Institut fúr Chemisohe Technologie — Ya,
(República Federal de Alemania), por financiar y posibilitar la
realización de esta investigación con su gran equipo técnico,
científico y humano.
PtSA Electrónica S.J.. (AI4PER), por facilitar materiales y
laboratorios de ensayos indispensabies para este trabajo.
INESPAL, por suministrar una de las aleaciones estudiadas.
Adam, Amparo, Herminio, 3ose Luis, Icario, Elaus, Mercedes,
Miguelito, Mohamed, Paco, Paola, Pepiño, Pilar, Quiñones,
Susanita, Teresa, Valentin, Víadí y Wolfgang, por que si.
Gracias a todos.
El empirismo opone a la tesis del racionalismo
la antítesis que dice: la única fuente del conociaiento
humanoes la experiencia. En opinión del empirismo, no
hay ningún patrimonio a priori do la razón. La
conciencia cognoscente no saca sus contenidos de la
razón, sino exclusivamente de la experiencia. El
es pi ritu humano está por naturaleza vacio; es una
tabula rata, una hoja sin escribir y en la que escribe
la experiencia. Todos nuestros conceptos, incluso los
másgenerales y abstractos, procedende la experiencia.
Mientras el racionalismo se deja llevar por una
idea determinada, por un ideal de conocimiento, el
empirismo parte de los hechos concretos. Para
justificar su posición acude a la evolución del
pensamiento y del conocimiento humanos. Esta evolución
prueba, en opinión del empirismo, la alta importancia
de la experiencia en la producción del conocimiento. El
niño empieza por tener percepciones concretas, Sobre la
base de estas percepciones llega paulatinamente a
formar representaciones generales y conceptos. Éstos
nacen, por ende, orgánicamente de la experiencia. No se
encuentra nada semejante a esos conceptos que existen
acabados en el espíritu o se forman con total
independencia de la experiencia. La experiencia se
presenta, pues, como la única fuente del conocimiento.
Mientras los racionalistas proceden de la
matemática las más de las veces, la historia del
empirismo revela que los defensores de éste proceden
casi siempre de las ciencias de la naturaleza. Ello es
comprensible. En las ciencias de la naturaleza la
experiencia representa el papel decisivo. En ellas se
trata, sobre todo, de comprobar exactamente los hechos
mediante una cuidadosa observación. El investigador
está completamente entregado a la experiencia. Es muy
natural que quien trabaje preferente o exclusivamente
con arreglo a este método de las ciencias de la
naturaleza propenda de antemano a colocar el factor
empirico sobre el racional. Mientras el filósofo de
orientación matemática llega fácilmente a considerar el
pensamiento como la flnica fuente del conocimiento, el
filósofo procedente de las ciencias de la naturaleza
propenderá a considerar la experiencia como la fuente
y base de todo conocimiento humano.
Johannes liessen
(Teoría del Conocimiento. 1926>
IMDXcE
1.- INTRODUCCION, JUSTIFICACION Y OBJETIVOS 1
II. - AnTECEDENTESBIBLIOCRAFICOS 23
III. - TECHICAS EXPERIMENTALES
111.1.— ALEACIONES 60
111.2.- UNION SOLDADA (TIC) 66
hL 3.— PREPARACIONDE LAS PROBETAS •1l
111.3.1.— Probetas para el ensayo de tracción 72
111.3.1.1.— Probetas para el ensayo de
tracción empleando el método
optoelectrónico 74
111.3.2.— Probetas para el ensayo de
Le Rolland Sorin 76
111.3.3.— Probetas para el Ensayo Charpy 77
111.4.— ENSAYODE TRACCION 79
111.4.1.— Medición convencional de propiedades
mecánicas locales 80
111.4.1.1.— Definición de las
diferentes zonas 80
111.4.1.2.— Medición de características
locales 81
111.4.1.3.— Alargamientos zonales locales 82
111.4.2. — Método optoelectrónico 83
111.4.2.1.— Descripción del sistema 83
111.5.— PERFIL DE DUREZASLOCALES 92
111.6.— ENSAYODE LE ROLLAND-SORIN 95
111.7.— ENSAYOCHARPY 98
111.8.- METALOGRAFíAZONAL LOCAL 100
IV.— PRESENTACIONY ANALISIS DE RESULTADOS 102
11.7.1.— Perfiles de dureza (Rockt¡ell) 103
IV.2.— Ensayo da Tracción convencional.
Métodos clásicos de medición de
características mecánicas 113
IV.2.1.— Alargamientos locales (globales) 119
IV.3.— Ensayo da Tracción convencional.
Método optoelectrónico 125
Aleación 2014 T6 128
Aleación 7015 T73 227
Aleación 7015 1’ 304
IV.2.l.— Alargamientos zonales locales 371
IV.4.- Módulo elástico (Le Roiland Sorirt) 387
IV.5.—. Resiliencia (Charpy> 395
IV.6.— Metalografía zonal 400
V. - MODEWPROPUESTODE COMPORTAMIENTOMECANICO 413
VI. — DISCUSION GENERAL 420
VII.— CONCLUSIONES 433
VIII.— AnEXO 1 429
IX.- BIBLIOGP.APIA 455
1.- RESUMEN 461
1.- XW1’RODUCCXON, JUSTrFICAcZOMY OBJETIVOS
1.1 . - XMTRODUCC.WN
- IflUODUCCION • 3U5T11101C10M Y pp.Yrrívoi
1.l. IMflODUCCION
La soldadura es una tecnología imprescindible en la
construcción y fabricación de los más diversos equipos. Tanto
en grandes construcciones navales, aeronáuticas, petroquímicas,
civiles, etc., como en la fabricación de equipos de menor
tamaño: industria automovilística, electrónica, química, etc.,
la soldadura os necesaria como tecnología mecánica de unión,
entre piezas más o menos simples o para obtener éstas de sus
elementos, entre materiales homogéneos o heterogéneos,
metálicos, cerámicos o compuestos.
No siempre se pueden obtener piezas acabadas por moldeo o
conformación mecánica, sino que, en muchos casos, por su forma
complicada o por su tamaño, hay que recurrir a técnicas de
unión.
Actualmente no es posible pensar en la construcción y
fabricación mecánicas sin la eristencia de las más variadas
técnicas de soldadura.
Para llegar al actual desarrollo mecánico, la soldadura,
como todas las tecnologías mecánicas de moldeo, forja,
sinterización, etc., ha evolucionado enormemente, adaptándose
a las más variadas, simples y complejas operaciones en las que
a
se la requiere. Esta adaptación ha hecho que la soldadura se
divereifique en multitud de métodos y sistemas diferentes.
Aunque el fin es siempre unir dos superficies homogéneaso
heterogéneas, el camino o sistema nc siempre es el mismo. Se
trata de proporcionar calor localizado en la unión o en toda la
pieza, acompañado de otros requisitos que varían según el
método.
Por tanto, y excluyendo la soldadura por forja, en la que
el calor es sustituido por la energía de deformación plástica,
y las técnicas de unión por adhesivos, es el calor, como fuente
de energia, el que provoca en todos los casos la unión. Esta
fuente de calor y la forma en cómo se emplea, clasifican los
distintos tipos de soldadura en autógena, eléctrica, plasme,
láser, difusión, fricción, etc,.
No se puede asegurar que un tipo de soldadura sea mejor que
otro simplemente por el tipo de tecnología, más o menos
avanzada, que se utilice, sino que todos son igualmente válidos
y deben ser aplicados con criterios de precio y calidad final
de la unión para cada caso. Debe ser la fabricación la que
imponqa el método, y no que éste se imponga sólo por razones de
innovación tecnológica o por otros criterios ajenos al hecho de
la propia fabricación. El tipo de materiales a soldar, así cono
las características a exigir a la unión junto con el factor
económico, nos van a guiar a la hora de seleccionar la técnica
de unión.
3
Por otro lado, y como parte fundamental de nuestra
investiqacióa. están los materiales empleados. Si bien es
normal que les materiales elegidos en la fabricación sean los
que imponen la tecnología de unión, a veces es ésta la que
condiciona los materiales a utilizar.
En la actualidad las aleaciones ligeras cubren un campo de
aplicaciones muy extenso, especialmente en aquellos casos en
las que la relación resistencia/densidad sea un factor
interesante, por ejemplo en aeronáutica, transporte terrestre
y marítimo, industria aeroespacial y otros. tJlti,namente. las
aleaciones ligeras, fundamentalmente de aluminio, están
introduciéndose en campos tradicionales de otras aleaciones,
esto es, en construcción arquitectónica (fachadas, carpintería
metálica), fabricación de equipos electrónicos, etc..
A pesar de que las aleaciones ligeras se basan,
fundamentalmente, en metales como el aluminio, el magnesio, el
titanio, el zirconio y el berilio, son las de aluminio, con
mucho, las más extendidas, utilizadas y con más posibilidades
de desarrollo de cara al futuro.
Las aleaciones de aluminio basan su éxito en cualidades
como su baja densidad, buena resistencia natural a la corrosión
(que se puede mejorar) y una aceptable conductibilidad térmica
y eléctrica, además de otras propiedades tísicas y químicas
como: su poder de reflexión de la luz, detección de la
4
radiación infrarroja, baja sección eficaz de captura de
neutrones, etc..
Aunque el ideal de la fabricación seria el obtener
directamente por moldeo las piezas acabadas, ésto no siempre es
así y, a veces, tampoco es conveniente. Todos sabemos las
ventajas mecánicas de las aleaciones de forja aunque exijan
procesos más complejos de fabricación y, por tanto, se muevan
en precios más altos.
La conformación plástica proporciona una gran mejora en las
propiedades mecánicas por destruir la estructura de colada.
También es cierto que, a veces, no hay más remedio que recurrir
a estos procesos para obtener las piezas deseadas por razones
de naturaleza de la aleación, forma y tamaño de los productos
fabricados, calidad final de éstos y precio.
Si la forja supone una mejora de las propiedades mecánica.,
los tratamientos térmicos de bonificado (envejecimiento) han
conseguido unas prestaciones mecánicas muy interesantes y
competitivas en esta familia de aleaciones.
Parece interesante, en este punto, llamar la atención
sobre los principales mecanismos de endurecimiento por
envejecimiento prepuestos para éste tipo de aleaciones,
(ver Anexo 1).
5
Sin embargo, si las aleaciones de aluminio, en
general, presentan inconvenientes a la hora de la
soldadura, en el caso de las series de forja tratables
térmicamente éstos inconvenientes pueden llegar a ser
gravas y, en algunos casos, hasta el momento,
insuperables. Esto por si solo justifica cualquier tipo
de investigación en este campo. En el presente trabajo
se han seleccionado, para su estudio, aleaciones de
forja tratables térmicamente, pertenecientes a series de
gran interés tecnológico (2xxx y lxxx>, representativas
del tipo de aleaciones discutidas anteriormente y cuyo
comportamiento frente a la soldadura no es demasiado malo.
La soldadura, independientemente del método aplicado,
supone un calentamiento local poco convencional que trae como
consecuencia en este tipo de aleaciones la modificación local
de las propiedades mecánicas, creando una discontinuidad, a
veces importante, en las piezas o equipos soldados.
La elección del tipo de soldadura a utilizar en estas
series de aleaciones va a depender de múltiples variables,
siendo las fundamentales el tipo de material, forma y espesor,
calidad final de la unión y precio.
El método de soldeo elegido para la presente investigación
ha sido la soldadura TIG (Tunqsten Inert Gas> por muchas
razones; entre otras se pueden destacar: 1> el tipo de fuente
de calor —el arco eléctrico— muy intensa aunque menos que el
6
plasma, 2) el no aporte de material en la soldadura, lo que
permit, estudiar correctamente qué le ocurr, al material sin
interferencias de otros materiales aportados. 3) la
universalidad y versatilidad del método y 4> la semejanza
en el modelo de afectación local en el material respecto a otro
método con gran futuro en estas aleaciones, como es la
soldadura por plasma. cuya diferencia es sólo en cuanto al
tamaño de esta zona.
Por lo anteriormente expuesto, resulta interesante el
estudio de las propiedades mecánicas locales para prever el
comportamiento mecánico de estas uniones. Hasta ahora los
ensayos más típicos realizados para comprobar la mayor o menor
bondad de éstas son el ensayo de doblado, ensayos de fractura,
como el Charpy, y otros. Sin embargo, es evidente que mediante
estos ensayos tecnológicos, realizados en condiciones muy
peculiares, no se pueden obtener valores claros de las
características mecánicas locales, teniendo en cuenta, además,
la complejidad de las zonas existentes en la unión soldada.
El ensayo mecánico de tracción es, con mucho, el más
interesante y del que se puede obtener la mayor información,
valiosa y extrapolable a las más diversas situaciones de
servicio con importante éxito. Es evidente que los ot:ros
ensayos proporcionan información escasa, sólo aplicable a Las
muy restringidas condiciones mecánicas de contorno que llevan
aparejados. Incluso son ensayos poco reproducibles, muy
dependientesde variables aleatorias. Su interés viene dado por
7
la sencillez, economía y facilidad de interpretación. Es más,
se puede asegurar que son siempre tensiones de tracción
(incluso en condiciones de contorno como las de flexión> las
que provocan o potencian la fractura o el fallo de los
materiales.
El ensayo de tracción es un ensayo complejo que proporciona
mucha información y cuya interpretación es difícil, si a la
complejidad de este ensayo en materiales continuos, compuestos
o no, añadimos la discontinuidad que supone la existencia de
las diferentes zonas locales de una unión soldada, estaremos
ante un auténtico reto, ya que, tanto el bailo fundido como la
zona afectada por el calor y el material base poseen diferentes
propiedades mecánicas, derivadas de su peculiar tratamiento
térmico no convencional, sufrido durante el ciclo térmico de
soldeo.
Además, la información obtenida en el ensayo de tracción
se tratará de explicar con ayuda de ensayos de dureza, de
resiliencia y del módulo de elasticidad <rigidez> obtenido
mediante el péndulo de Le Rolland-Sorin.
Estos ensayos por si solos no aportarían información válida
en este caso; sin embargo, complementando y comparando los
valores de las características mecánicas obtenidos en el ensayo
de tracción, suponen un test sencillo, rápido, complementario
y, sobre todo, orientativo para la correcta interpretación de
este ensayo.
8
Todo ésto parece evidente, paro se trata de definir las
características locales de cada zona de la unión soldada. Para
ello se emplean dos caminos diferentes:
1. Medida convencional de propiedades mecánicas.
2. Medida de propiedades mecánicasmediante .l método
optoelectrónico (lcr>.
En este primer camino se utiliza el ensayo de tracción
convencional en el que se supone que la sección inicial de la
probeta no varia. Esto ea una simplificación que apenas supone
errores —en nuestro caso, inferiores al 1%—para este tipo de
aleaciones, por lo menos hasta que comienza la extriccién local
después de alcanzada la resistencia máxima. Esta suposición,
válida desde el punto de vista tecnológico, trae como
consecuencia que la tensión es homogénea a lo largo de toda la
probeta.
Conocido este dato amplificativo las mediciones se ciñen
a las deformaciones locales, sobre todo a los alargamientos
zonales locales.
Al fin y al cabo esta deformación local va a definir el
comportamiento del material durante todo el ensayo. Debido a
que las diferencias absolutas entre los alargamientos locales
de las zonas definidas en la unión soldada son muy pequeñas
respecto a la longitud inicial de la probeta, se puede asegurar
que la simplificación es perfectamente válida en la precisión
de las medidas tomadas.
9
Estas medidas de alargamientos locales se hacen de cada
zona globalmente, no de forma continua a lo largo de la
longitud de la probeta. Esto supone una diferencia apreciable
frente al método optoelectrónico y a otros (extensometria).
A estas medidas de alargamientos se las complementa con un
perfil de durezas locales y con un estudio metalográfico,
mediante microscopia óptica y electrónica, de las
nicroestructuras causantes del comportamiento local. También se
han utilizado ensayos complementarios para la obtención del
módulo de elasticidad mediante el péndulo de Le Rollamd—Sorin
y de la resiliencia mediante el péndulo Charpy.
Aunque existen métodos muy sensibles para definir con mucha
precisión lo que ocurre localmente en cualquier punto de la
probeta a base, principalmente, de extensometría eléctrica
(además de otros métodos más antiguos como los espejos
Martenal • éstos no son adecuados para obtener una medición
continua a lo largo de la probeta cuando en ésta se presentan
discontinuidades, como ocurre en una unión soldada. Si bien
puede obtenerse información local muy precisa, para que ésta
fuese continua a lo largo de las distintas zonas definidas en
la soldadura, seria muy compleja la utilización de estos
métodos; ya que para obtener un perfil continuo de propiedades
mecánicas se debería hacer una instalación muy numerosa de
dichos medidores.
10
El segundo camino empleado, y principal de esta memoria,
es el método optoelectrúnico, que permite, de una forma muy
simple, un seguimiento prácticamente continuo de la
distribución de las deformaciones locales a lo largo de toda la
longitud de la probeta. La sencillez comienza en la propia
máquina de tracción, ya que es válida cualquiera al igual que
todos sus accesorios (sordazas,etc..), y sigue por la probeta,
cuyo diseño puede estar normalizado o no. La única preparación
previa al ensayo consiste en pintar la superficie de la probeta
con una laca negra mate y, posteriormente, tamponar una malla
de lineas reflectantes paralelas axiales al eje de dicha
probeta.
El método optoelectrónico consiste, esencialmente, en el
seguimiento o lectura de la separación de estas lineas durante
el ensayo de tracción mediante la captación, por un fotodiodo,
de la luz reflejada por ellas cuando son barridas por un rayo
láser con una secuencia determinada. La luz reflejada es
convertida en impulsos eléctricos y almacenada en una memoria
RAM diseñada al efecto. La frecuencia de estos impulsos es
proporcional a la separación entre las bandas.
La extricción sufrida por la probeta a lo largo del ensayo
se obtiene mediante la diferencia de la cantidad de luz captada
por un fotodiodo colocado detrás de la probeta. Esta diferencia
de señal luminosa resulta proporcional a la variación da
sección.
1.1
Los impulsos eléctricos son enviados a un ordenador y
analizados mediante un programa desarrollado especialmente
para ello.
Como ya se ha señalado, la única preparación previa al
ensayo consiste en pintar la probeta. La toma de datos y su
análisis es inmediata, pudiéndose visualizar posteriormente en
el monitor la distribución de las deformaciones locales durante
el ensayo.
Hasta ahora este método, patentado por el Fraunhofer
Institut fiAr chemische Technologie (lcr>, sólo había sido
utilizado en materiales plásticos continuos y en materiales
compuestos.
con esta memoria doctoral, se ha aplicado este método a
materiales metálicos en probetas discontinuas resultado de una
soldadura.
El método ha resultado sencillo y eficaz en el estudio del
comportamiento mecánico de uniones soldadas sometidas a un
ensayo de tracción uniaxial.
El llamado primer camino, no es otra cosa que la toma
convencional de datos mecánicos en la unión soldada sometida a
tracción, con el fin de comprobar, interpretar y definir lo que
ocurre en las distintas zonas de la probeta, así como para
12
valorar, comparary certificar la información obtenida mediante
el método optoelectrónico.
Los métodos complementarios utilizados enriquecen la
información mecánica y aportan más datos a la comparación y
valoración del método optoelectrónico.
Así mismo, en esta memoria se trata de relacionar las
propiedades mecánicas zonales locales con la microestructura
mediante microscopia óptica y electrónica de barrido.
La microestructura es, en último extremo, la causante del
comportamiento mecánico y del posible fallo del material.
Las aleaciones estudiadas presentan estructuras complejas
por poseer un nómero elevado de elementos de aleación, sin
embargo, la estructura que proporciona las caracteristica.s
mecánicas consiste en una matriz de aluminio (fase a> con una
morfología de granos alargados, debidos a la conformación
mecánica, y un precipitado extremadamente fino, inferior a lpuí,
de Al,Cu -en la aleación 2xxx—, de Mg,Si —en la aleación 6xxx—
y de MgZn2 —en la aleación lxxx- con estructura Widmanst&tten
coherente con la matriz. También aparecen otros
microconstituyentee formados, principalmente, por Si, Al2CU y
otros compuestos ternarios poco influyentes sobre las
características mecánicas de las aleaciones estudiadas.
El cambio de tamañoy distribución de las fases Al2Cu, M%Si
y MqZn2 en la matriz de aluminio (a>, debidos a los diferentes
LI
ciclos térmicos durante la soldadura, son los responsables, en
las respectivas aleaciones, de las discontinuidades zonales de
las propiedades mecánicas halladas. Se trata pues, de
justificar las características mecánicas resultantes con las
diferentes microestructuras que aparecen localmente.
Es importante reseñar que en esta memoria no se trata de
valorar las variables de soldadura como el espesor de chapa,
intensidad, distancia y voltaje del arco, etc.., sino de
discutir las características mecánicas relativas de cada una de
las zonas producto del ensayo. No se ha perseguido, por tanto,
saber cual es la influencia, desde el punto de vista
cuantitativo, de las variables de soldadura en estas
propiedades mecánicas.
Las variables de soldadura empleadas se han adaptado a
producir un baño fundido <EF> y una zona afectada por el calor
(ZAC> con las dimensiones óptimas para su estudio por las
diferentes sistematicas anteriormente propuestas. En todo caso,
las variables del arco se han adaptado al espesor de chapa,
diámetro del electrodo y capacidad de la unidad de soldeo
empleada, cumpliéndose los requisitos habituales en cualquier
taller mecánico a tal efecto.
Hay que resaltar que, para facilitar esta investigación,
se ha exigido una perfección en cuanto a la forma geométrica y
simetría del cordón, acordes con los requisitos necesarios.
14
Finalmente, se presenta un modelo de comportamiento
mecánico cualitativo de las diferentes aleaciones de aluminio
de forja tratables térmicamente seleccionadas para esta
investigación, pero que se puede generalizar a todas estas
series de aleaciones. Al ser un modelo cualitativo las
variables de soldadura no le afectan; donde si tienen
influencia es en la cuantificación de los valores absolutos de
las propiedades mecánicas zonales locales.
En el campo de la soldadura de las aleaciones de aluminio
de forja tratables térmicamente es más interesante conocer el
comportamiento cualitativo que el cuantitativo, que va a
depender de condiciones muy específicas de contorno, como son
el tipo de aleación y su composición, el tratamiento térmico y
mecánico, el espesor y las variables de soldadura. Por tanto,
teniendo el modelo cualitativo se puede prever e.I
comportamiento, y mediante ensayos específicos en las
condiciones de contorno deseadas, se puede tener, incluso, el
modelo cuantificado para cada caso en particular; eso si, en
este caso no son extrapolables las pautas de comportamiento
obtenidas.
otro hecho valioso de este modelo de comportamiento zonal
local, es que es válido para cualquier tipo de soldadura en que
la fuente de calor se focalice en las superficies a soldar.
Esto quiere decir, que quedan fuera de este modelo d.c
comportamiento la soldadura por difusión y otras en las que el
15
calentamiento no es localizado y no sufren, además, el típico
ciclo térmico no convencional de soldadura.
En aquellas soldaduras con aporte de material se puede
aplicar el modelo pero comprobando previamente, con un simple
ensayo de dureza, las características del metal aportado ya en
el cordón, nunca antes del aporte, ya que el ciclo térmico de
soldadura puede variar la microestructura y. por tanto, las
propiedades mecánicas de éste.
16
1. - XNTRODUCCION~. JfiSrrrrCAcron y OBJETIVOS
1• 2.- JUSTIflCACXON
1.2.— JUSTXFTCACION
— Es muy importante el desarrollo tecnológico actual, y más
cara al futuro, de las aleaciones ligeras de aluminio de forja
tratables térmicamente. Con ellas se consiguen relaciones de
resistencia/densidad muy interesantes, con lo que su campo de
aplicación crece de forma vertiginosa en industrias tales como
la aeronáutica, aeroespacial. aviónica, transporte marítimo y
terrestre, construcción civil, industria electrónica, etc..
— La soldadura, en sus más diferentes metodologías, es,
cada día más, una tecnología imprescindible en la fabricación
de los más diversos equipos y en la construcción en general
dentro del desarrollo tecnológico del mundo actual.
- En las aleaciones tratadas mecánica y térmicamente, los
ciclos térmicos no convencionales de soldadura provocan la
aparición de zonas —baño fundido, zona afectada por el calor y
material base— con propiedades mecánicas locales muy
diferentes.
— Se producen abundantes fallos mecánicos en estructuras
fabricadas con estas aleaciones causados, principalmente, por
la discontinuidad material que significa siempre la soldadura.
18
— Es vital, desde el punte de vista mecánico, conocer el
comportamiento en servicio de estas uniones en las que
diferentes zonas tienen características mecánicas distintas.
— son necesarios ensayos mecánicos rápidos, sencillos y
eficaces que confirmen y prevean el fallo en condiciones de
servicio de las uniones soldadas.
— Se han seleccionado aleaciones representativas de lo
anteriormente comentado.
— Se ha seleccionado la soldadura TIc por Ser la que mejor
se presta a nuestra investigación y porque pensamosque los
resultados obtenidos son más extrapolables que con otras
técnicas.
— Creemos que el ensayomecánico que más amplia información
aporta y el que más se ajusta a las condiciones normales de
servicio, es el ensayo de tracción.
19
1.- IBTRODUCCION, JUSTIFICACION Y
1.1 . -
1.3.- OBJETIVOS
— Definición de las zonas con propiedades mecánicas
diferentes que aparecen en una soldadura en las aleaciones
estudiadas.
— Definición de las propiedades mecánicas locales de mayor
interés para definir un modelo de comportamiento mecánico.
- Valoración comparativa de las propiedades mecánica.s
locales por métodos convencionales de medida utilizando el
ensayo de tracción.
— Adaptación del método optoelectrónico (lOT> al ensayo de
tracción en uniones soldadas de las aleaciones objeto de
estudio. Aplicación de éste método a modelos mecánicos
discontinuos.
- Comprobación, discusión y justificación mediante ensayos
mecánicos por métodos convencionales de los resultados
obtenidos con el método optoelectrónico.
— Valoración del método y ventajas tecnológicas frente a
otros por su sencillez, eficacia y seguridad.
21
- Discusión de las propiedades mecánicas locales medidas
en las diferentes zonas definidas mediante el estudio
metalográfico con microscopia electrónica.
— Definición de un modelo cualitativo de comportamiento
mecánico de las diferentes aleaciones de aluminio de forja
tratables térmicamente seleccionadas. Condiciones para la
extrapolación del modelo a otras aleaciones del grupo y/o con
otras tecnologías de soldadura. Flexibilidad del isodelo.
22
Ir. - ANrECEDEN2!ESRflLIOORAFICOS
II. - AflUCEDETE5 RIBLIOGUAPICOS
En la última década se han puesto a punto aleaciones de
aluminio de for~a tratables térmicamente que mejoran
notablemente la resistencia mecánica de este tipo de
aleaciones. Esta mejora se ha desarrollado, fundamentalmente,
en las aleaciones de las series 2xxx <Al-Cu, Al—Cu—Mg>,
Sxxx (Al—Mg—si> y 7xxx (Al—Zn-Mg, Al-Zn—Mg—Cu) según el código
del International Alloy Designations System (IADS> ‘“‘ (Fig.l>.
Las aleaciones de la serie 2XXX —basadas en el cobre como
elemento prioritario de aleación—, (Tablas 1.2> las más
antiguas de las aleaciones de forja tratables y que estaban
siendo reemplazadas por otras más modernas, han sido
actualizadas mediante adiciones de elementos minoritarios
(circonio, titanio, níquel, vanadio, cadmio y otros> y
tratamientos mecánicos previos que potencian el tratamiento
térmico de envejecimiento -basado, fundamentalmente, en la
precipitación coherente y semicoherente de la fase Al,~ “~>.
De esta toxina, con aleaciones muy sencillas, fácilmente
mecanizables y económicas, se consiguen prestaciones sólo
superadas por las aleaciones de la serie lxxx.
24
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Figura 1.- Aleacion.. de Aluminio y Sistema de De.ign.cidn de J:os
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Ultimamente se ha elevado el contenido de cebra
hasta el St, consiguiendo uit ercelente comportamiento en las
primeras etapas de moldeo de los lingotes y en la
Titaquinabilidad “~. El ‘Inico inconveniente sigue siendo la
disminución de la resistencia a la corrosión, aunque ésto se
puede mejorar mediante tratamientos sU~,etfiCialn ¡-lí4d&>»~
Las aleaciones de la serie 2xxx están clasificadas, para
sus aplicaciones (estructuras para aeronáutica, paneles y
ruedas para automoción, piezas roscadas>, entre las de media y
alta resistencia mecánica I.’I04-ltSO.56, pudiendo algunas de ellas
llegar a más de 500 l4Pa de resistencia a la tracción.
Las aleaciones de la serie Exxx, en cuanto a sus
aplicaciones (perfiles y estructuras soldadas para
arquitectura, forjados de media resistencia, etc.), se
clasifican coto de media resistencia; siendo el compuesto
endurecedor en los tratamientos térmicos de envejecimiento al
Mg,Si. La ventaja fundamental de estas aleaciones de forja,
ademásde su resistencia mecánica intermedia, es su excelente
resistencia a la corrosión y el ser embellecibles por
anodizado li’.’ it lo-ss. n.a st st .o-e,)
La serie lxxx componeel grupo de aleaciones de forja más
competitivo en cuanto a prestaciones mecánicas (estructuras de
alta resistencia para aeronáutica, estructuras soldadas,
forjados, etc.), alcanzándoseen alguna de ellas los 700 Nra de
resistencia a la tracción •~ 504oS.S se basan en el sistema
29
aleado Al—Zn—Mg y, en alguna de ellas, las que alcanzan mayor
resistencia, el cobre es otro de los elementos de
aleación (Al-Zn—Mg—Cu>. De ésta forma, se puede endurecer la
matriz por la acción de dos compuestos intermetálicos
independientest el Xg>Zn en el sistema AL—2n—Mg y el
conocido Al,Cu del sistema Al—Cu 0.64045>
El compuesto Mg,Zn es autotemplante, lo que da a estas
aleaciones una característica muy importante, ya que vuelven a
templar después de un cielo de calentamiento. Aún así las
mayores resistencias de la serie se consiguen en los sistemas
cuaternarios AI-Zn-Hq—Cu, envejeciendo después de deformar
plásticamente por un proceso duplex ~ Calentando en dos
etapas para conseguir el mayor número de núcleos y el tamaño
adecuado para la máxima resistencia.
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Tabla 3.— cont.nido. y Relaciones de Suc y Magnesio para Alguna.
Aloacione. de AL—lo—Mg y AI—Zn—Mg—CU. Serie 7xxx. (Polear’».
30
No os rara actualmente la adición, a alguna de las
aleacionesdescritas, de porcentajes de litio entre el 1 y el
3* y porcentajes de plata entre 0.25 y 0.4*. con el objetivo de
conseguir aumentos considerables de la resistencia a la
tracción. En las aleaciones conteniendo litiOs el compuesto
Al,Li, conjuntamente con el Al,CU, es el responsable del
endurecimiento, al precipitar de forma coherente con la matriz,,
Esta precipitación del M,Li es independiente de la secuencia
normal de precipitación en los sistemas Al—Cu I.I.ITiOIddá.60•43>
La resistencia a la corrosión en las aleaciones de la serie
7xxx para el sistema Al—Sn—Mg es excelente, mientras que se
reduce para el Al—Sn—Mg—aa debido a la presencia del cobre;
éstas últimas son las de mayor resistencia mecánica, aunque las
de peor soldabil idad ‘.0, 00-02. 0’. 24. 23.dl-tUn. leo.‘26-0280
El empleo de estas aleaciones está justificado en ].a
construcción, en sus más diversas modalidades, por su excelente
relación densidad\resistencia\precio; lo que las hace idóneas
en industrias tanto tradicionales como en aquellas que emplean
tecnologías muy avanzadas IO’~6-fl5~S43S)•
Respecto al moldeo de estas aleaciones, es necesario
dejar constancia de que las precauciones que hay que
tomar a la hora de soldar son muchas más que con
otros metales o aleaciones ~
31
El comportamiento de las distintas aleaciones de aluminio
frente a la soldadura varia entre muy amplios márgenes.Depende
de varios factores que van desde la composición química hasta
el tipo de tratamiento de envejecimiento al que se las ha
sometido. Si las aleaciones de la serie 2xxx (Al—Cw> se
comportan mal frente a esta tecnología, las de la serie Exxx
(Al—Mg—si) lo hacen de forma excelente, y en las de la serie
7xxx (Al—Sn-Mg) su eonportamiento oscila entre excelente y
aceptable. En algunas aleaciones de la serie 7xxx la aptitud
frente a la soldadura puede llegar a ser mala, sobre todo en
aquellas que contienen cobre (Al—Zn—Mg—Cu). ‘fa es interesante,
de por si, encontrar, para la construcción, aleaciones de esta
serie con una aptitud aceptable frente a la soldadura. Lo que
parece evidente, por el momento, es que las de mayor
resistencia son las de peor comportamiento ¡>0” 0288. aol. 5.70-79. 33. 24>
Para la presente investigación se han seleccionado dos
aleaciones de aluminio de forja de dos de las series descritas
—en las que Se consiguen las mayores resistencias—
— Aleación 2014 26
— Aleación 7015 F
- Aleación 7015 ‘V73
La elección se ha hecho con vista a contribuir al mejor
conocimiento del comportamiento de las aleaciones de estas
series frente a la soldadura. No es fácil definir un criterio
para analizar la mejor o peor aptitud de estas aleaciones
frente a esta tecnología de unión, Son muchos los parámetros
32
que influyen y es posible conseguir una buena aptitud frente al
soldeo en aquellas aleaciones en que ésta se ha definido como
mala. En muchos casos basta 0cm prever cual será st
comportamiento frente al ciclo térmico de soldadura para que,
cOn ciertas precauciones y actuaciones, antes y después, se
pucén paliar los inconveníentes presentados. También en esa
dirección va la presente investigación.
Es evidente el interés tecnológico de estas aleaciones y
también la necesidad de soldarías. Por tanto es preciso buscar
modelos de comportamiento mecánico con el fin de prever y
soslayar los problemas surgidos.
Son muy dispares las técnicas de experimentación empleadas
para comprobar las caracteristicas mecánicas de las uniones,
así como los modelos para explicar el comportamiento reseñado.
Los ensayos normalmente empleados para el estudio de las
propiedades mecánicas son los ensayos de tracci6n, doblado,
impacto, etc. 12144>, Para detallar el comportamiento zonal, se
han empleado técnicas muy complejas como la extensiometria
eléctrica <Fiq.23 ~<~~k»• Los modelos propuestos resultan
complejos, muy costosos de realizar y, sobre todo, poco claros.
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pata una Probeta Soldada en X. a) Vista, Frontal y Superior de la Probeta-
b) Situacida de los K*tensdsetros. (Soet.ns ~‘a>.
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24
En la presente investigación además de realizar un trabajo
clásico de exploración mecánica, se ha tratado de adaptar el
método optoelectrónico del IC1’, disefiado para materiales
homogéneos y heterogéneos pero continuos en cuanto a la
estructura 149-103) En nuestro caso el reto ha sido hacerlo
compatible a materiales discontinuos como son las uniones
soldadas.
El método optoelectrónico, desarrollado y patentado por uro
equipo de investigadores del Fraunhofer Institut fúr Chemische
Technologie (lOT>, ha sido empleado hasta ahora como un método
no destructivo para el seguimiento y medida de las
deformaciones locales ocurridas en probetas sometidas a ensayos
de tracción y de fluencia. El método viene utilizándose con
éxito en el estudio de materiales conpuestos como polimeros,
composites, propelentes sólidos, explosivos, etc..
La idea principal en el desarrollo del método fue
simplificar el montaje experimental evitando complicados
sistemas para la toma de datos, a la vez que conseguir la
medida de las deformaciones, tanto transversales cello
longitudinales, en una sola operación. El método permite,
además,el seguimiento de la distribución de las deformaciones
durante el ensayo y su posterior visualización en el monitor de
un ordenador.
En materiales viscoelásticos, para los que el método fue
en principio desarrollado, no es posible el empleo de
35
extensómetros durante un ensayo de tracción, debido a los
fenómenos de mellado y fluencia del material causadospor el
acoplamiento mecánico de dicho medidores. Además, el empleo de
extensómetros presupone una distribución constante de las
deformaciones lo cual, como ya se ha discutido, no resulta
totalmente correcto en materiales discontinuos, y mucho menos
una vez sobrepasado el campo elástico.
La medida de la deformación transversal se realiza,
habitualmente, mediante dilatometria de gases. Este método no
resulta apropiado cuando se desea realizar varias series de
ensayos debido al consumo de tiempo y dinero. Tampoco es
posible el empleo de dilatometría de gases dentro de cámaras
climáticas, ni cuando se tienen altas velocidades de
deformación.
Con éste sistema es posible medir, simultánea,aenta, la
tensión, el alargamiento lonqitudinal y la deformación
transversal en un ensayo de tracción uniaxial. Esto permite
obtener una distribución de deformaciones a lo largo de toda la
probeta -
Si bien la aplicación más habitual del método es en el
ensayo de tracción convencional, también se ha empleado en
ensayos de fluencia, en medidas de cambios de volumen debidos
a variaciones del entorno -humedad, temperatura, etc.— y en
medidas de la elasticidad de gomas sometidas a ciclos de
tracción/compresión.
La medida de la fuerza y la distribución de los
alargamientos longitudinales a combinada con la medida de las
deformaciones transversales permite, ademásdel seguimiento del
ensayo de tracción, el cálculo de una serie de parámetros como
son ci módulo de Young y la relación de Poison. que nos dan una
idea de la elasticidad del material estudiado.
Eh nuestro case, por tanto, el método eptoelectr6mico
parece ideal para el estudio de las deformaciones locales en vn
material soldado ya que, a parte de la heterogeneidad propia de
una aleación, se une la discontinuidad que supone una
soldadura.
Ya se ha comentadoanteriormente la sencillez del método,
que comienza en la simple preparación de las probetas.
Éstas pueden tener cualquier geometría y adaptarse a
cualquiera de las nonas existentes. La superficie de
las mismas se cubre con una nana de franjas
reflectantes, paralelas axiales al eje de la probeta,
sobre un fondo no reflectante. El ancho de las lineas
es de 1 mm y se encuentran separadas entre si otro mm.
Experiencias realizadas han demostrado que el mayor
contraste se obtiene utilizando franjas blancas sobre
fondo negro.
La superficie no reflectante se obtiene aplicando una laica
negra mate, adherente y de una elasticidad similar al uater:Lal
de la probeta. En el caso de algunos uateria:Les
37
viscoelásticos <nc. gomas), es la propia superficie de la
probeta la que ya presenta esa no reflectividad exigida.
para el trazado de la serie de franjas reflectantes, se
emplean tres métodos distintos. El primero de ellos consiste en
pintar las lineas por serigrafía utilizando una rejilla de
seda. El segundo empleado es la impresión, sobre la superficie
de la probeta, de las franjas mediante una máquina tamponadora.
El último sistema se basa en la vaporización y posterior
deposición de aluminio a través de una rejilla metálica
colocada sobre la probeta (sputtering).
Si bien mediante la técnica de sputtering se obtienen las
lineas de mayor reflectividad, es la tamponación la que produce
un contorno más definido en el borde de cada línea, lo cual
redunda en la exactitud de las medidas. Lecturas sobre probetas
no sometidas a tensión y observaciones al microscopio han
comprobado este hecho.
Una vez terminada la preparación de la probeta se
está en condiciones de realizar el ensayo de tracción,
empleando una máquina convencional con sus usuales
accesorios (mordazas, etc>.
La medida de las deformaciones longitudinales se realiza
mediante el equipo descrito en la figura 3. El rayo de un
pequeño Láser de He—Rees dirigido centralmente hacia un espejo
rotatorio cuyo eje de rotación se encuentra en el plano focal
38
de una lente cilíndrica. El rayo obtenido barre la superficie
de la probeta que se halla cubierta por las mencionadas
franjas reflectantes. La luz reflejada es recogida por
un fotodiodo y convertida en señal eléctrica cuyos
impulsos aislados se recogen temporalmente mediante un
I-fujti—Stop—Counter y se graban en una memoria RM4. Después del
ensayo un microprocesador accede a la RAM y los datos son
transmitidos a un ordenador.
La frecuencia y número de impulsos es proporcional a
separación entre las franjas.
II gura E- Zaqueas del Distes de Asdite de la DeIozwecItn
LongitudinaL (niaemniclo ‘-).
la
39
El esquema del equipo empleado para la medida de la
deformación transversal se muestra en la figura 4. Dos rayos de
luz, paralelos y de distribución de intensidad uniforme, caen
sobre las ranuras formadas por los bordes de la probeta y una
cuija de calibrado situada a ambos lados de la misma. La
intensidad de la luz que atraviesa la apertura es recogida por
un fotodiodo. Cualquier cambio en el ancho de la apertura, bien
producido por un movimiento en la cuita de calibrado o por una
variación en la sección de la probeta, conduce a un cambio en
la intensidad de la luz registrada por el fotodiodo. Estas
diferencias de intensidad son transformadas en impulsos
eléctricos y recogidos por el iiulti—Stop—Counter para ser,
posteriormente, enviados al ordenador junto con los datos de
detonaciones longitudinales.
Figura t— taquema del Listeza de Medida de la flfor.ación
rransveraal. (rIsenreIch ‘~t
F,onlosttOi O<&wftoCtOt
40
La evaluación gráfica y numérica se realiza mediante dicho
ordenador, empleando un programa desarrollado y patentado
especialmente al efecto ““‘». El sistema permite el registro de
la distribución local y temporal de la deformación, incluso a
altas velocidades de carga en la máquina de tracción.
Con los datos almacenadosen la memoria del ordenador, el
proqrama permite representar y relacionar entre si 2-as
principales magnitudes implicadas en un ensayo de tracción,
como son, la tensión, la deformación longitudinal, el módulo
de Young, la relación de Poison, la deformación transversal y
el tiempo de ensayo (número de barridos del láser>. Ejemplos de
estas representaciones se dan en las figuras 5 a 26 para un
ensayo de tracción realizado con una probeta de PVC. a una
velocidad de ensayo de 50 mm/mi», utilizando un códiqo de 26
franjas. Las figuras 27 y 28 sirven de complemento a la
información obtenida.
El programa permite realizar, para cada representación
gráfica, un estudio zonal a lo largo de toda la probeta. Esto
resulta de utilidad para centrarse en una zona determinada (por
ejemplo, la zona de rotura), o bien para realizar un
seguimiento comparativo de las diferentes zonas presentes, como
es el caso de una unión soldada.
Otra de las posibles aplicaciones del método es el
seguimiento de los ciclos de histéresis registrados para una
probeta sometida a ensayos de fatiga mecánica.
41
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una Probeta de flC. Franjas 1 — 2. Método Opto.lectrónicc.
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una Probeta de PVC. Franjas 3 — 4. Método optoelectrdnico.
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una Probeta de nc. rranjaa a — 5. Método Optoelectrónico.
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una Probeta de nc. Franjas — 6. Método Optoelectrónico.
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una Probeta de PVC. Franjas 8 — 9. Método Optoel.ctrónico.
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una Probeta de flC. Franjas 11 — 12. Método Opto.l.ctrónico.
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una Probeta Os PVC. Franjas 13 — JI. fltodo Optoelsctj-¿nico.
figura 19.— Tensión en Función de la Deformación Longitudinal pare
una Probeta de flC. Franjas U — 15. Método Optoel.ctrónico.
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una Probeta de nc. Franjé. 15 — 16. hItado Optoelectrcsnico.
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ItT. - rECNXCAS EXPERIMENTALES
111.1.- ALEAcIONES
XXI - - ?ECtJICAS UXPEEIMENTALBB
.
111.1.— ALEACIONES
Para el presente trabajo se han seleccionado aleaciones
representativas, desde nuestro punto de vista, de las
aleaciones de aluminio de forja tratables térmicamente
comentadasanteriormente. La nomenclatura de dichas aleaciones
se ciñe al codigo del International Alloy Designation System
<lAOS> ‘“.
El lAOS da a cada aleación de aluminio un número de cuatro
cifras, en el cual, el primer dígito se asigna en base al
mayoritario de los elementos aleantes <Fig.í>. De esta forma,
y dentro de las aleaciones de Icaria objeto de la píamente
investigación, la serie 2xxx se corresponde con el cobre como
el elemento aThante mayoritario, la serie áxxx con el magnesio
y silicio y la serio xxxx con el zinc y el magnesio.
Los dígitos tercero y cuarto tienen sentido en la serie
íxxxx <aluminio puro) ya que representan el minino de pureza.
En cambio, en el resto de las series éstos números no son más
que un número de serie que denota la diferencia entre las
distintas aleaciones. De esta torna, las aleaciones 2017, 2018
y 2019 a pesar de ser numéricamente correlativas son totalmente
diferentes.
60
El segundo dígito indica una ligera variación en la
cosposición química coso ocurre, por ejemPlO, entre las
aleaciones 7075 y 7475.
El sistema lAOS dispone, además, de una nomenclatura
especial para especificar los diferentes tratamientos térmicos
que se pueden dar a una determinada aleación, Consiste en una
serie de letras y dígitos que se aAaden como sufijos al número
de la aleación.
El sistema considera, por una parte, las aleaciones no
tratables y las endurecibles por deformación y, por otra, las
aleaciones tratables térmicamente. Las lineas esenciales de
ésta nomenclatura se encuentran en la Figura 1. debiendo
t-ecurrirse, además, a las especificacionea del fabricante,
sobre todo cuando se emplean varios dígitos en la designación.
Las aleaciones suministradas como fabricadas y las
suministradas en estado de recocido se designan,
respectivamente, como F y O.
El endurecimiento por deformación, consecuencia
natural de operaciones de trabajado y conformado de
éstas aleaciones —particularmente para la serie lxxx <aluminio
puro) y las series no tratables térmicamente, 3xxx (Al-Ma,)
y Sxxx (Al-Mg>, en las cuales el endurecimiento se produce por
dispersión y solución sólida—, se designa mediante la
letra E. El primer sufijo indica el tratamiento
61
secundario; 1 es sólo trabajado en frío0 2 es trabajado en frío
y recocido parcial y 3 es trabajado en frio y estabilizado, El
segundodígito representa el endurecimiento residual, de forma
que, por ejemplo, el trabajado ea frío severo y en la condición
de totalmente duro se designa como H18, lo que equivale a
aproximadamente un 7fl de reducción respecto a la sección
original.
Las series 1(16, ~A y H12 se obtienen mediante menores
grados de traba5ado en frío y son comúnmente conocidas
como tres—cuartos—duro, un—medio-duro y un—cuarto—duro,
respectivamente.
En las aleaciones de la serie 112 el trabajado en frío
produce unas propiedades mayores que las requeridas y la
resistencia es reducida mediante un recocido parcial.
El tratamiento 1(3 se aplica únicamente a las
aleaciones de Al—Mg ya que éstas tienen tendencia a ablandarse
a temperatura ambiente después de un tratamiento de
endurecimiento. Esto se puede evitar mediante un
tratamiento térmico durante un corto tiempo a elevada
temperatura (12000 a 17500>, lo que asegura el completo proceso
de suavizado, estabilizando las propiedades mecánicas y
mejorando las características conseguidas con el trabajado en
frío.
62
Un sistema absolutamente diferente se emplea para las
aleacionesde aluminio tratables térmicamente; los tratamientos
distintos al de recocido (O) se designan con la letra T seguida
de uno o más dígitos. Estos dígitos indican el tipo <le
tratamiento sufrido por la aleación de que se trate. Así, por
ejemplo, T4 indica un tratamiento de disolución, templado y
envejecido natural; PS refleja un enfriamiento rápido seguido
de un procesado a elevada temperatura (por ejemplo extrusión>
y un envejecido artificial; TE denota un tratamiento de
disolución, templado y envejecido artificial. El tratamiento ?8
designa a los productos trabajados en frío, entre el templado
y el envejecido artificial, con el fin de mejorar su
resistencia; la cantidad de trabajo en frío se indica con un
segundodígito (TI! significa un 5% de trabajo en frío).
Otras designaciones con dígitos adicionales se emplean para
tratamientos en los cuales se eleva la resistencia de los
productos forjados, o bien para indicar posibles tratamientos
requeridos por la aleación y que deben ser realizados por el
cliente.
Más dígitos adicionales indican la forma del producto, ya
sea barra, tubo, perfiles. chapa, etc.
En base al interés industrial, a criterios de soldabilidad
y disponibilidad del material y a los objetivos fijados en la
presente investigación se eligieron dos aleaciones, por una
parte representativas de su correspondient, serie y por otra
63
diferentes entre si. tina de ellas Ampliamente usada y conocida
en la industria, la 2014 T6 fabricada por ALCAN; y la otra de
reciente desarrollo, la 7015 T73 fabricada por INESPAL.
La primera con un típico tratamiento térmico para estas
aleaciones —tratamiento de disolución y envejecido
artificial-, y la segunda con un tratamiento menos
convencional —solubilizado, templado y envejecido natural
seguido de un tratamiento duplex calentando en don etapas—.
El tratamiento T6, sufrido por la aleación 2014 empleada
consiste en un tratamiento de solubilización a 5020 durante
dos horas, seguido de un envejecido artificial calentando a
16000 durante 18 horas.
El tratamiento T73, recibido por la aleación 7015, sigue
la siguiente secuencia: solubilizado a 4690 durante 1 hora,
templado en agua fria, envejecido a días a temperatura ambiente
y el proceso duplex consistente en el calentamiento primero a
11000 durante 8 horas para posteriormente elevar la temperatura
a l6~ O durante 6 horas.
ha aleación 7015 se ha utilizado, también, en cl
estado F (como fabricada> con el objeto de obtener, mediante el
ciclo térmico de soldadura, las distintas estructuras y
propiedades resultantes de tratamientos térmicos. Esto
permitirá interpretar y entender con más facilidad la
influencia de dicho ciclo térmico en la zona afectada por el
calor.
64
Las composicionesquímicas porcentuales de ambasaleaciones
se encuentranen la tabla 4.
AtacloN c..
2014 13.82
7015j 0.20
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M
Mg
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SA.1Mn) F~
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0.18 ~ow32¡ 0.30
Ti Al1
0 05 0 77 0.03 93
92 .26~4 8~ 1 85 ————
Tabla 1.— coa¡,o.ición de las Alescionee Estudiadas en (II en Peso.
65
ITT.- TECNICAS EXPERIMENTALES
111.2.- UNION SOLDADA CTIG)
11L4.-’ UNION SOLDADA ¿TIOI
Una de las razones para el creciente aumento en el uso de
las aleaciones ligeras de aluminio en los más variados campos
de la indo>stria, aparte de sus peculiares propiedades —colso su
excelente conductividad, tanto eléctrica cono térmica, su baja
densidad, su resistencia a la corrosión, y en los últimos
tiempos la disponibilidad de aleaciones de alta resistencia
mecánica y buena soldabilidad—, ha sido el reciente desarrollo
de procedimientos de soldeo relativamente rápidos y sencillos.
Existen varios métodos de moldeo para la unión dci
aleaciones de aluminio empleando una fuente localizada de
calor, bien utilizando el arco eléctrico. piaseis, haz de
electrones o láser. En los casos antes referidos, la unión de
las piezas a soldar es posible gracias a la fusión parcial da
la propia aleación o bien del material de aporte.
Independientemente de si la soldadura se realiza con o sin
aporte de material, cualquiera que sea el sistema elegido pat-a
la unión, este aporte localizado de calor provoca la aparición
de diferentes zonas con distintas microestructuras y
propiedades mecánicas. Esta discontinuidad en la pieza soldada
es la responsable de los posibles fallos del material cuando
está sometido a tensiones y esfuerzos requeridos por las
condiciones de servicio.
67
En las aleaciones de aluminio de forja tratables
térmicamente este ciclo térmico de soldadura provoca la
destrucción parcial de las propiedades mecánicas obtenidas
durante los tratamientos térmicos dados.
otro de los grandes problemas que presenta la soldadura del
aluminio y de sus aleaciones es la gran afinidad del metal por
el. oxigeno. El aluminio reacciona con el oxigeno del aire
formando un óxido —alúmina— de alto punto de fusión y gran
tenacidad que cubre la superficie del metal. Dicha capa de
óxido se vuelve a formar cuando el aluminio se expone a la
atmósfera durante el proceso de soldeo, a menos que se use un
gas protector. En la soldadura eléctrica, la acción del arco
rompe la capa de oxido y el diseño de la antorcha asegura que
la corriente de gas inerte proteja el baño de fusión. De esta
forma, el área de soldadura se encuentra exenta de aire y se
puede evitar la oxidación del aluminio tundido.
También debe tenerse en cuenta la alta conductividad
térsica del aluminio que provoca una rápida difusión de calor,
del orden de 3 a 5 veces más que en el caso de los aceros. El
aluminio suele experimentar una contracción de volumen al
solidificar del orden del 6%. Esto trae como consecuencia la
aparición de tensiones residuales que pueden set Causade una
excesiva distorsión que, en algunos casos, puede llegar al
agrietamiento a menos que se tengan en cuenta una serie de
precauciones durante el proceso.
68
La preparación de bordes en las superficies a soldar y su
forma es determinante para evitar futuras distorsiones. También
la velocidad de soldeo es un factor determinante; bajas
velocidades permiten controlar mejor el proceso ¿Le
enfriamiento. Se deben usar las mordazas de sujección
apropiadas para mantener la pieza fija mientras se suelda- En
el aluminio no se producen cambios de coloración con la
temperatura, ni siquiera por encima del punto de fusión, por lo
que el soldador debe estar atento a la apariencia líquida del
material para saber cuando se produce la fusión.
Parte de estos problemas se evitan empleando la
soldadura por arco eléctrico sin aporte de material
(Tunqsten Inert Gas, TIG> - Este tipo de soldadura es eficaz y
poco complejo y puede llevarse a cabo rapidamente en varias
posiciones. La potencia del arco eléctrico, y más empleando
corriente alterna y alta frecuencia —lo que estabiliza
el arco-, es suficiente para producir la rotura de la capa de
alúmina. El calor generado por el electrodo de wolfraynio se
concentra en un área pequeña, lo que conlíeva mayor velocidad
de soldeo y menor distorsión en la pieza soldada.
Debido a los problemas propios del soldeo y a que, para La
presente investigación, se requería disponer de cordones
‘sanos” que mostrasen claramente las distintas zonas presentes
en una unión soldada, se recurrió a la soldadura TIG; evitando
así heterogeneidades químicas, producto de las diferentes
composiciones de los materiales de aporte.
69
Se buscaba la facilidad en la preparación de los cordones
soldados dado que el objetivo era el estudio del comportamiento
mecánico de la unión y no el estudio de los diferentes métodos
de obtenerla. Estos cordones se obtuvieron por soldadura TIC,
descargando el arco eléctrico directamente sobre la chapa. El
tipo de cordón producido es similar al obtenido a partir de la
unión de dos piezas, sin los inconvenientes de la preparación
de bordes.
En la preparación de las probetas para esta investigación,
se descargó el arco sobre las chapas seleccionadas, empleando
una intensidad de corriente de 300 Amperios a 25 Voltios,
cebado por una unidad de alta frecuencia, Se utilizó argón como
gas protector y un electrodo de voltrasio de 3.2 mm. de
diámetro; siendo la velocidad de pasada de 30 mm/sin.. El
equipo de Soldadura utilizado se muestra en la figura 29.
El cordón de soldadura se realizó axialmente a la dirección
de laminado de las chapas.
ANIORCHA
DETRABAJO
figure 29.— Laqueas del Equipo de Soldadura TIC.
70
III.- TECNICAS EXPERIMENTALES
111.3 . - PREPARAdORDE LAS PROBETAS
111.3.— PREPARACION DE LAS PROBETAS
111.3A.- PROBETAS PARA EL ENSAYO DE TRACCION.
Una vez realizados los cordones de soldadura apropiados
para nuestras investigaciones se procedió al mecanizadode las
probetas para los ensayos de tracción, siguiendo las
especificaciones de la normas DIN 50125 y 50123 ~“‘>.
Las probetas de tracción se mecanizaron en forma tal que
el eje mayor de la probeta fuera paralelo a la dirección de
laminado del material y, por tanto, perpendicular al
cordón de soldadura <ng-Jo) - Se han empleado dos tipos de
probetas de longitud total 140 y 210 mm. respectivamente.
Las chapas fueron rectificadas por ambas caras con el
objeto de limpiar la zona del cordón dejando el espesor final
en .~ mm. y asegurando que, tanto la zona afectada por el calor
como el baño fundido atravesaran la probeta en todo su espesor.
Con el objeto de medir los alargamientos totales y locales
de las distintas zonas de la unión soldada0 antes y después de
los ensayosde tracción, las probetas fueron pulidas y atacadas
químicamente con NaOH al 30%.
Parte de las probetas se ensayaron a tracción en una
máquina convencional sin más preparación previa.
72
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Figura 30.-’ Mecanizado de las ProActas para los Ensayos de Tr.ccldn..
a) Obtención de las Mismas a partir de Chapa Soldada.
A) Rsquenoa y oimensiones en MhlLmetros según DIN 50.125.
73
H
R~1
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Tfl.S .1 .1 - - PROBETASPARA EL ENSAYODE TRACCION EMPLEANDO
EL MEI’ODO OPTOELECTRONICO.
El resto de las probetas se prepararon de forma que
pudieran ensayarse a tracción, empleando el método
optoelectrónico para al registro de los datos de
deformación longitudinal., tanto globales como locales. así
como los datos de deformación transversal <extricción)
El pulido y ataque dado a las probetas resulta de utilidad
para conocer a que lineas del código de franjas empleado para
-el método opto—electrónico “‘-“» corresponde cada zona del
cordón de soldadura.
El código de franjas se fijó sobre una de las caras de la
probeta, concretamente sobre el lado opuesto al ataque químico.
La superficie se pintó con una laca negra mate, no
reflectante, adherente y de una elasticidad similar al material
de la probeta. Sobre la pintura negra se tamponó una malla de
16 franjas blancas, reflectantes y paralelas axiales al eje de
la probeta. El ancho de las líneas es de 1 mm. y se encuentran
separadas entre si otro mm. Se eligió el sistema de tampón para
la impresión de las franjas por ser el que produce un borde de
línea más definido, lo cual redunda en la exactitud de las
medidas.
74
Uno de los problemas que surgieron a la hora de adaptar el
método optoelectrónico al registro de las deformaciones
producidas en un ensayo de tracción en materiales metálicos fue
el conseguir una superficie no reflectante sobre la probeta.
Dicha superficie debe ser lo suficientemente adherente y
continua como para acompañar al material en su alargamiento.
cualquier resquebrajamiento de la superficie durante el ensayo
dejará el metal al descubierto con la consiquiente aparición de
reflexiones de la luz del laser incidente y, por tanto, de
señales erróneas que serian recogidas por el totodiodo.
No hay que olvidar que lo que realmente esta midiendo el
método optoelectrónico es el alargamiento de la superficie que
cubre a la probeta, lo que implica que la elasticidad de la
pintura debe ser absolutamente similar al del material que se
está ensayando.
Se probaron varios tipos de lacas y sistemas de pintado,
incluso atacando previamente la superficie del metal para
conseguir una buena adherencia de la pintura. Tambien llegó a
probarse el anodizado químico en negro que, sobre las
aleaciones de base aluninio, produce una capa con unas
buenas características en cuanto a adherencia y baja
refil.ectividad de la luz.
.75
111,3.2.— PROBETAS PARA EL ENSAYO DE ROLLMW 801114.
Partiendo de chapa soldada se mecanizaron probetas
cilíndricas de 5.64 ± 0.05 ~van. de diámetro y 200 —. de
longitud, buscandoque la junta soldada atravesara la sección
de la probeta (fig. ~
Las probetas se atacaron con NaOS al 30% con el. fin de
diferenciar las distintas zonas de la soldadura.
76
¡11,3.3.-’ PROBETAS PARA EL EMBAYO CflRPY.
Dada la geometría de las probetas empleadas para la
medición de la Resiliencia mediante el péndulo Charpy, se hacia
necesario disponer de cordones de soldadura realizados sobre
chapas de espesor suficiente. Para la obtención de dichos
cordones se descargó el arco eléctrico sobre chapas de 12 mai.
de espesor.
El no disponer de cordones que atravesaran totalmente la
sección de la probeta nos dió la posibilidad de estudiar y
comparar entre si el comportamiento de las diferentes zonas de
una soldadura, acercándonos más a una soldadura real, cesio
puede ser una soldadura en y.
El mecanizado de las probetas se realizó siguiendo las
especificaciones, en cuanto a dimensiones y forma de trabajo,
de las normas DIN 50155 y 50122 iI.ttl> y empleando la
entalla en V.
Tratando, más de obtener valores relativos del
comportamiento de las diferentes zonas de la unión soldada que
de obtener valores absolutos comparables con la bibliografía,
el mecanizado de las probetas se llevó a cabo situando la
entalla en las diferentes zonas de la soldadura. Así se
mecanizaron probetas con diferentes localizaciones de la
entalla, unas veces en el baño fundido, otras en la ZAC, otras
‘1?
en el límite BF—ZAC; incluso se situó la entalla sobre el
frontal y sobre el perfil de la soldadura.
Posteriormente al. mecanizado se realizó un ataque
macrográfico sobra las probetas, con el fin de identificar la
situación de la entalla.
En la figura 31 se muestran distitas localizaciones dé la
entalla con respecto al perfil de la unión soldada.
Figure 32.— Probeta Charpy flostrando Diferentes Localizaciones de la SntalIa
Respecto el Perfil del Cordón de Soldadura.
72
111. - TECNICAS EXPERIMENTALES
111.4.- ENSAYODE TRACCION
111.4.- ENSAYO DE TflCCIO
«
11fl4.t- HEDICIOI< CONVENCIOI4ILL DE LAS PROPIEDADES
MECAIJICAS LOCALES.
Los ensayos de tracción se han realizado bajo la
norma DIN 50123 ‘“>O empleando una máquina de tracción
electromecánica Servosis ME—402de 10000 Ego. Las velocidades
de ensayo variaron entre 0.6 y 0.8 mm./min.
rIr.4.l.l.- DEFINICION DE LAS DIFERENTES ZONAS
En la discontinuidad que supone la unión soldada se pueden
distinquir tres zonas bien diferenciadas, sin contar la
heterogeneidad química que supone el empleo de materiales de
aporte. En este caso se ha atilizado te soldadura TIC y. por lo
tanto, sin esta particularidad.
En primer lugar, una zona central que sufre el proceso de
fusión y que denominaremos baflo fundido <Br), cuya estructura
será consecuencia de una solidificación, más o nenos rápida
dependiendo de los parámetros del arco y de la velocidad de
pasada.
A aribos lados de esta zona central se produce la zona
afectada por el calor <ZAC>, cuya estructura depende de la
80
intensidad y duración de ciclo térmico de soldadura. Este
calentamiento facilita la difusión provocando la redisolución
o precipitación, según el caso, de distintas fases y compuestos
en la matriz. Esta zona afectada por el calor puede ser más o
menos compleja dependiendo de la naturaleza de la aleación
ensayada.
Por último, se encuentra el material base (MB> cuyas
propiedades y estructura han permanecido invariables al no
verse afectado por el ciclo térmico localizado.
La localización y morfología de estas zonas guarda una
cierta simetría con respecto al eje del cordón de soldadura. En
la presente investigación, y a efectos de una posible
modelización, se desecharon las probetas que no presentaban
simetría.
111.4.1.2.- MEDICION DE CARACTERíSTICAS LOCALES.
tina vez rectificadas las chapas soldadas se mecanizaron las
probetas de tracción y con el objeto de medir los alargamientos
totales y locales de las distintas zonas de la junta soldada,
antes y después de los ensayos, se pulieron y finalmente se
atacaron con una disolución acuosa de NaOH al 30%. El ataque
nos permitió revelar la localización de las distintas zonas de
la unión soldada.
sí
111.4.1.3. - ALARGAMIENTOSZONALES LOCALES.
Se pueden definir como alargamientos zonales locales los
distintos alargamientos que sufren cada una de las zonas de la
unión soldada por separado.
La forma convencional de medir el alargamiento sufrido por
una probeta en un ensayo de tracción consiste en unir por la
zona de la rotura los dos trozos de la probeta y medir de nuevo
la distancia entre puntos.
De la misma forma se han calculado los alargamientos
zonales locales. Para ello se fotografiaron todas las probetas
antes y después del ensayo de tracción; posteriormente se
ampliaron las fotografías conservando e]. mismo factor de
multiplicación. Este factor de ampliación para cada probeta
fotografiada fue de 2.5 veces el tamaño real, lo que permitió
disminuir los errores de medida en los alargamientos.
Las mediciones sebre las fotografías se realizaron con una
precisión de ±0.05 mm..
Se midieron por separado tanto los alargamientos globales
como los zonales locales.
82
111.4.- ENSAYOCE TUACZIO±
<
111.4.2.— METODO OflOELECTRONICO.
111.4.2.1.- DESCRIPCION DEL SISTEMA.
En la presente investigación, además de realizar un trabajo
clásico de exploración mecánica, se ha tratado de adaptar el
método optoelectrónico del ICP diseñado para materiales
homogéneos y heterogéneos pero continuos en cuanto a la
estructura ~ En esta investigación el reto ha sido hacerlo
compatible a materiales discontinuos como son las uniones
soldadas.
El método optoelectrómico, desarrollado y patentado por un
equipo de investigadores del Fraunhofer Institut fiAr Chemische
Technologie <ICT>, ha sido empleado hasta ahora como un método
no destructivo para el seguimiento y medida de las
deformaciones locales ocurridas en probetas sometidas a ensayos
de tracción y de fluencia. El método viene utilizándose con
éxito en el estudio de materiales compuestos —polimeros,
composites, propelentes sólidos, explosivos, etc..
La idea principal en el desarrollo del método fue
simplificar el montaje experimental evitando complicados
sistemas para la toma de datos, a la vez que conseguir la
medida de las deformaciones, tanto transversales como
¿3
longitudinales, en una sola operación. El método permite,
además, el seguimiento de la distribución de las deformaciones
durante el ensayo y su posterior visualización en el monitor de
un ordenador.
En materiales viscoelásticos, para los que el método fue
en principio desarrollado, no es posible el empleo de
extensómetros durante un ensayo de tracción debido a los
fenómenos de mellado y fluencia del material causados por el
acoplamiento mecánico de dicho medidores. Además, el empleo de
extensónetros presupone una distribución constante de las
deformaciones lo cual, como ya se ha discutido, no resulta
totalmente correcto en materiales discontinuos y, mucho menos,
una vez sobrepasado el campo elástico.
La medida de la deformación transversal se realiza,
habitualmente, mediante dilatometria de gases. Este método no
resalta apropiado cuando se desea realizar varias series de
ensayos debido al consuno de tiempo y dinero. Tampoco es
posible el empleo de dilatometria de gases dentro de cámaras
climáticas, ni cuando se tienen altas velocidades de
deformación.
Con éste sistema es posible medir, simultáneamente, la
tensión, el alargamiento longitudinal y la deformación
transversal en un ensayo de tracción uniaxial. Esto permite
obtener una distribución de deformaciones a lo largo de toda la
probeta.
54
Si bien la aplicación más habitual del método es en el
ensayo de tracción convencional también se ha empleado en
ensayos de fluencia, en medidas de cambios de volumen debidos
a variaciones del entorno —humedad, temperatura, etc.— y en
medidas de la elasticidad de gomas sometidas a ciclos de
tracción/compresión.
La medida de la fuerza y la distribución de los
alargamientos longitudinales combinada con la medida de las
deformaciones transversales permite, además del seguimiento del
ensayo de tracción, el cálculo de una serie de parámetros comoJ
son el módulo de Young y la relación de Poison que nos dan una
idea de la elasticidad del material estudiado.
En el caso de esta investigación, por tanto, el método
optoelectrónico parece ideal para el estudio de las
deformaciones locales en un naterial soldado, ya que, a parte
de la heterogeneidad propia de una aleación se une la
discontinuidad que supone una soldadura.
Ya se ha comentado anteriormente la sencillez del método
que comienza en la simple preparación de las probetas.
Éstas pueden tener cualquier geometría y adaptarme a cualquiera
de las normas existentes. La superficie de las mismas se cubre
con una roalla de franjas reflectantes, paralelas axiales al eje
de la probeta, sobre un fondo no reflectante. El ancho de las
lineas es de 1 mm. y se encuentran separadas entre si
otro mm. Experiencias realizadas han demostrado que el mayor
85
contraste se obtiene utilizando franjas blancas sobre fondo
negro.
La superficie no reflectante se obtiene aplicando una laca
negra mate, adherente y de una elasticidad similar al material
de la probeta. En el caso de algunos materiales
viscoelásticos <PVC, gomas) es la propia superficie de la
probeta la que ya presenta esa no reflectividad exigida.
Para el trazado de la serie de franjas reflectantes se
emplean tres métodos distintos. El primero de ellos consiste en
pintar las lineas por serigrafía utilizando una rejilla de
seda. El sequndo empleado es la impresión, sobre la superficie
de la probeta, de las franjas mediante una máquina tamponadora.
El último sistema se basa en la vaporización y posterior
deposición de aluminio a través de una rejilla metálica
colocada sobre la probeta <sputtering)
Si bien mediante la técnica de sputtering se obtienen las
lineas de mayor reflectividad, es la tamponación la que produce
un contorno más definido en el borde de cada línea, lo cual
redunda en la exactitud de las medidas. Lecturas sobre probetas
no sometidas a tensión y observaciones al microscopio han
comprobado este hecho.
Una vez terminada la preparación de la probeta se
está en condiciones de realizar el ensayo de tracción,
86
empleando una máquina convencional con sus usuales
accesorios (mordazas, etc)
La medida de las deformaciones longitudinales se realiza
mediante el equipo descrito en la figura 32. El rayo de un
pequeño Láser de He—Me es dirigido centralmente hacia un espejo
rotatorio cuyo eje de rotación se encuentra en el plano focal
de una lente cilíndrica. El rayo obtenido barre la superficie
de la probeta que se halla cubierta por las mencionadas franjas
reflectantes. La luz reflejada es recogida por un
fotodiodo y convertida en señal eléctrica Cuyos impulsos
aislados se recogen temporalmente mediante un
multicontador de impulsos (Multi-Stop—counter) y se graban en
una memoria RA!~ (Randon Access Memory) . Después del ensayo u:r,
microprocesador accede a la RAM, y los datos son transmitidos
a un ordenador.
La frecuencia y número de impulsos es proporcional a la
separación entre las franjas.
El esquema del equipo empleado para la medida de la
deformación transversal se muestra e» la figura 33. Dos rayos
de luz, paralelos y de distribución de intensidad uniforme
caen sobre las ranuras formadaspor los bordes de la probeta y
una cuña de calibrado <diafragma) situada a ambos lados de la
misma. La intensidad de la luz que atraviesa la apertura es
recogida por un fotodiodo. Cualquier cambio en el ancho de la
apertura, bien producido por un movimiento en la cufla de
8?
calibrado o por una variación en la sección de la probeta,
conduce a un cambio en la intensidad de la luz registrada por
el fotodiodo. Estas diferencias de intensidad son transformadas
en impulsos eléctricos y recogidos por el multicontador de
impulsos para ser posteriormente enviados al ordenador junto
con los datos de deformaciones longitudinales.
La evaluación gráfica y numérica se realiza mediante dicho
ordenador, empleando un programa desarrollado y patentado
especialmente al efecto ~ El sistema permite el registro de
la distribución local y temporal de la deformación, incluso a
altas velocidades de carga en la máquina de tracción.
Con los datos almacenados en la memoria del ordenador, el
programa permite representar, y relacionar entre si, tas
principales magnitudes implicadas en un ensayo de
tracción como son: la tensión, la deformación longitudinal,
la deformación transversal, la derivada de la tensión con
respecto a la deformación longitudinal, la relación de
contracción —relación entre la deformación transversal y
la longitudinal— y el tiempo de ensayo (número de
barridos del láser -scanns—>
El. programa permite realizar, para cada representación
gráfica, un estudio zonal a lo largo de toda la probeta. Esto
resulta de utilidad para centrarse en una zona
determinada <por ejemplo, la zona de rotura) , o bien para
88
realizar un seguimiento comparativo de las diferentes zonas
presentes, como es el caso de una unión soldada.
Los ensayos de tracción empleando el método
optoelectz-ónico para el registro de los datos de deformación
longitudinal, tanto globales como locales, así como los datos
de deformación transversal —extricción— se realizaron en urLa
máquina de tracción electromecánica cabo Qualimeter Modelí
Lasor de 2000 kg. Las velocidades de ensayo empleadas
variaron desde CA a 0.8 mm./sin. En algunos ensayos se inició
con 0.60 mm./min. y una vez alcanzado el campo plástico se
aceleró hasta 6 mzcjmin., ésto nos permitió disponer de un
mayor número de datos dentro del campo elástico.
89
Figura 32.— Esquema del Sistema de fledida de la DeformacMn Longitudinal.
Ifétodo Optoelectranico.
90
ESPEJOG~RATOR~0
FOTODIODOYAMPI.IFJcADoR
RAYODE LUZ
eAYODE LUZ
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Método Optoelectrdnico.
FOT ODIOO ODEI E~1OR
RAYO DE LUZ
QIAFRAGMA
vista frontal visto superior
PROBEXA
91
III. - TECNICAS EXPERIMENTALES
111.5. - PERFIL DE DUREZASLOCALES
111.5.— PEIFIL tE DUREZASLOCALES
El ensayo de medida de la dureza supone un test
rápido y sencillo para obtener valiosa información sobre
las características mecánicas de un material a la par
que puede relaciomarse fácilmente con otras propiedades.
mecánicas.
Para la medición sobre nuestras probetas se eligió
la dureza Rockwell, puesto que permite una lectura
directa desde el durómetro y no requiere una preparación
previa muy acabada de la superficie del metal. Dado el
margen de los valores obtenidos en estos ensayos se
empleó la escala B, con un penetrador esférico de 1/16
de pulgada y una carga de 100 Kgs. Todas las medidas
se realizaron con un durometro Wilson/Rockwell Hardnes-s
Tester serie 500.
El disponer de probetas pulidas y atacadas resultó
útil a la hora de tener una idea sobre las extensión
de las distintas zonas del cordón de soldadura.
Se midieron durezas sobre el frontal de las probetas
antes y después de someterlas a tracción. Se barrió la
superficie siguiendo tres lineas paralelas al eje de la
probeta y promediando los valores con el fin da obtener
93
el perfil de durezas de las distintas zonas de la
unión soldada.
‘rambién se realizaron medidas de dureza a través
del perfil de la soldadura, con el fin de obtener una
mejor caracterización del material.
94
IlI. TECNICASEXPERIMENTALES
111.6.- ENSAYODE LE ROLLAND SORIN
111.6.- ENanO DE LE ROLLAII» SORIN
El empleo del ensayo de Le Roiland—Sorin en la presente
investigación se ha realizado con e]. objeto de obtener
información que pudiera complementar La ya obtenida mediante el
ensayo de tracción. Tanto la sencillez del equipo de trabajo
cono la forma de las probetas resultan ideales para conocer el
modulo de elasticidad de una forma fácil y rápida.
El principio general del método consiste en unir a la
probeta fijada dos sistemas oscilantes identicos y observar las
pulsaciones que se originan entre ambos sistemas por un
intercambio mutuo y periódico de su energía a través de la
probeta. Es la elasticidad de ésta la que interviene en el
intercambio energético, por lo que la observación de la
interacción de ambos péndulos permite conocer el valor del
módulo de Young de una forma perfectamente definida.
La idea, a la hora de plantearnos el ensayo, era obtener
datos comparativos de las distintas zonas de la unión soldada.
La posición axial del cordón de soldadura con respecto al eje
mayor de la probeta nos permitió movernos dentro de cada zona
simplemente variando el punto de amarre.
Una vez mecanizadas las probetas, se realizó sobre ellas
un ataque químico con NaOH al 30%, lo que permitió señalar las
diferentes zonas del cordón de soldadura.
96
Basandorios en que la transmisión de la energía de un
péndulo a otro se baria a través del material menos rígido, se
fijaron las mordazas de forma que dejaran libres las zonas a
examinar. Esto se hizo cogiendo la probeta con la mordaza
superior por 9 lineas distintas (Fig. 34); así se consiguió
realizar un barrido a lo largo de las diferentes zonas de la
unión soldada, examinando el comportamiento, tanto de cada
zona, como de las fronteras entre ellas.
Los ensayos se realizaron en un Elasticimetre Pendularie
Le flolland-Sorin.
‘‘‘II,,’’
E ‘tEl
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Figura 34,— Probeta Empleada par. el Ensayo de Le Rollt,,d—Sorin.
Se Muestran las distintas Zonas de la Unión Soldada y
las 9 Lineas sobre las Que se fijó la Mordaza Superior.
97
111.- TECNICAS EXPERIMENrALES
111.7.- ENSAYOCHARPY
111.7. - ENSAYO CHAR»?
.
Otro de los ensayos que se realizaron con el fin obtener
información complementaria en la valoración del método
optoelectrómico fue el ensayo Charpy <DIN 50115 41>).
En el ensayo Charpy se trata de determinar la tendencia aL
comportamiento frágil de un material, forzando a la probeta a
doblarse y fracturarse a altas velocidades de deformación del
orden de 10’ s’, y midiendo la energía absorbida en la fracture
de la probeta.
Varias son las razones para la elección del empleo de éste
ensayo en la presente memoria, entre otras: el que resulte Ser
relativamente simple de realizar, el que utilize probetas
relativamente pequellas y el que detecte diferencias entre
materiales que no siempre son observables mediante un ensayo de
tracción.
Se efectuaron una serie de medidas empleando
probetas con La entalla en diferente situación relativa
con respecto a la situación del cordón de soldadura y
de sus zonas (blM 50122 “~>) (Fig. 31).
Para nuestros ensayos se empleó un péndulo charpy
AJISLER 130/462.
99
111<~ TECNICAS EXPERIMENTALES
111. 8 . - MFÁPAWGRAPIAZONAL LOCAL
111.5.- I4ETALoGRflIA ZONAL LOCAL
.
Para el seguimiento metalográfico de la estructura y
propiedades de nuestros materiales, se prepararon probetas de
antes y después de los ensayos de tracción.
El desbaste y pulido de las probetas se realizó siguiendo
la siguiente secuencia:
-- desbaste con papel abrasivo hasta el 600.
-. pulido mediante alumina o, alui,,ina y, y
finalmente con magnesia en medio amoniacal.
Se atacaron por inmersión en reactivo Kellers
durante 10 segundos.
con las probetas así preparadas se realizo metalografía
óptica y electrónica de barrido (SEN).
LOl
IV. - PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS
fl.l.- PERFILES DE DUREZA (ROCXWELL>
IV. - PRESEraCION Y AnLISIR DE RESUL?J.flOS
IV.l.— PERFILES DE DUREZA <ROCKUELLI
Los perfiles de dureza de los materiales ensayados muestra,,
la distribución de las características mecánicas en las
distintas zonas de la anión soldada, MB, ZAC y SE.
En todos los casos (Figuras 35 a 40) se produce un
ablandamiento en el BE, seguido de un endurecimiento en la zona
contigua de la ZAC. Este parece ser el comportazuj.ent.o
generalizado en todas las aleaciones de aluminio.
A continuación de este endurecimiento, en la ZAC contigua,
procede generalmente un ablandamiento del material más
intenso que en el BE. Inmediatamente comienza una
recuperación, más o menos lenta> dependiendo del tipo de
aleación, hasta llegar al MB.
La extensión de las zonasde ablandamiento y endurecimiento
depende mucho del tipo de aleación y del tratamiento previo a
la soldadura. Mientras que en la aleación 7015 T73 (Eig .$9)
las zonas son extensas en el perfil de la meseta, en la 2014 Tó
(ng. 35) los cambios mecánicos son muy bruscos y con ausencia
de estabilización en la meseta.
En la aleación 7015 Y (Piguras 37 y 38) , al no estar
tratada térmicamente <envejecida), el perfil de durezas es
101
totalsente diferente de las otras aleaciones con tratamiento
térmico. Quitando el pequefto ablandamiento del batio
fundido, aparece un endurecimiento contiguo que supera
incluso al MB (no tratado térmicamente). Esto significa que la
ZAC de la soldadura se ha convertido, en éste caso, en
una zona de tratamiento térmico de envejecimiento muy
peculiar. A continuación de éste efecto se produce una pérdida
de propiedades mecánicas hasta alcanzar las del MB. En esta
aleación tratable térmicamente, pero sin tratamiento, el calor
de soldadura en la SAO ha significado un bonificado efectivo.
En todos los materiales ensayados se comprueba un
endurecimiento durante el ensayo de tracción (Fiquras 35 a 40)
Esto es característico de todas las aleaciones de aluminio de
forja tratables o no termicamente. £1 endurecimiento observado
es muy parecido en todas las zonas características de la unión
soldada para cada aleación. Quizás iTiecezca la pena resaltar que
el endurecimiento más acusado por deformación en frío, en estas
aleaciones, durante el ensayo de tracción lo muestra la
aleación 7015 ¡13 (Fig. 39) con mayor intensidad. Esto parece
estar de acuerdo con lo discutido en el Ane~<o 1 para estas
aleaciones con tratamiento térmico duplex.
Este perfil de dureza esta relacionado, como se verá más
adelante con los resultados de otros ensayos (tracción, Charpy,
polland-sorin, etc..), con los valores de resistencia, limite
elástico y los valores plásticos como el alargamiento y otros
definidos para el método optoelectrónico.
104
Se puede afirmar, para estas aleaciones, que el
endurecimiento está ligado al mddulo de elasticidad y
resistencia mecánica con un significado positivo de aumento,
mientras que ablandamiento siqnifica aumento de la plasticidad;
lo que se confirma en los valores de alargamiento y pérdida en
las variables resistentes mencionadas.
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IV. - PRESENTACLOF!Y ANALISIS DE RESULTADOS
IV .2 . - ENSAYO DE TRACCION CONVENCTONAL
MErODO CLASICO DE MEDIOION
DE CARACTER<rSTICASMECANICAS
IV.2.- ENSAYODE TRACCION CONVENCIONAL
ár!ODO CLY.BICO DE HEDICION
DE CARACTERíSTICAS MECANICAS
A continuación se presentan los registros de
tensión—deformación obtenidos en un ensayo de tracción
convencional para toda la probeta, según las normas
DIN 50125 y 50123, sin tener en cuenta las diferentes zonas
mecánicas de la soldadura.
La aleación 2014 TG soldada mediante TIC presenta un Campo
elástico nny limitado, hasta valores muy bajos de tensión
(Figura 41), con un módulo de elasticidad alto, Sin embarqo.
para tensiones bajas. de 100 N/mm2, ya presenta un campo
plástico interesante. El módulo de rigidez alto le da buenas
prestaciones mecánicas a bajas tensiones. Para tensiones
elevadas los datos más interesantes son el alargamiento por
encima del 5% y una resistencia máxima de 300 N/nm2. La
soldadura realizada sobre este material es causa de pérdida de
propiedades mecánicas, de acuerdo con los datos de la
biblioqraf la.
El registro de los valores promediados de varios ensayos
de tracción sobre probetas de aleación 7015 T73 soldada
mediante TIC se muestra en la fiqura 42. El limite elástico se
situa alrededor de los 200 ti/mm’ con un nódulo de elasticidad
similar a la 2014 TG. La carga máxima se situa alrededor de los
114
250 flan2 con Un alargamiento antes de la
aproxiradamente el 6.5%. A pesar de la pérdida de
mecánicas debida al soldeo, se mantienen
altos como corresponde a una aleación de alta
(serie Yxxx>2<”’e>.
rotura de
propiedades
los Valores
resistencia
La figura 42 muestra los valores promediados de varios
ensayos realizados en probetas de aleación 7015 F (sin
tratamiento térmico) £1 módulo de elasticidad se eleva
comparado con la aleación 7015 tratada, y la resistencia máxima
disminuye mientras que el alargamiento aumenta.
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1<7<2.1. ALARGAMIENTOSLOcALES
En las figuras que se muestran a continuación
(Figa. 44 a 46) aparece la inlornación mecánica obtenida
al medir los alargamientos zonales locales teniendo en cuenta
los límites definidos para las diferentes zonas por el perfil
de dureza correspondiente y no por el ataque químico. Es decir
se trata de zonas “mecánicas” bien definidas.
Esta mediciones han sido realizadas por métodos
convencionales y tienen por objeto obtener valores de
referencia, según norma, para comprobar y corroborar Los
resultados obtenidos con el método optoelectrónico. Al ser
resultados globales zonales los valores comparativos son SAS
pronunciados.
Hemos podido comprobar como los resultados del método
optoelectrónico son más fiables y comparativos que 1<-os
obtenidos por métodos convencionales normalizados, ya que al
tener, o bien que totalizar toda la longitud inicial entre
marcas, o bien que totalizar los valores zonales, los
resultados obtenidos por globalizar datos son muy heterogéneos.
Este es el caso, sobre todo de la ZAC, donde henos
podido comprobar una heterogeneidad mecánica muy visible
(Fiq. 35 a 40) y que en una medición normalizada no se tiene en
cuenta -
119
Las mediciones convencionales se han realizado considerando
las diferentes zonas narcadas sobre una probeta de
tracción normalizada. Se han medido, de forma global,
el baño fundido <BF), la zona afectada por el calor
(divida en dos zonas, la mAc metalográficamente hablando y la
ZAC definida mecánicamente) . la longitud entre marcas según
norma (referencia) y la longitud total de la probeta.
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iv. - PRESENTACIONY ANALESIS DE RESULTADOS
l<V.S.- ENSAYO DE tPRACCION CONVENCIONAL
METODOOPTOELECTRONICO
IV. 3. ENSAYO DE TRACCION CONVflC!OflL
.
METODO OP?OELECflONICO
El método optoelectrónico es capaz da obtener en un solo
ensayo de tracción una información mecánica muy valiosa
localizada en cada una de las tonas cubiertas por una serie da
bandas reflectantes a lo largo de toda la probeta. Es como
realizar un ensayo de tracción particularizado en cada franja
simultáneamente.
Es claro que este sistema resulta muy interesante para el
estudio de uniones soldadas. El ensayo en si es extremadamente
sencillo. El programa informático desarrollado para este método
optoelectrónico por el lOT hace posible la obtención d.c
numerosa informaci6n, así como la interpretación y análisis de
ésta -
Varios
entre Si:
son los parámetros que es posible relacionar
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diferencial
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contracción)
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transversal
de la tensión <o) respecto a la
de la deformación longitudinal (a)
transversal dividida entre la
longitudinal (relación de
125
—. tiempo de ensayo (número de barridos del rayo
láser -scanns).
La variación de la deformación transversal con respecto a
la deformación longitudinal para cada una de las distintas
zonas presentes en la soldadura, aporta una valiosa información
sobre el comportamiento plástico de las diferentes zonas. Este
dato resulta muy importante en construcción, puesto que da un
indice de seguridad en el comportamiento en servicio de estos
materiales. Esta variación de las variables plásticas se ajusta
a la información aportada por el perfil de durezas y las curvas
tensión-deformación.
Otra interesante información la reportan las curvas de la
variación de la tensión y de la deformación transversal Con
respecto al tiempo (número de barridos del láser —seanna).
Tatabién la variación de la deformación longitudinal zonal local
con el tiempo permite conocer con más detalle el comportamiento
plástico de de la unión soldada.
El proceso de visualización del ensayo por ordenador da una
información gráfica de todo lo ocurrido.
Se presentan tos resultados obtenidos para los tres
materiales estudiados, las aleaciones 2014 TS. 7015 T73
y <7015 E. Se muestran las posibilidades y el análisis de la
información que se puede llevar acabo con este método. Los
resultados son valores promediados de todos los ensayos
126
realizados, sin embargo, en ocasiones se exponen los perfiles
de casos particulares muy representativos que sirven para
demostrar puntualmente los posibilidades de información
mecánica del método optoelectrónico.
Este es un método con el que cualquier probeta se convierte
en todo un mundo de información, por lo que es necesArio
estudiarla detalladamente. El poder localizar la información
obtenida hace que cada probeta sea diferente, aunque está
dentro de una serie del mismo material ensayado en las mismas
condiciones. Cualquier variación en la localización de la zonas
típicas o cambios en su extensión puede aportar una información
precisa que con otros métodos necesitaría una larga serie de
ensayos.
Durante el ensayode tracción se produce un endurecimiento
por deformación plástica en frio. Este hecho se refleja
claramente, tanto en el perfil de dureza, como en los registros
obtenidos mediante el método optoelectrónico. Los alargamientos
dependen, en todo momento, del aumento o disminución locales de
la resistencia mecánica, existiendo una relación inversa entre
la resistencia y los alargamientos locales.
Delante de cada serie de figuras referidas a una variable
mecánica definida se ha hecho una descripción detallada del
hecho tratado,
127
ALEACIóN 2014 TC SOLDADA MEDIANTE nG
La figura 47 muestra la situación del código de franjas del
método optoelectrónico respecto a la unión soldada y al perfil
de dureza sobre una probeta. El esquema servirá de
justificación para la exposición de las gráficas que relacionen
propiedades zonales locales entre si.
En las figuras 48 a 132 se presenta el resultado de la
aplicación del sistema de adquisición de datos al ensayo de
tracción para la aleación 2014 T6. Después del examen de la
información obtenida se pueden comprobar las diferentes
propiedades mecánicas de las diferentes zonas de la soldadura.
El baño fundido muestra una qran plasticidad
como demuestra el alargamiento local relativo (Figs. 66,
124, 125 y 129), el módulo de elasticidad (Fig. 86) y la
relación entre la deformación transversal y la deformación
longitudinal (Fig. 95).
Los menores valores del módulo de elasticidad los muestra
la ZAC contigua al material base (Figs. 82 y 90). Esta zona
presenta también los mayores valores relativos de alargamiento
local (Figs. 64, 68, 93, 97, 124, 125, 127 y 132).
La zona afectada por el calor contigua al BF
muestra valores intermedios entre el BF y el MR (Figs. 65, 84,
88, 94, 96, 124, 125, 128 y 131).
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Figura 47.— Situación de la Junta Soldada en una Probeta de Tracción
Respecto al Código de Franje. del Hatodo Optoeleczrónico y Perfil da D,ar.z.
Rock’ell E sobre .1 Frontal de la Probeta. Aleación 2014 T6 Soldada TIC.
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FIGURAS: 48 a 63
MATERIAL: Aleación 2<114 T6 rAl-C’fl
SOLDADURA: flG
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DR DATOS±Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión fn/mm2) en función de la deformación
longitudinal (%)
ESTUDIO LOCAL: Franja a franje
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión respoct:o
a la deformación longitudinal para cada espaciado
entre dos franjas contiguas.
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MATERIAL: Aleación 2014 TE (AI-Cu>
SOLDADURA: TIG
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DM03: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión fN/mm’) en función de la deformación
longitudinal (%)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión
respecto a la deformación longitudinal para
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada (Fig. 47):
1 — 3 : ZAC [2)
3 — 5 ZAC (1)
5-9 :BF
9 — 12 : nc [1)
12 16 : ZAC (2)
Además se presentan, dentro de la ZAC
9 — II : ascenso de la dureza
II — 13 : descensode la dureza
13 — 16 ascenso de la dureza
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MATERIAL: Aleación 2014 TC (AI-Cu>
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SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Diferencial de la tensión <o> respecto a la
diferencial de la deformación longitudinal (e) fN/mm’]
en función de la deformación longitudinal [‘e)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la dc/d
respecto a la deformación Ion9itudinal para
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada (Fig. 47/:
1 - 16 : Datos globales
1—3 :ZAC (2)
3 — 5 : ZAC fI)
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164
En el trazado de la curva que relaciona la do~d. con 1.
deformación longitudinal, mf luyen los primeros datos erróneos
debidos a las lecturas en vacio (antes de la aplicación de la
carga>, ajustes de la máquina, acoplamiento de mordazas,.
deslizamientos, etc., e incluso los datos tomados con
posterioridad a la rotura de la probeta.
Los valores antes del máximo se corresponden con el campo
elástico, de forma que el trazado de esta curva representa la
variación del módulo de Yooing con respecto al alargamiento.
Incluso dicho valor máximo se ve, tambiln, influenciado por el
resto de los valores dentro del campo plástico.
Acotando el intervalo de alargamiento y el mOmero de
barridos a considerar, y variando el intervalo de regresión de
los datos, el programa permite obtener el trazado de la curva
para, únicamente, la zona del máximo valor del nódulo de Young.
este máximo valor no es único, sino que se encuentra acotado en
un intervalo de probabilidad de un valor seguro.
Es posible ajustar estos valores a Una curva, en un intento
de evitar la dispersión de los mismos, pero con esto sólo se
consigue perder exactitud en el rango del módulo.
165
FIGURAS: 80 a 91
MATERIAL: Aleación 2014 T6 fAl-Cu)
SOLDAD-URA: TíO
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectróníco
GRÁFICA: Diferencial de la tensión <a> respecto a la
diferencial de la deformación longitudinal <e) fN/mm’)
en función de la deformación longitudinal fi)
ESTUDIO LOCAL: Zonal. Calculo del módulo de Young
DESCRIPCIÓN: se representa la variación de la da/de respecto
a la deformación longitudinal para cada una de
las distintas zonas presentes en la junta soldada
(Fig- 47) - Se muestra el intervalo de
probabilidad de un valor seguro para el módulo de
Young. cada gráfica índica los intervalos de
barridos del láser (Scanns) y de regresión lineal
empleados en el cálculo. Para cada gráfica se
muestran los datos y la curva a la que se
ajustan:
1 — 16 : Datos globales
1 — 3 : 2W (2)
3 — 5 : ZAC (1)
5—9 :BF
9 — 12 : ZAC (1)
12 — 16 : ZAC (2]
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Un cálculo similar al efectuado para el módulo de Young
puede E;ealizarloe en las gráficas que muestran la variaE;ión de
la relación de contracción con la deformación longitudinal,
teniendo en cUenta que dicho parámetro se identifica con la
relación de Poison únicamente dentro del campo elástico.
179
FIGURAS: 92 a 98
MATERIAL: AleaciÓn 2014 Te (AI-CcJ)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación transversal [%] en función de la
deformación longitudInal [%)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la deformación
transversal respecto a la deformación
longitudinal para cada una de las distintas zonas
presentes en la junta soldada (Fiq. 4?):
1 — 16 : Datos globales
1 3 : ZAC [21
3—5 :ZAC(l]
5-9 :BP
9 — 12 : ZAC [1]
12 — 16 : ZAC (2)
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FIGURAS: 99 a 105
MATERIAL: Aleación 2014 T6 CAI-Cu)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación transversal dividida entre la deformación
longitudinal <relación de contracción> en función de
la deformación longitudinal (*3
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la relación de
contracción respecto a la deformación
longitudinal para cada una de las distintas zonas
presentes en la junta soldada <Fig. 47):
1 — 16 : Datos globales
1 — 3 : ZAC (2)
3 — 5 : ZAC (1]
5-9 :BF
9 o- 12 : ZAC (1)
12 — 16 : ZAC f2)
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FIGURA: 106
MATERIAL: Aleación 2014 T6 (AI—Cu)
SOLDADURA: TIC
SISTtMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión (N/*an’) en función del tiempo de ensayo
(número de barridos del láser -scanns)
ESTUDIO LOCAL: Global
DESCRIPCIÓR: Se representa la variación de la tensión
con el tieapo.
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FIGURA: 107
MATERIAL: Aleación 2014 T6 <AI-Cu)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación transversal (%J en función del tieapo de
ensayo <número de barridos del láser —scanns)
ESTUDIO LOCAL: Global
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la
deformación transversal con el tiempo.
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FIGURAS: 108 a 123
MATERIAL: Aleación 2014 T6 (Al-<Cu)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUIsICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación longitudinal (%] en función del tiempo de
ensayo <número de barridos del láser -scanns)
ESTUDIO LOCAL: Franja a franja
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la deformación
longitudinal Con el tiempo para cada espaciado
entre dos franjas con tiqvas.
Se muestra, también, la variación de la
deformación longitudinal con el tiempo de ensayo
para cada espaciado en dos tipos de gráficos
diferentes <Figs. 124 y 125).
Así mismo, se muestra el estadio final del
proceso de visualizaciÓn por ordenador del ensayo
de tracción (ng. 126) -
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FIGURAS: 127 a 132
MATERIAL: Aleación 2024 TG (AI—Cu)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIóN DE DATOS: Método optoelectz-ónico
GLAUCA: Deformación longitudinal f%) en función del tiempo de
ensayo (núsero de barridos del láser —scanns)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la
deformación longitudinal Con el tiempo para
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada (Fig. 47):
1—3 :ZAC(2)
3 — 5 : ZAC (1)
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12 — 16 : ZAC (2)
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ALEACIóN 7015 T73 SOLDADAMEDIASTE TIC (Probeta 3
)
Los resultados que se presentan a continuación pertenecen
~ la aleación 7015 Ti). Esta es una aleación tratada
térmicamente mediante un proceso duplex que consigue unas
prestaciones mecánicas uuy interesantes. La soldadura supone
una ruptura iIu>¡portante en la continuidad de sus propiedades
mecánicas.
La extensión de la zona contigua a la ZAC con una variación
importante de las propiedades mecánicas nos ha inducido a
presentar los resultados referentes a dos tipos de probetas,
mejor dicho, por una parte resultados promediados y por otra un
caso particular que se expondrá a continuación. Dada la
peculiaridad de este material y las posibilidades de
sequin¡iento de las propiedades mecánicas locales del método
optoelectrónico se ha preferido dedicarle más atención al caso
particular que al general.
En las figuras 134 a 139 se presentan los resultados
promediados para una probeta con el cordón centrado según
muestra la figura 133. se observan las variaciones en el
alargamiento para cada una de las zonas de la unión soldada,
como ya se discutirá más adelante.
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Figura 733 - - Situación de La Junta Soldada en una Probeta do rraceidn
Respecto al Código de flan ja. del Método Opto.) actrd,olco y Portal de
Dureza Rockwell E sobre .1 Frontal de la Probeta.
AL.acidn 7015 213 (Probeta B> Soldada TIC.
:229
FTGVR.AS: 134 a 139
MATERIAL: Aleación 7015 TZS (Al—Sn—Mg) (Probeta E)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión fN/mm’) en función de la deformación
longitudinal (*3
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión
respecto a la deformación longitudinal para
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada (Fig. 133>:
1 — 16 : Global
1 - 5 : ZAC (2)
5 — 7 : ZAC (1)
7-9 :31”
9 — 11 : ZAC (1)
II — 16 : ZAC (2]
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236
ALEACIÓN 7015 tPZ3 SOLDADAMEDIAN’~E TIC (Probeta A
)
El particular perfil de la variación de las propiedades
mecánicas que presenta la unión soldada en este tipo de
aleación nos ha sugerido la posibilidad de descentrar el cordón
de soldadura con respecto a la probeta y al código de franjas
del método optoelectróroico (Fig. 140) con el fin de seguir
mejor el comportamiento mecánico de la U<C.
Se puede observar como las características resistentes
cambian según el. perfil da durezas. El EF supone ‘ma pérdida
intensa de propiedades debido al proceso de fusión que provoca,
durante la solidificación, la aparición de una extructura de
colada celular—dendritica. Este BF nuestra el mayor
alargamiento (Figuras 159, 167, 190, 192 y 195)-
- La zona que metalográficar¡ente se asociarla con el MB se
pueda dividir ‘un dos zonas diferenciadas, una que puede ser
interpretada cono la parte de la ZAC contigua al SP y en la que
se produce un proceso de autotemple con una permanencia, en
forma de meseta, de las características mecánicas muy extensa,
típica de esta familia de aleaciones> y otra, contigua al MB,
con una pérdida intensa de propiedades mecánicas resistentes
(que incluso superan en ocasiones al MB) debido al
sobreenvejecimiento producido por la temperatura alcanzada y el
tiempo de permanencia en ella El estudio mediante el método
optoelectrónico corrobora que la zona donde la dureza es mayor
es la que menor alargamiento sufre comparandola con la zona
contigua (Fiqe. 140, 162 y 163).
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Dureza Rockwell 5 sobr. al Frontal de la Probeta.
Aleación ‘015 213 (Probeta A) Soldada TIC-
239
FIGURAS: 141 a 156
MATERIAL: Aleación 7015 T73 <AI—Zn-Mg> (Probeta A)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectránico
GRÁFICA: Tensión fN/mm’) en función de la deformación
longitudinal [%)
ESTUDIO LOCAL: Franja a franja
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión respecto
a la deformación longitudinal para cada espaciado
entre dos franjas contiguas.
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SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión (M/mdj en función de la deformación
longitudinal (%)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión
respecto a la deformación longitudinal para
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada <Flg. 140>:
1 — 8 : ZAC f2)
a — 10 : nC (1)
10 — 12 : BF
12 — 14 : flC (1)
14 — 16 : flC [2)
Con el fin de aportar información complenoentaria
sobre flC (2) en la que se observa variaciones en
la dureza también se presentan las siguientes:
1 — 3 : descenso de dureza
3 — A : ascenso de dureza
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MATERIAL: Aleación 7015 273 (Al—En-Mg) <Probeta A>
SOLDADURA: TIG
SISTEMADE ADQUISrCrÓM DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación transversal o-’ *7 en función de la
deformación longitudinal 1~)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la deformación
transversal respecto a la deformación
longitudinal para cada una de las distintas zonas
presentes en la junta soldada (Fig. 140>:
1 — 16 : Datos globales
1 — 8 : ZAC (2)
8 — 10 : ZAC (1)
10 — 12 : DF
12 — 14 : ZAC (1)
14 — 16 : ZAC (2)
Con el fin de aportar información complementaria
sobre la ZAC 1 2) en la que se observa variaciones
en la dureza también se presentan las siguientes:
1 — 3 descensode dureza
3 — 8 ascenso de dureza
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FIGURA: 172
MATERIAL: Aleación 7015 113 <AJ-Zn-Mq) <Probeta A>
SOLDADURA: Tía
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRJoflCA: Tensión ffl/nomJ en función del tiempo de ensayo
<nOmoero de barridos del láser —scanns>
ESTUDIO LOCAL: Global
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión
con el tiempo.
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FIGURA: 173
MATERIAL: AleacIón 7015 T73 (AI-Zn—Mg) (Probeta A)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE >nn~uísxcí6» DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación transversal (*7 en función del tiempo de
ensayo <númerode barridos del láser -scanns>
ESTUDIO LOCAL: Global
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la
deformación transversal con el tiempo.
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FIGURAS: 174 a 189
MATERIAL: Aleación 7015 T73 <AI-Zn—Mg) (Probeta A)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación longitudinal (*) en función del tiempo do
ensayo <ndmero de barridos del láser —scanns>
ESTUDIO LOCAL: Franja a franja
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la deformación
longitudinal con el tiempo para cada espaciado
entre dos franjas contiguas.
Se muestra, también, la variación de la
deformación longitudinal con el tiempo de ensayo
para cada espaciado en dos tipos de gráficos
diferentes <Figs 190 y 191> -
Así mismo, se muestra el estadio final del
proceso de visualización por ordenador del ensayo
de tracción <hg. 192) -
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FIGURAS: 193 a 197
MATERIAL: Aleación 7015 113 <AI—Zn—-t-¶q) (Probeta A)
SOLDADURA: TIG
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
ctRÁFICA: Deformación longitudinal (*7 en función del tiempo de
ensayo <número de barridos del láser —scanns)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la
deformación longitudinal con el tiempo para
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada (ng. 140):
1-6 :ZAC(2)
8 — LO : ZAC (1]
10 — 12 : BE
12 — 14 : ZAC [1]
14 — 16 : ZAC (2)
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ALEACIÓN 7015 F SOLDAJ3A MEDIANTE TIC
En las figuras iSé a 238 se muestra la información
mecánica obtenida mediante el Stodo optoelectrdnico de
la aleación 7015 F soldada sometida al ensayo de tracción.
Esta aleación es la 1015 sin tratamiento de envejecimiento,
lo que significa que su HE va a presentar unas caracteristicas
mecánicas resistentes muy bajas. La descarga del arco eléctrico
supone, para este marerial. un proceso térmico que invierte la,.
propiedades mecánicas, tal cono se han discutido para
las 2014 Tó y 7015 TíS. E]. BY tendrá unas características
mecánicascualitativas iguales al BP de la 1015 T73, ya que )La
fusión provocará la aparición de una estructura de
colada sin grandes prestaciones mecánicas aiq~. 218, 224,
230, 252, 253 y 256>.
La ZAC, por el contrario que en las aleaciones tratadas
térmicamente antes citadas, sufrirá un endurecimiento y por
tanto ganancia en cuanto a las propiedades mec6nlcas
resistentes y pérdida de propiedades plásticas, aunque de orden
menor, respecto al MB <Figs. 216 a 258>.
Esta aleación ha sido ensayada con el fin de producir un
cambio radical en las propiedades mecánicas con respecto a Las
dos anteriormente estudiadas y así comprobar la exactitud de la
información del método optoelectrónico. Incluso se puede
asegurar que esta aleación, con un comportamiento más sencillo
305
y pronosticado ha sido y es un banco de prueba. para la
adaptación del método a los hechos estudiados.
También en esta aleación se ha obtenido información
mecánica complementaria estudiando la variación local zonal de
propiedades como:
—. tensión
—. deformación longitudinal
— - deformación transversal
-. diferencial de la tensión (a) respecto a la
diferencial de la deformación longitudinal (s>
—. deformación transversal dividida entre la
deformación longitudinal (relación de contracción)
—. tiempo de ensayo (número de barridos del rayo
láser —scanns> (Fiqs. 198 a 258).
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Figura 798.— Situación de la Junta Soldada en una probeta de Tracción
Respecto al Código de franjas d.l Método Opto*lactrónito y Perfil de Dureza
Rockwll E sobre el Frontil de la Probeta. Aleación 7015 F Soldada TZC.
:307
FIGURAS: 199 a 215
MATERIAL: Aleación 7015 F <A.t-Zn—Mg>
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADOVISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión fn/mm’) en función de la deformación
longitudinal (1)
ESTUDIO LOCAL: Franje a franje
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión respecto
a la deformación longitudinal para cada espaciado
entre dos franjas contiguas.
Para las franjas 7 — A, se presenta un cambio de
escala en el alargamiento (Fig. 207)
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FIGURAS: 216 e 220
MATERIAL: Aleación 7015 E (AI-Zn-Mg)
SOLDADURA: Tía
SISTEMA DE ADQUISICIóN DE
GRÁFICA: Tensión (U/ma’)
longitudinal (tj
ESTUDIO LOCAL: gonal
DESCRIPCIÓN: Se representa
respecto a la
cada una de
en la junta
1-4 :ZAC
4—6 :ZAC
6 — 10 : BE
10 — 12 : ZAC (1)
12 — 16 : ZAC [2)
DATOS: Método optoelectrónico
en función de la deformación
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331
En el trazado de la curva que relaciona la do/dc con la
deformación longitudinal, influyen los primeros datos erróneos
debidos a las lecturas en vacio (antes de la aplicación de la
carga), ajustes de la máquina, acoplamiento de mordazas,
deslizamientos, etc., e incluso los datos tomados con
posterioridad a la roture de la probeta.
Los valores antes del máximo se corresponden con el campo
elástico, de forma que el tratado de esta curva representa la
variación del módulo de Younq con respecto al alargamiento
Incluso dicho valor máximo se ve, también, influenciado por el
resto de los valores dentro del campo plástico.
Acotando el intervalo da alargamiento y el número de
barridos a considerar, y variando el intervalo de regresión de
los datos, el programa permite obtener el trazado de la curva
para, únicamente, la zona del máximo valor del nódulo de Young.
Éste máximo valor no es anico, sino qwe se encuentra acotado en
un intervalo de probabilidad de un valor seguro.
ES posible ajustar estos valores a una curva, en un intento
de evitar la dispersión de los mismos, pero con esto sólo se
consigue perder exactitud en el rango del módulo.
332
FIGURAS: 221 a 226
MATERIAL: Aleación 7015 F <Al-Za-Mg)
SOLDADURA: TIC
SISTEMADE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Diferencial de la tensión <o> respecto a la
diferencial de la deformación longitudinal <e> fN/msa2)
en función de la deformación longitudinal 1~)
ESTUDIO LOCAL: Zonal. Calculo del módulo de Young
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la da/de respecto
a la deformación Iongitudinal para cada una de
las distintas zonas presentes en la junta soldada
<Fig. 198). Se muestra el intervalo de
probabilidad de un valor seguro para el módulo de
Young— Cada gráfica indica los intervalos de
barridos del láser <Scanns) y de regresión lineal
empleados en el cálculo. Las gráficas se
presentan con los datos sin ajustar a una cuna.
1 — 15 : flatos globales
1—4 :ZAC(2)
4—6 :ZAC (1)
6 — 10 :
10 — 12 : flC fi)
12 - 16 : ZAC [2)
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FIGURAS: 227 a 232
MATERIAL: Aleación 7015 E CAI-Zn--Mg)
SOLDADURA: Tía
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRAFICA: Deformación transversal (tI en función de la
deformación longitudinal (t)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la deformación
transversal respecto a la deformación
longitudinal para cada una de las distintas tonas
presentes en la junta soldada <Fig. 198):
1 — 16 : Datos globales
1 — 4 : ZAC (2]
4 — 6 : ZAC (1)
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10 — 12 : ZAC [1)
12 — 16 : ZAC (2]
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SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADOUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Tensión (N/mm1) en función del tiempo de ensayo
<minero de barridos del lAser —scanns)
ESTUDIO LOCAL: Global
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la tensión
con el tiempo.
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FIGURA: 214
MATERIAL: Aleación 7015 (Al -En--Mg>
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectt-énico
GRÁFICA: Deformación transversal ft) en función del tiempo de
ensayo (número de barridos del láser —scannsj
ESTUDIO LOCAL: Global
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la
deformación transversal con el tiempo.
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SOLDADURA: nG
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación longitudinal [%) en función del tiempc- de
ensayo <número de barridos del láser -scanns)
ESTUDIO LOCAL: tanja a franje
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la deformación
longitudinal con el tiempo para cada espaciado
entre dos franjas contiguas.
Se muestra, también, la variación de la
deformación longitudinal con el tiempo de ensayo
para cada espaciado en dos tipos de gráficos
diferentes <Fiqs 251 y 252).
Así mismo, se muestra el estadio final del
proceso de visualización por ordenador del ensayo
de tracción (Fig- 253).
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FIGURAS: 254 a 258
MATERIAL: Aleación 7015 E <Al—En-Mg)
SOLDADURA: TIC
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: Método optoelectrónico
GRÁFICA: Deformación longitudinal (%) en función del tiempo de
ensayo <número de barridos del láser —scanns)
ESTUDIO LOCAL: Zonal
DESCRIPCIÓN: Se representa la variación de la
deformación longitudinal con el tiempo paz-a
cada una de las distintas zonas presentes
en la junta soldada (Fig. 2981:
1 — 4 : ZAC (2)
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IV. 3 ElE~ >.LflGhMIUflO ZONAL LOCAL
En las figuras 359 a 361 se pueden observar los perfiles
del alargamiento zonal local para las aleaciones 2014 TE,
7015 T73 y 7015 E soldadas obtenidos mediante el método
optoelectrónico
Es importante comprobar como estos perfiles se ajustan a
los obtenidos mediante el ensayo de dureza. Hemos podido
comprobar, también, que aunque los resultados se ajustan a los
obtenidos por métodos convencionales normalizados, :‘La
información del método optoelectrónico resulta más fiable y
comparativa, ya que al tener, o bien que totalizar toda la
longitud inicial entre marcas o bien que totalizar los valores
zonales, los resultados de los métodos convencionales son más
ambiguos por globalizar datos muy heterogéneos. Este es el caso
de la ZAC cC’aya heterogeneidad mecánica es muy visible y que en
tina medición normalizada no se tiene en cuenta.
creemos necesAria la interrelación de los datos obtenidos
mediante mediciones convencionales (Figuras 44 a 46> con los
obtenidos para las mismas zonas por el método optoelectrónico.
Es del todo impreciso tratar de definir concretamente el
comportamiento mecánico de la ZAC por mediciones
globales convencionales aunque, de alguna forma, y sobre
todo en valores relativos, el perfil de comportamiento
mecánico sea comparable al obtenido mediante el método
377
optoelectrónico (Figs. 259 a 261>. cuando me trata de
mediciones convencionales se puede comprobar la dificultad de
definición de la ZAC. Si ésta se define desde el punto de vista
metalográfico. es fácil la medición y la interpretación de
resultados. Pero si se hace caso de la definición mecánica,
realmente esta zona es compleja y de dificil caracterización.
Se puede comprobar cono el alargamiento varia notablemente,
de forma relativa, según las zonas ya discutidas de la
soldadura. El alargamiento es siempre un valor que apunta al
conportamiento plástico y por tanto a la ductilidad; es un
factor de seguridad en el comportamiento de un material en
condiciones de servicIo.
En la aleación 2014 TG se observa que el alargamiento es
bajo para el BF, aumentando de valor según nos alejamos hacia
el material base.
El comportamiento observado para la 7015, tanto con
tratamiento térmico cono sin él, es contrario al observado para
la 2014 T6. La plasticidad en el baño fundido, debido a su
particular estructura de colada, es menor que en el resto de la
unión soldada, sobre todo en el caso de la 7015 Ti), a pesar de
que, e’a<perilnentalEvlente presente un alargamiento mayor.
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1W.- PRESENTACIONY ANALISIS DE RESULTADOS
IV .4. - MODULO ELASTICO <LE ROLLE-ANDSOR¿EN)
1t4- MODULO ELPESTICO <LE ROLLMW SORIN
)
De los datos obtenidos mediante el ensayo de
Le Rollando--Sorin para las aleaciones 2014 TE y 7015 F
(Figs. 262 y 263> se deduce el acuerdo existente, en cuanto a
la variación del módulo de elasticidad local, con los datos
obtenidos mediante el método optoelectrónico.
En las figuras 80 a 91 y en la figura 262 se ven claramente
los resultados obtenidos para la aleación 2014 TE. Se observa
una pérdida de rigidez importante en el BE y en la ZACo- Sin
embargo, oxieto una aona de autoemple en la ZAc contigua al Br
(ZAC 1) en la que el módulo de elasticidad crece de forma
importante. En estas figuras no se muestran los resultados de
la ZAC con ganancia paulatina de nódulo de elasticidad
(contigua al MB>, ni tampoco dcl MB, donde se vuelven a
alcanzar valores inportantes en módulo de Young.
La aleación 7015 E nuestra un perfil de ganancia en el
módulo, con respecto al MB que coincide igualmente con lo
discutido co la utilización de los valores del método
optoelectrónico (Figa. 221 a 226~. Queda claro que, para asta
aleación, la soldadura significa una ganancia en las
características necánicas existentes respecto al Y-IB.
388
El ensayo de Le Rolland-Sorin ha mostrado, muy claraente,
el perfil zonal de valores del módulo de elasticidad para las
soldaduras estudiadas. Es interesante comprobar como estos
perfiles se asemejan a los obtenidos con los ensayos de dureza
(Pigs. 35 a 40>. Todos estos valores coinciden y refrendan la
infformacibn obtenida con el método optoelectrónlco.
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393
IV. - PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS
IV-5.- RESILIENCIA (CHARPY)
Ivo-So-— RESILIENCIA CCEARPY
>
Son muchos los intentos actuales de relacionar propiedades
y comportamientos mecánicos con el ensayo de resiliencia
(Charpy> en soldadura. La especial geometría de la unión
soldada y el propio diseño de la probeta (en cuanto a
dimensiones y situación de la entalla> hacen que no exista
acuerdo respecto a la interpretación o significancia de los
resultados obtenidos. Por otra parte los valores de energía
obtenidos son relativos y no deben ser empleados en ecuaciones
de diseño.
En la presente investigación se ha tratado de ser poco
pretencioso en cuanto a la obtención de información mecánica y
sólo se ha pretendido comprobar si los resultados de este
ensayo corroboraban o complementaban a los obtenidos mediante
el ensayo de tracción.
Se ha respetado la norma DIN 50115 ¡El> en cuanto a la
geometría de la probeta y a la calibración y utilización del
pénwalo Charpy. La situación de la entalle se ha elegido
dependiendo de la localización de la zona de la que se
pretendía obtener información siguiendo las indicaciones
de la norma DIN 50122 ‘~‘a>
En principio se puede pensar que aunque la información sdlo
debe ser considerada para las condiciones de ensayo, si puede
395
aportar una idea del comportamiento dúctil o frágil de la zona
estudiada de una forma cualitativa (Figura 265), teniendo en
cuenta que los valores obtenidos son siempre relativos.
En la figura 266 se presenta una tabla con valores
promediados, set¶alandose eí lugar de la colocación de la
entalla. La tabla de valores se refiere a los resultados
obtenidos con la aleación 2014 T6 y que pueden ser
orientativos, desde ~l punto de vista de la relatividad de las
zonas, del comportamiento mecánico de la unión soldada en este
tipo de aleaciones.
De esta tabla se desprende que las probetas C y E requieren
una energía más elevada para la rotura, lo que parece indicar
un comportamiento más ductil en la ZAC que en otras zonas.
Parece que deberla ser en el BE en ej que se dieran los mayores
valores por poseer una estructura de colada, sin embargo, y
como ha demostrado el estudie metalogrático, la aparición de
precipitados de gran volumen (AI,cu> en los espacios
intercetutares—dendriti±2c~s favorece el ceoportaniento frágil de
esta zona <Probetas O y o) o-
Se deduce, de los valores obtenidos, que la situación de
la entalla en la ZAC según la probeta E eleva la energía
necesaria nás que si se situara según la probeta Co- Esto parece
lógico, desde el punto de vista de las geometrías de la unión
soldada y de la probeta, dada la facilidad que presentan para
396
el progreso de la grieta. La situación según C resulta más
propicia para este progresoE
El MB <Probeta A> posee valores relativos de energía
acordes con su estructura interna. Los resultados muestran un
comportamiento memos dúctil que en la ZAC o en el SP, lo que
parece razonable si se compara con los valores mecánicos de
resistencia y alargamientos locales obtenidos mediante el
método optoelectrónico en los ensayos de tracción. Los
alargamientos zonales locales resultaban ser más bajos para
esta zona que para las demás dentro de la unión soldada.
397
zígura 265<— flacrografla flostrando la Dif04rente Rotura. Frágil para
el EF <Parte S~aperícz’1 ‘a- Dúctil para la flC <Parte Inferior>.
en una Proteta Charpy. Meacién 2014 Z6 Soldada EXC”
398
eESITE-IENCIA (cvi
[JEi 1 /rsi.~
PROBETA CRARPY
A 7166
B 95i3
C 12487
0 9365
E 13332
F 5443
Figura 266 -— Valores de ResilIencia y situación de la Entalla con Respecto
a Ja Unión Soldada. Ensayo Charpy. Aleación 2014 T6 Soldada 210.
399
1W.- PRESEMTEACION Y AflALISIS DE RESULTADOS
TV. 6. - 1-IETALOCRAFIA ZONAL
IV6~ METALOGRAFíA ZONAL
Las propiedades mecánicas de un material tienen su última
causa en la microestructura. Esta es la responsable de las
características del material por su composición química, forma,
tamaño y distribución de las fases, así como la interacción
entre ellas y su naturaleza.
El ataque químico no define bten las zonas típicas de estas
uniones soldadas, sobretodo desde el punto de vista
macrográfico (Figs. 267 y 268>- sólo se pueden distinguir
aquellas zonas con microestructuras muy diferentes o
especialmente sensibilizadas al ataque.
En todas las aleaciones estudiadas se observa claramente
la estructura del Baño Fundido. Es una estructura típica de
colada para estas aleaciones bifásicas, muestra una
microestructura celular—dendrítica (Eigs. 269 a 274) o- Además, de
las posibles segregaciones de elementos presentes en estas
aleaciones, las fases endurecedoras de estas aleaciones, M~Cu
y zn2Mq, se situan en los limites intercelulares. La estructura
bifásica presenta malas características mecánicas debido a que
estos limites intercelulares están ocupados de forma continua
por un precipitado voluminoso. Esta discontinuidad estructu:ral
lo es también mecánica. Es un hecho generalizado que estas
situaciones estructurales favorecen el progreso de grietas a
través de estos limites (Pig. 275>.
401
El limite del BE y de la Zona Afectada por el calor (mAc)
no tiene un limite demasiado definido (Figs. 271 a 273) debido,
principalmente, a que la alta conductividad de estas aleaciones
provoca en la mAC refusiones en los limites de grano. De esta
forma se producen penetraciones del BE en la ZAC y
segregaciones en el limite de grano.
A nivel macroscópico el problema es menor ya que se
distingue bien el limite y coincide con el concepto mecánico de
zona (Figs. 267 y 268>.
Lo verdaderamente complejo en estas aleaciones soldadas es
la Zona Afectada por el Calor. ZAc que, desde el punto de vista
mecánico, presenta tres zonas diferentes, para las tratadas
térmicamente, que ennumeradas desde el BF al MB son: zona de
autotemple, zona de sobreenvejecimiento y zona de recuperación
de propiedades mecánicas. Sin embargo, toda la ZAC presenta una
morfología análoga (Piqso- 276, 277). Aunque es evidente que la
zona de autotemple. fronteriza con el BE, presenta un
engrosamiento importante de los limites de grano debido a la
importante precipitación en estos lugares, especialmente
favorecidos, durante el calentamiento provocado por la
soldadura (Piqs. 278 a 230), sin embargo, el interior de los
granos no presenta una especial relevancia, lo que demuestra
que los elementos aleantes que no se han segregado a los
limites de grano provocan el autotemple (Figs. 281>.
402
El resto de la fe, hasta llegar al MB, desde el punto de
vista metalogrAfico, es muy parecida, si no identica al ME-
Sobre todo si la observación se hace por Microscopia Optita
convencional (Figo. 282> Tampoco la Microscopia Electrónica de
Barrido distingue claramente estas zonas de la ZAfl al
MB (Figs. 283> o- Habría que recurrir a la Microscopia
Electrónica de Transmisión para poder observar el engrosamiento
de los precipitados endurecedores por efecto del
sobreenvejecimiento o-
El limite de la ZAC con el MB es indistinguible
metalográficamente a causa de la paulatina adaptación de ésta
al MB. También desde el punto de vista mecánico este encuentro,
entre la ZAc y el MB, se hace de forma paulatina y suave,
siendo esta la única manera de establecer este limite
estructural.
Todo lo discutido anteriormente es válido para las
aleaciones tratadas térmicamente, 2014 TE y 7015 T73. La
aleación no tratada térmicamente, la 7015 E, no presenta una
ZAC clara y distinguible del MB, aunque la estructura del BF si
que se corresponde con lo discutido para las otras dos.
403
rlgura 267-— Macrografls Mostrando las oifer.ntes Zonas 4• la unión Soldada.
Aleación 2014 2’ soldada 710. Atsquet NaON ¿1 30%, 20 Segundos.
Figura 268— flacrogratis Mostrando las Diter.ntes Zonas 4. la unión soldada.
Detall.. AleaciM. 2014 26 Soldad, lo-lo. Atagu.: Naos al 30’, 20 Segundos.
404
JIguta 259.— Salo Fmdldo. fl.acl&3 2014 76 Saldada IZO.
Ataqu.: flactlvo flhi.ra 20 t.guadag.
Flgvra 270.— baSo Fndldc. JJ.acIdr. 2014 T5 Soldada 710.
405
Figun 271.- Salo tundido. AlaaciSn 2014 TE Soldada 710.
Ataqu., Raactiyo X.ll.rs 10 •.gundoa.
rigur. 272.- nAo Fundido. AI..cidn 2014 76 5014.4. 710.
AtI0flh R•*CtIt’0 F.•ll•t, 10 s.gundos.
406
Figura 273.— Salo Fundido. Alnci6a 7015 nI Saldad. 710.
Ataqu.a &.aotivo flhln. 10 •.gundoa.
Figura 274.— Jalo Fundido. AI.acidn 2014 75 Soldada 710.
At.qu.: Jt.aotiro flhl.ra 10 a~ndoa.
407
r. .X400
Figura 275.—Jalo Fundido. AI.ación 7015 773 Soldada 710.
Ataqu.: R.activo flhl.rs 10 ..gundos.
Figura 27’.— Zona ASaetadapor Calor. AI.ac.dn 2014 76 Soldada 110.
Ataq’z.z Mactivo Zallar. 10 •.gundoa.
408
Figura 277.— SosaAUnada por .1 calor. AlasciAn 2014 U Soldada 2W?.
Ataqu.a A.aetin Zallan 10 s~’wdoa.
Figura 27*.- ial. Fundido. Alaacida 2014 TE Soldada 710.
At.~aa >.aactln Zallará 10 sagunto..
409
Figura 279.— zona Afectada por .1 Calor. AlcacíEs 7013 T71 Soldad, TIC.
Ataque: Aeactivo Reilar. 10 segundos.
Figura 250.— JaRo Fundido. AI.aoid.A 2014 TE Soldada 710.
Ataque: Reactivo Rallen 10 segundos.
410
rvi
Figura 281.— Zona Afectada por el Calor. Aleaci6s 2014 76 Soldada flO.
Ataque: Reactivo Sellar. 10 segundos.
figura 202.— Frontera ZAC—MJ. Meaci6n 2014 76 Soldada TIC.
Ataque, Reactivo teucra JO segundos.
411
412
Figura 283.— Front.ra flC—KJ. kZeaci&i, 2014 76 Soldada 710.
flaqu.: Reactivo ReIlará 10 segundo’.
1”.- MODELO PROPUESTODE COMPORTAMIENTO MECANICO
¶7. - MODELO PItOPUESTO DR COKPORTM(IEWflO MECAMICO
Después de analizar toda la información mecánica obtenida
de las uniones soldadas ensayadas estamos en disposición de
definir un modelo cualitativo de comportamiento mecánico para
las aleaciones de aluminio de forja tratables térmicamente y
soldadas estudiadas, y generalizar a todas las demás familias.
Hemos investigado las dos familias más dispares en
cuanto a tipo de tratamiento y comportamiento frente a
la soldadura: lxxx y 2xxx (7015 T73 y 2014 T6). LI 2014 TG
lleva un tratamiento térmico simple, como corresponde a las
aleaciones del tipo (i) <Anexo 1>, y la 7015 T73 un duplex
<iii) (Anexo 1>. La aleación 7015 T73 presenta la posibilidad,
como casi todas las de su serie, de ser autotemplable.
La serie Exxx, también de forja y tratable
térmicamente, pertenece a las de media resistencia y su
comportamiento frente a la soldadura es intermedio entre
las series 2xxx y lxxx (Tabla 2>.
Por tanto, creemos que, al ensayar en profundidad
aleaciones de las series 2xxx y lxxx, que son los dos extremos
del seg~santo de la familia de aleaciones de forja tratables
térmicamente, podemos definir lo que ocurre entre dos limites
mecánicos.
414
Naturalmente, el modelo, por fuerza ha de ser cualitativo,
ya que, incluso Antro de una misma serte, los valores
mecánicos varian entre Amplios uírqenes para aleaciones
diferentes (Tabla 2>.
En primer luqar, queda claro que ninguna de estas aleaciones
puede sufrir ciclos térmicos que superen los 200t, ya que el
endurecimiento conseguido con el tratamiento térmico
desaparece. Incluso picos térmicos muy rápidos pueden dar al
traste con el bonificado conseguido. Esto quiere decir que el
calor aportado durante la soldadura va a suponer una crisis en
la microestructura conseguida durante el envajecimientc.
Recordemos que, aunque pueden existir caminos diferentes
para conseguir el envejecimiento en esta serie de
aleaciones (Anexo 1), el mecanismo endurecedorde la matriz de
aluminio es el mismo. Esto significa que todas sufrirán el
impacto de la soldadura con parecida intensidad y responderán,
coso hemos comprobado en esta investigación, con semejante
respuesta (Fiqs~ 35 a 40>.
En todos los casos aparecerán las mismas zonas
características: baño fundido (BP), zona afectada por el calor
<ZAC) y material base (ME>.
La extensión, mayor o menor, de la UC dependerá de la
conductibilidad térmica de cada una de las aleaciones y del
elemento endurecedor (Al,Cu, Zn,Nq, Mq~Si>. A menor
conductibilidad térmica, menor extensién de la nc (caso de la
415
serie 2xxx> y cuanto mayor sea la temperatura del tratamiento
térmico de envejecimiento, simple o duplex, menor extensión
tendrá, también, esta zona. Esto, por supuesto, siempre que se
respeten las mismas condiciones de soldeo.
También la extensión del BE dependerá de la temperatura
de fusión de cada aleación y de la conductibilidad térisica,
para unas mismas variables de soldeo.
Respecto de la microestructura resultante, hay que decir
que en el BF, en todas las series, aparecerá durante la
solidificación con una estructura de colada celular—dendritica,
más o menos caracterizada en un sentido u otro y con 1211
precipitado voluminoso en los espacios intercelulares. Este
precipitado estará formado por la fase endurecedora <Al,Cu,
Zn,Mg. Mg2Si> con morfologías irregulares da gran tamat~o y
continua a través de los espacios intercelulares—dendriticos.
En algunos casos un aporte de calor excesivo pueda producir la
refusión de estos precipitados apareciendo grietas continuas en
su lugar <Figs. 2151. También estas grietas pueden aparecer
durante la solidificación por microrechupes y contracciones de
volumen. Todo ésto trae consigo una fraqilización que actua
favoreciendo el progreso de grietas a través de estos espacios
intercelulares-dendríticos. En muchos casos, las grietas ya
existen, como hemos visto, y son las tensiones externas las que
favorecerán su progreso.
416
La UC estará constituida por una microestructura
consecuenciadel sobreenvejeciuientc producido por el calor de
moldeo. Dicho sobreenvejecimiento será más intenso en la zona
de la nc contigua al EF e irá desapareciendo más o menos
lentamente, según la naturaleza de la aleación, hasta alcanzar
al MB no afectado (Fiqs. 276 a 280).
U. sobreenvejecimiento intenso se muestra por la aparición
de’precipitados, más o menesvoluminosos, tanto en el interior
de los granos, como en Los limites de latos. Estos precipitados
se irán haciendo más finos e imperceptibles según nos
desplacemos hacia el MS, y estarán constituidos,
fundamentalmente, por los elementos endurecedores
convencionales: Al2CU, Zng4g, Mg2Si (rige. 276 a 281>.
Las propiedades mecánicas de estas zonas quedan
perfectamentedefinidas ~~or las microestructuras descritas y se
pueden asociar a los test de dureza. Hay que resaltar la
relación absoluta entre propiedades mecánicas y los perfiles de
dureza.
?ués bien, si vamos asociando el trazado de los perfiles
de dureza a las microestructuras halladas, podremos asociar
microestructuras con propiedades mecánicas y así tener un
modelo de comportamiento mecánico.
Lógicamente, el DV presenta un ablandamiento que se asocia
a una estructura de colada. También queda justificada la
417
aparentemente extraña fragilidad per la distribución de
precipitados en los espacios intercelulares—dendriticos, así
cono por la existencia de microreebupes y contracciones de
volumen en los mismos lugares. En todo caso, esta estructura
favorece el progreso de grietas existentes o que se provoquen
bajo tensiones.
En la zona de la ZAC contigua al BE, antes de la pérdida
intensa de características mecánicas resistentes, aparecen en
los perfiles de dureza unas elevaciones, mesetarias o no (en el
caso de la serie lxxx aparece una meseta extensa, al contrario
que en la serie 2xxx> que responden a zonas de autotemple
posible en aleaciones cuya línea de “solvus para las zonas
G.P. tiene una posición privilegiada (Anexo 1> (Figs. 284).
También los bordes del BE poseen mayores caracteristicas
mecánicas resistentes que al centro debido a la segregación de
impurezas durante la solidificación.
A continuación de esta meseta de la ZAC, correspondiente
a un aumento de las características mecánicas resistentes,
contigua al BE, aparece una pérdida intensa de éstas debido a
un fuerte sobreenvejeciniento <Figs. 35 a 40>• Esta zona se
encuentra más cerca <serie 2xxx) (Figs. 35 y 36) o más lejos
(serie lxxx> (Eiqs. 39 a 40> dependiendo de la naturaleza de la
aleación. El crecimiento de los precipitados y la pérdida de
coherencia hace mac el ablandamiento sea muy intenso. Este
proceso será más intenso cuanto zAs alta haya sido la
temperatura sufrida y más largo el tiempo de permanencia por
418
encima de la línea de “solvus” para las zonas de
Guinier—Preetom. Esto trae como consecuencia que al alejares
hacia el )AE, esta pérdida de propiedades mecánicas sea menos
intensa hasta igualarse a las originales del MB. Este ascenso
hacia la normalidad se inicia de una manerabrusca para luego
hacersemás lento (Fiqs. 35 a 40>.
Dicho esto, podemos comprender que la UC definida
mecánicamente es la más compleja a la hora de estudiar el
comportamiento mecánico de una unión soldada en este tipo de
materiales.
Por esto se desprende de nuestra investigación que las
típicas zonas de una soldadura: BF, ZAD y MB deben ser
definidas mecánicamente mediante, por ejemplo, un perfil de
durezas, ya que sicroestructuralmente los limites son más
difíciles de determinar y observar, por muy sofisticados
reactivos de ataque que se utilicen (Figs. 267 a 283).
Naturalmente, las propiedades mecánicas resistentes llevan
asociadas unas propiedades plásticas, fundamentalmente, de
alargamiento. Pues bien, exceptuando el BE cuya estructura,
fraqilizada microestructuralmente, se separa de un
comportamiento normal, el alargamiento sufre un proceso inverso
al de las características resistentes, como ha quedado
demostrado con el método optoelectrónico. Esto es válido para
todas las series de la familia de aleaciones de forja tratables
térmicamente (Figura 1> (Tablas 1 y 2).
4119
VI.- DISCUSION GENERAL
VI. - fl!SCUU!OU aflhL
Existen dos campos diferentes en los que hemos tratado de
aportar información dentro de la soldadura de las aleaciones de
aluminio de forja. El primero ha sido conocer el comportamiento
mecánico de estas uniones, y el segundo, adaptar y aporl:ar
nuevos sistemas de toma de datos para el ensaye de traccián,
que hagan menos complejo y enriquecedor este tipo de ensayo.
También sehan hecho adaptacionesinteresantes y originales
de ensayos convencionales como la dureza, péndulo Chazpy y
péndulo de Rolland-Sorin al estudio de una unión soldada. Estos
ensayos mecánicos han sido muy valiosos para cumplimentar e
interpretar \os.datos obtenidos en el ensayo de tracción.
Creemos, por tanto, que es interesante discutir los datos
mecánicosobtenidos, la idoneidad de los ensayos realizados y
los métodos de toma de datos utilizados.
Las propiedades mecánicasde las aleaciones de aluminio de
forja tratables térmicamente, dependen de la matriz de
aluminio, que en todas ellas es masiva, sobrepasandoel 90% en
peso. Por tanto, frente a otras propiedades típicas del
aluminio, como son su resistencia a la corrosión o su baja
densidad, los elementos de aleación modifican su aptitud,
mejorandola o empeorandola. frente a las solicitudes de
servicio. En todas es una red cristalina cUbica centrada en ].as
421
caras, que se ve, más o menos, intensamente distorsionada,
masivamenteo no según la acción de los elementos aleantes. El
endurecimiento en las aleaciones de aluminio de forja pasa por
agriar su estructura mediante tratamientos térmicos de
bonificado, que en su fase de maduración (natural o artificial>
desarrolla un precipitado más o menos coherente con la matriz,
que según el caso y conveniencia será de mayor o menor tamaño,
y que produce una activa distorsión de la matriz de aluminio.
Los precipitados más universalmente utilizados son el
Al2Cu, Mg,Si y En,>!g. Según se puede comprobar en el Anexo 1,
depende de la línea de “solvus” para las zonas de
Guinier—Preston el que sean más fácil o difícilmente
endurecibles y que el proceso sea simple o duplex.
Como el mecanismo en todas es el mismo y su efecto final
se consigua por los mismos métodos, siendo siempre común el
efecto de la matriz, que es igual en todas — aluminio —, se
puede prever que la naturaleza íntima en todos los casos sea la
misma. Es posible, por tanto, esperar que se puedan establecer
relaciones biunívocas entre características mecánicas de la
misma especie. En materiales diferentes entre si, aleaciones de
distinta naturaleza química, esto no tiene porqué
ocurrir; a una dureza igual, por ejemplo, no tienen porqué
corresponder resistencias semejantes. Sin embargo en las
aleaciones de aluminio de forja, como era lógico esperar, hemos
podido comprobar que si.
422
Incluso la respuestaa los ciclos térmicos de soldadura es
muy semejante, siguiendo un modelo cualitativo idéntico, como
hemospuesto de manifiesto con esta tesis.
Hemos seleccionado aleaciones cuyos comportamientos pueden
suponer el mayor distanciamiento en este tipo de aleaciones,
siendo los elementos endurecedoresAl2Cu y Zng4q.
Se ha podido demostrar que
después de la soldadura sigue
aleaciones. Rl que en una u
mismas condiciones de soldadura,
extensa depende de la naturaleza
(Al,Cu y Zn2Mg) y de la línea de
cuinier—Preston.
Así, en el caso de la
más extensa que en el caso
autoenvej ecimiento (Figs.
enfriamiento mayor para la
situación de la línea
Guinier—Preston que provoca
caso de la aleación 7015 T73.
el comportamiento mecánico
un mismo modelo en ambas
otra aleación, para unas
la nc sea más o menos
del elemento endurecedor
“solvus” para las zonas
aleación 7015 T’73, la ZAC es mucho
2014 TE, incluso existe una zona de
35 a 40> natural durante el
primera. Esto es debido a la
de solvus para las zonas
fácilmente el autoemple en. el
La mayor extensión de la ZAC en la 7015 T73 viene impuesta
por la mayor conductividad térmica de esta aleación frente a la
2014 TE, lo que provoca gradientes térmicos más suaves. También
la sensibilidad de la reacción de formación y disolución del
423
Zn,Mg es mayor que para el Al2Cu según sus lineas de solvus
<Anexo 1). La pérdida de características mecánicasen la parte
de la ZAC contigua al BE es muy intensa en ambas aleaciones;
puede suponer alrededor del 30%, lo que conlíeva una
discontinuidad mecánica apreciable.
Hemos podido comprobar y demostrar en esta
investigación que las diferentes zonas producidas durante
el soldeo —SE, ZAC y MB— sólo se ponen da manifiesto
y se pueden perfilar correctamente mediante un perfil
de dureza (Figuras 35 y 40) y nunca con ataque químico
(Figuras 267 a 283) y el estudio metalográfico que no pueden
definir los limites con exactitud. El ataque químico solamente
pone de manifiesto ciertas zonas sensibilizadas químicamente
durante el ciclo térmico de soldeo.
Por lo tanto, para delimitar la extensión de las diferentes
zonas mecánicas es imprescindible un perfil de dureza.
solamente ante este perfil se pueden caracterizar y definir las
diferentes propiedades mecánicas asociadas a las
microestructuras resultantes.
Tampoco el estudio metalográfico puede trazar limites muy
definidos, puesto que la transición de unas zonas a otras es
imperceptible desde el punto de vista microestructural.
La ZAC es extremadamente compleja en estas aleaciones.
Existe una pérdida de propiedades mecánicas’ resistentes en la
424
zona contigua al bailo fundido, seguida de una meseta
más o menos extensa (Figuras 35 a 40> dependiendo del
tipo de aleación, hasta enlazar con las características
mecánicas del MB.
Anterior a esta caída de características en las
proximidades del MB hay una recuperación importante,
dependiendola extensión de la naturaleza de la aleación. Esta
diferencia es bien notoria si analizamos el perfil de durezas
de las aleaciones 7015 TíZ y 2014 T6, siendo más notable para
el caso de la citada en primer lugar.
La diferencia importante entre ambasaleaciones, en cuanto
al perfil mecánico de la ZAC, es debida a la situación de las
lineas de solvus para las zonas Guinier—Preston, que permite a
la aleación 7015 T73 la posibilidad de autotemple en algunos
tramos de su ZAC. en loe que el ciclo térmico de soldadura
posibilita esta reacción. Esto se ha podido demostrar de manera
absoluta con el estudio de la aleación 7015 F, no tratada
térmicamente, en la que queda de manifiesto una ganancia de
características en la ZAC.
Hemos podido comprobar mediante el ensayo de tracción la
relación directa entre el perfil de durezas y las
características plásticas y resistentes.
Tanto con la toma de datos clásica, como mediante
el método optoelectrónico, hemos podido correlacionar
425
cualitativasiente la pérdida o ganancia de características
tanto en el BF, como en la ZAD.
Queda patente que las zonas que presentan mayor dureza se
corresponden con las más resistentes, y por tanto, con las que
presentan menor alargamiento, o sea, menor plasticidad.
La fractura final se deberla producir, cono normalmente
ocurre, en las zonas en las que el alargamiento es mayor, para
la misma distribución de tensiones en la probeta utilizada en
el ensayo de tracción. Cuando no ocurre, este hecho viene
marcado por algunas singularidades microestructurales. Así, en
el caso de la 2014 TG exista la posibilidad de segregacionesen
el limite del EF, lo que acarrea una gran fragilidad. También
la porosidad y la presencia de impurezas aparecidas durante el
ciclo térmico en el Br puede ser causa de fracturas no
esperadas.De esta manera, a pesar de que en un gran porcentaje
da ensayos en la aleación 2014 TO el comportamiento mecánico
fue el esperado durante todo el ensayo de tracción, el fallo
zúcánico se produjo en el limite del EF.
Hay una relación directa entre la microestn¡ctura de cada
zona y las propiedades mecánicas que se derivan. En el EF se
produce un ablandamiento debido a la fusión, la cual produce
durante la solidificación una estructura de colada
celular—dendritica formadapor estructuras de equilibrio. En el
caso da la 2014 T6 la matriz es de aluminio con Al,Cu en
colonias de partículas de gran tamaño situadas en los espacios
426
inter—dendriticos (Figs. 269 a 272>. Esta distribución confiere
unas características mecánicaspoco interesantes, plisticas, y
a la vez de fragilidad por la situación, abundanciay tamaño de
los cristales de Al2Cu.
En la aleación 7015 T73 la situación es la misma descrita
para la 2014 T6, pero la fase precipitada en la matriz de
aluminio es el Zn,Mg <Figura 275).
El limite del BF con la ZAC es un lugar de transición
importante donde se localizan impurezas y defectos arrastrados
allí durante la fusión <Figuras ~76 y 277). Por lo que no es
extraño que sea el lugar privilegiado para la fractura.
La ZAC es una zona donde se pueden encontrar, en ambas
aleaciones, todas las microestructuras posibles derivadas de
tratamientos térmicos en estado sólido de estas aleaciones.
Dependiendo de la distancia del BF, el ciclo térmico sufrido es
diferente; lo que unido a la situación de las lineas de
“solvus” para las zonas de Guinier—Preston en las dos
aleaciones hace que aparezcantoda una variedad de estructuras
(Figuras 276 a 281> (siempre teniendo en cuenta el perfil del
ciclo térmico de soldeo> • lo que hace a esta zona muy
compleja desde el punto de vista microestructural y
mecánico. El seguimiento del perfil de durezas se hace
necesario para la . interpretación de las diferentes
microestructuras de la nc.
427
Que estamos tratando con un sistema sensible e
interrelacionado entre propiedadesmecánicasy microestructuras
queda patente cuando se somete la unión soldada al ensayo de
tracción. Todas las zonas, en las aleaciones estudiadas,
muestran un endurecimiento cuando se las somete al ensayo de
tracción (Figuras 25 a 40>, lo cual confirma la relación entre
la acritud obtenida por deformación plástica en frío y otros
mecanismos de endurecimiento por tratamiento térmico, como
queda reflejado en la biblioqraf la <Anexo Y>.
según la resistencia mecánica, el alargamiento de las
diferentes zonas es mayor o menor, como se preve con el perfil
de durezas. Esto simplifica mucho de cara a un test mecánico
rápido de la unión soldada. Con el perfil de durezas se tiene
una información rápidamente traspasable a otras variables
mecánicas más interesantes.
La utilización del ensayo charpy nos ha reportado
información complementaria interesante para prever el
comportamiento mecánico de las soldaduras estudiadas. Hay que
dejar claro que el ensayo Charpy puede aportar información
extrapolable a otras condiciones, pero con difícil
interpretación. La información sólo es verdaderamenteválida
para condiciones de servicio como las que define la norma
correspondiente para este ensayo. Sin embargo, está muy
generalizado extrapolar esta información a otras condiciones de
ensayo, incluso cuando no existe el impacto. En esta
investigación, siguiendo el mismo camino, se ha obtenido
42B
información que ha quedado contrastada con otros ensayos y, por
tanto creemos que tiene condiciones suficientes de
verosimilitud. Así, hemoscomprobadoque la fractura se produce
con mayor o menor absorción de energía dependiendode la zona
y de lo que se ha previsto con la dureza local y los
alargamientos locales. La energía es mayor para zonas Con mayor
alargamiento local y por tanto con menor dureza según el perfil
correspondiente.
¿ Se puede prever, por tanto, mediante este ensayo, el
comportamiento mecánico frente a la fractura de estas uniones
soldadas 7. Es mucho prever según nuestro criterio. Puede ser
valido este hecho para condiciones muy particulares como las
que se dan en este ensayo. Sin ser muy exigente, también se
puede anticipar la energía necesaria para hacer propagar una
grieta en cada una de las zonas y. por tanto, extrapolar que
cada zona tiene un comportamiento más dtlctil frente a un
impacto. Es francamentedifícil valorar los resultados de este
ensayo, más si sg trata de aplicarlo a materiales discontinuos
estructurales y todavía más arriesgado extrapolar los
resultados a una soldadura sometida a tensiones de tracción
uniaxiales. Sin embargo, con todas las reservas, nos tomamos la
licencia de hacerlo, máxime cuando son resultados
complementarios de otros ensayos realizados en condiciones más
claras, pudiéndoseprever cual es el comportamiento a fractura
de las distintas zonas de la unión.
629
A tenor de los resultados del ensayo Charpy, se puede
concluir un comportamiento más frágil para el DF que
para la nc <Fig. 265 y 266> debido, sobre todo a la
aparición de precipitados de gran volumen en los
espacios intercelular—dendriticos. Por otra parte, se
requiere una mayor energía para provocar la rotura en la ZAC,
siendo menor la cantidad cuando se favorece la decohesiónde la
ZAC con el DF (Probeta C, Figura 256).
En el caso del péndulo de Le Aolland Sorin, aunque las
condiciones mecánicas están mejor establecidas, tampoco la
información es fácilmente extrapolable. El ensayo de Le Rolland
Sorin solo obtiene como dato el módulo de elasticidad,
basándose en el periodo de oscilación del péndulo de
referencia. La energía del péndulo motriz se transmite al
péndulo receptor a través de la probeta. Es un hecho que este
ensayo exige una excelente continuidad e isotropía del
material, así como una geometría muy ajustada con una mínima
tolerancia. En nuestro caso la continuidad e isotropía no
existen puesto que se trata de materiales discontinuos
estructurales. Sin embargo, hemos querido comprobar la
información que se puede obtener por otros métodos. Esta
información, como en el caso del Charpy, está contrastada con
otros ensayos más ajustados a nuestras condiciones mecánicas.
El módulo de elasticidad nos proporciona información sobre
la rigidez del material. Nosotros nos hemos basado en que la
transmisión de la energía de los péndulos se haría a través del
430
material menos rígido, quedando inmutable el de mayor módulo de
elasticidad. Se trata, por tanto, de aplicar las mordazas de
forma tal que dejen libres las ZOnas locales a examinar. Los
resultados coinciden con los obtenidos por otros procedimientos
(Figs. 263 y 264>. Esto trae como consecuencia que un ensayo
tan sencillo puede aportar información sobre algo tan complejo
como una soldadura.
La información obtenida, aunque complementaria en nuestra
investigación, no es desdeñable, puesto que del módulo de
elasticidad se puede sacar información mecánica muy valiosa
para la construcción.
Los resultados obtenidos mediante la aplicación del método
optoelectrónico al registro del ensayo de tracción han sido
corroborados por los demás ensayos realizados en esta
investigación. El sistema ha demostrado ser fiable y de una
gran versatilidad en el seguimiento del comportamientomecánico
local zonal de una unión soldada sometida a tracción uniaxial.
El disponer de un herramienta como ésta permite caracterizar
mecánicamente las distintas zonas dentro de una soldadura,
particularmente cada zona dentro de la ZAC.
Una gran ventaja lo constituye el hecho de poder registrar
simultáneamente lo que ocurre localmente en todas las zonas de
la unión soldada en un solo ensayo. La sencillez del método,
tanto por si, como por la preparación de las probetas, unid, a
la posibilidad de emplear cualquier máquina de tracción junto
4131
con sus accesorios. lo convierte en ideal, sobretodo cuando se
requiere realizar un gran número de ensayos. complicados
montajes, por ejemplo con extensómetros. quedan totalmente
desbancadospor la sencillez y posibilidades de este sistema.
Materiales discontinuos estructuralmente y tan
heterogéneos, en cuanto a propiedades mecánicas como las
uniones soldadas, pueden ser facilmente caracterizadosgracias,
también, al programa informático que complementa al equipo de
recogida de datos. Dicho programa permite analizar, incluso
aisladamente, zonasdiferentes de la probeta y partes distintas
del ensayo de tracción, prestando atención solamente, por
ejemplo, al campo elástico. Pueden calcularse y relacionarse
entre si las principales propiedades mecánicas de cualquier
material.
432
VII. - CONCLUSIONES
VII. - coNCLUSIONES
1.— Los perfiles de dureza son los que establecen las
diferentes zonas mecánicas existentes en la soldadura
de las aleaciones de forja tratables térmicamente.
Estas zonas no coinciden exactamente con las que se
definen mediante ataque metalográfico.
2.— La Zona Afectada por el Calor en estas aleaciones es
muy compleja, desde el punto de vista mecánico,
observándose tres zonas bien diferenciadas y que
enumeradas en sentido del Baño Fundido al Material
Base son:
A.— Zona de ganancia de características mecánicas
resistentes, frente al HP, por autotemple.
B. - Zona de pérdida de características mecánicas
resistentes por fuerte sobreenvejecimiento.
C.— Zona de ganancia paulatina de características
mecánicas resistentes.
3.— Dentro de la ZAC, la zona de ganancia de
características macánicas, contigua al BF, puede ser
más o menos extensa, con forma de meseta en la
serie 7xxx. Su extensión depende de la capacidad de
autotemple relacionada con la situación de las lineas
de “solvus” para las zonas de Guinier—Preston y de la
434
conductibilidad térmica para las mismas condiciones de
codeo.
4.— La zona de la ZAC que presenta una intensa pérdida de
propiedades mecánicas se explica por un fuerte
sobreenvejecimiento debido a la alta temperatura
sufrida y al tiempo de permanenciaen ella. Es la zona
con peores características mecánicas resistentes.
5.— De los resultados obtenidos para los alargamientos
zonales locales se deduce que el comportamiento
plástico máximo se obtiene siempre para la ZAC, con un
fuerte grado de sobreenvejecimiento, que coincide con
la zona de peores características mecánicas
resistentes, mientras que el mínimo se corresponde con
los límites del EF.
6.- Del estudio zonal local realizado sobre la
distribución de propiedades mecánicas resistentes y
plásticas se deduce que la zona más sensible a la
fractura es el EF y. con una alta frecuencia, ‘el
limite entre éste y la ZAC. La zona de fuerte
sobraenvejecimiento de la ZAC es la que sigue en la
probabilidad de una posible fractura.
7.— Es un hecho comprobado que durante el ensayo de
tracción se produce un endurecimiento o ganancia de
características resistentes por detonación plástica
435
en frío, sin pérdida importante de propiedades
plásticas, proporcionalmente semejante en todas las
zonas de las aleaciones soldadas. Esto prueba que este
endurecimiento es ajeno a la existencia previa de un
tratamiento térmico y se identifica, unicamente, con
la aptitud característica de la matriz de aluminio
ante este hecho.
8.— Las selección de las aleaciones estudiadas en la
presente investigación ha resultado un acierto, ya que
han mostrado ser claros representantes de los dos
tipos de comportamientomecánicoextremosdel segmento
constituido por las aleaciones de aluminio de forja
tratables térmicamente. Por lo tanto, han resultado
útiles para definir un modelo cualitativo de
comportamiento mecánico.
9.— El método optoelectrónico desarrollado por el WT ha
resultado idóneo para la toma de datos y análisis del
comportamientomecánicode una soldadura sometidaa un
ensayo de tracción. Se ha podido registrar y analizar,
simultáneamente, lo que ocurre localmente en todas las
zonas de la unión soldada, tanto las propiedades
mecánicas resistentes cono las plásticas, en un solo
ensayo.
lo. - Los ensayos realizados con el péndulo Charpy y el
péndulo Le flolland—sorin han servido para corroborar
436
el comportamiento mecánico zonal relativo estudiado
mediante el método optoelectrónico. Con ambosse han
conseguido modelos mecánicos sencillos ajustados a lo
obtenido en tracción.
11.— El estudio metalográfico de la unión soldada ha
confirmado la relación entre microestructura y
propiedades mecánicas, confinando que el Br
constituye un punto de alta probabilidad para
que se produzca la fractura, dada su estructura
de colada celular—dendritica, especialmente en
.1 limite con la ZAC.
12.— Se ha adaptado el método optoelectrónico del rcr a
materiales discontinuos estructurales como son las
uniones soldadas de aluminio de forja tratables
térmicamente.
13.— El método optoelectrónico permite la obtención de
datos, tanto de deformación longitudinal como
transversal, en una sOla operación. Es posible,
además, el seguimiento de la distribución de Las
deformaciones durante el ensayo, y posteriormente
visualizarías en un ordenador.
14.— 21 método optoelectrónico ha probado su eficacia y
ventajas frente a otros sistemas, en la toma de datos
zonales locales en un ensayo de tracción. El montaje
437
experimental resulta sencillo y rápido, se puede
adaptar a cualquier máquina de tracción convencional
y se pueden emplear cualesquiera tipos de probetas y
normas.
15.— El empleo de extensómetros y otros sistemas presupone
una distribución constante de las deformaciones, lo
Cual no resulta totalmente correcto en materiales
discontinuos, y mucho menos una vez sobrepasado el
campo elástico. Por esta razón, los valores de
alargamiento obtenidos por el método optoelectrónico
resultan más fiables que los obtenidos por otros
sistemas de registro, sobre todo teniendo en cuenta
la gran discontinuidad estructural que supone una
unión soldada.
438
vIII.— ANEXO 1
fu.— nimio x
El requisito básico para que una aleación sea endurecible
por envejecimiento es que la solubilidad de uno o más de los
elementos aleantes disminuya al descender la temperatura. El
tratamiento térmico consta, normalmente, de tres fases ».
La primera consiste en un tratamiento de solubilización a
temperatura relativamente alta dentro de la región monofásica
<zona A en la figura 284) con el fin de disolver los elementos
aleantes. A continuación, un enfriamiento rápido o temple,
normalmente a temperatura ambiente, para obtener una disolución
sólida sobresaturada de estos elementos en el aluminio. Y por
último, la descomposición controlada de la disolución solide
sobresaturadapara formar un precipitado finamente disperso,
que, normalmente, es envejecido durante períodos de tiempo
convenientes a una o a veces a dos temperaturas intermedias.
La descomposición completa de una disolución sólida
sobresaturada es un proceso complejo que puede constar
normalmente de diversos pasos. Además de la fase de equilibrio,
se forman, normalmente, zonas de Cuinier—preston (GP> y un
precipitado intermedio.
Las zonas de Guinier—Preston son acumulaciones atómicas,
ricas en soluto, ordenadas y con espesores que pueden llegar a
uno o dos planos atónicos. Estas zonas conservan la
440
estructura de la matriz y son coherentes con ella, aún cuando
pueden provocar deformaciones elásticas apreciables (FAq. 283).
Su formación requiere un movimiento atómico a través de
distancias relativamente cortas; es por esto que se encuentran
finamente dispersas, alcanzando densidades que pueden llegar de
l0’~ a 10” cm~’. Según la aleación de que se trate, la velocidad
y estructura resultante dependen, en gran medida, de la
presencia de un exceso de vacantes, que también resultan
“congeladas” por el temple.
6001
Ue 400’
eeaEe
— 200’
oo 2 4
Co~per (weight %>
FIgura 294.— Sección d.1 tutdctico del Diagrasa de Fases del Al—O.
Mostrando la Posición de la tinca de ‘Sol,nzs’. (Polmear Ji>,
441
Figura 285.— Representación de la Distorsión de .1* £structurs de Za Matriz
en Las Cercanía 4• una Zona de Guinier—Preston. (Palmear~».
El precipitado intermedio, que, por lo regular, es mucho
mayor que una zona de Guinier—Preston y sólo parcialmente
coherente con los planos cristalinos de la matriz, tiene una
composición definida y una estructura que puede diferir muy
ligeramente de la del precipitado de equilibrio. En algunas
aleaciones, los precipitados intermedios pueden nuclearse a
partir de, o en las zonas de Cuinier—Preston. En otras, estas
fases nuclean heterogéneamente en defectos cristalinos, tales
cono dislocaciones. La precipitación de la fase final de
equilibrio supone la pérdida total de coherencia con la red
cristalina matriz. Se produce Únicamente a temperaturas de
Mairás planes
442
envejecimiento relativamente altas y, puesto que la dispersión
es grosera, el endurecimiento resultante es escaso.
El máximo endurecimiento por envejecimiento se da en una
aleación cuando existe una dispersión crítica de zonas de
Guinier—Preston o de precipitados intermedios, o de ambos.
1X.1.- LÍNEA fi •sotvur PARA LAS ZONAS GUINUR-PREStrON.
Un concepto importante es el de la línea de “solvus” para
las- zonas de Guinier-Preston, que puede ser representado como
una línea metaestableen el diagrama de equilibrio (Fig. 284).
Dicha línea seflala el limite superior de temperatura de cara a
la estabilidad de las zonas GP para distintas composiciones,
aunque su localización precisa en el diagrama puede variar
ligeramente con la concentración de vacantes en exceso, tas
lineas de “solvus” pueden ser también determinadas para otros
precipitados metaestables. La distribución de tamaflos para las
zonas GP varia con el tiempo de envejecimiento (flg. 286>.
Existe una fuerte base experimental para el modelo propuesto
por Lorimer y Hicholson según el cual, las zonas GP formadas
por debajo de la temperatura correspondiente a la línea de
“solvus” pueden actuar como núcleos para el siguiente
paso del proceso de envejecimiento, normalmente el
precipitado intermedio, siempre que hallan superado un
tamafio critico (d., en la Fig. 286>. Sobre la base de
443
este modelo, las aleaciones de aluminio se han clasificado en
tres tipos.
N(d>
flg. 266.— Representación de Za Variación de l~ Distribución de Tama.~os de
las Zonas de Guinier—Pr.ston con el Tiempo d. Envejecteiento. (Palmear1>).
i>.— Aleaciones para las que, tanto la
temperatura del baño de tenple cono la temperatura de
envejecimiento están por encima de la línea de “solvus”
para las zonas GP. Estas aleaciones muestran un
endurecimiento nuy escaso por envejecimiento dada la
dificultad para la nucleación de un precipitado
finamente disperso. Un ejemplo es el sistema Al—Mg en
el que el temple produce un nivel de sobresaturación muy
alto, pero en el que no se produce endurecimiento
para contenidos de Magnesio por debajo del 5-6%.
d
444
u> . — Aleaciones para las que las dos
temperaturas están por debajo de la línea de “solvus”, por
ejemplo las aleaciones Al-Mg—si.
iii>.— Aleaciones para las que la línea de
“solvus” queda entre las dos temperaturas. Esta es la
situación más normal en las aleaciones endurecibles por
envejecimiento. Se puede mejorar el proceso provocando la
nucleación de precipitados intermedios a partir de las
zonas GP ya existentes con tamaños por encima de d..; esto
se consigue con tratamientos de envejecimiento en dos
pasos o “duplex”, que se aplican, actualmente, a ciertas
aleaciones para mejorar sus propiedades. Esto es
particularmente importante de cara a la resistencia a la
tenso—corrosión de aleaciones de aluminio de alta
resistencia.
IX. 2.- ZONAS LIBRES DE PRECIPITADO EN LIMITE DE GRANO.
En todas las aleaciones en las que se produce
precipitación se dan zonas adyacentes al limite de grano
mermadasen su contenido de precipitado. Estas zonas libres de
precipitado (ZLP> se forman por des razones: Primera, existe
una estrecha banda (aproximadamente 50 ni»> a ambos lados del
limite de grano que esta menada en su contenido de soluto
debido a la rápida difusión de átomos de soluto hacia el
limite, donde partículas relativamente grandes de precipitado
445
se estan formando. La zona exterior de las zonas libres de
precipitado aparece c&mo resultado de la disminución en el
número de vacantes hasta niveles por debajo de los requeridos
para colaborar en la nucleación de precipitados a esa
temperatura de envejecimiento. Se ha propuesto que la
distribución de vacantes cerca del limite de grano puede tomar
la forma mostrada esquemáticamenteen la figura 287 (curva A>
y que es necesaria una concentración crítica C1 para que la
nucleación del precipitado pueda ocurrir a la temperatura T1.
La anchura de la ZLP puede ser modificada por las condiciones
del tratamiento térmico.
cosucoucou
octuu‘u
W1 and W2 W¡d:hs of prec.p¿tate-free zones forvacancy concentratuons C~ and C2
— — —B
A
Grain boundary Dístance lrom graun boundary
Figura 287.— Representación de los Perfile, de Ja Concentración de Vacantes
Adyacentes si Limite da Grano en les Aleaciones Tespladas.
W, y 1’> son los Espesores de las ZLP Correspondientes a las
Concentraciones de Vacantes C, y 4. <poj.ear”).
446
Las zonas son más finas cuanto más altas son las
temperaturas de solubilización y más rápidas las
velocidades de enfriamiento, es decir, cuanto mayor es el
contenido de vacantes en exceso (curva B en la figura 287>. Las
ZLP son también más finas cuanto menor es la temperatura de
envejecimiento; esto se atribuye a la presencia de una
concentración mayor de soluto, lo que se traduce en que los
nucleos más pequeños se hacen más estables, reduciendose, por
tanto, la concentración crítica de vacantes requerida para que
se produzca la nucleación (O, en la Pigura 287). Sin embargo,
la parte mermada de vacantes en una flP puede estar ausente en
algunas aleaciones envejecidas a temperaturas por debajo de la
línea de “solvus” de las zonas de Guinier—Preston, dado que
éstas pueden nuclearse homogéneamente sin necesidad de
vacantes.
IX. 3 . - MECANISMOSDE ERDURECIMIENTO.
Aunque los primeros intentos de justificar el
endurecimiento por envejecimiento estuvieron limitados por la
carencia de datos experimentales, se lograron postular dos
conceptos fundamentales. Uno fue que el endurecimiento, o el
aumento de la resistencia a la deformación experimentado por
una aleación era el resultado del impedimento para el
deslizamiento de planos cristalinos producido por la
precipitación de partículas. El otro fue que el máximo
endurecimiento estaba asociado a un tamaño critico de
447
precipitado. Los modernos conceptos de endurecimiento por
precipitación son básicamenteun resultado de la integración de
los antiguos con la teoría de las dislocaciones, dado que la
resistencia da una aleación endurecida por envejecimiento esta
controlada por la interacción de dislocaciones en movimiento
con los precipitados.
Los obstáculos al movimiento de las dislocaciones en estas
aleaciones son, por un lado, las deformaciones internas
alrededor de los precipitados, sobre todo de las zonas GP, y
por otro lado, los propios precipitados, con respecto a las
primeras, se puede demostrar que el máximo impedimento al
movimiento de dislocaciones, esto es el máximo endurecimiento,
se puede esperar cuando el espaciado entre partículas es igual
al radio de curvatura limite de las lineas de
dislocación en movizsiento, es decir, alrededor de SO
espaciados atónicos (lo ni») . En esas circunstancias, el
precipitado dominante en la mayoría de las aleaciones son las
zonas GP coherentes. La microscopia electrónica de transmisión
de alta resolución ha revelado que estas zonas son, de hecho,
deformadaspor las dislocaciones en movimiento. En definitiva,
cada zona GP tiene en si misma un pequeño efecto en el
impedimento al movimiento de dislocaciones; el gran incremento
en el limite elástico que estas zonas pueden originar se debe
a su enorme número por unidad de volumen.
La deformación de las zonas GP aumenta el númerode enlaces
soluto—solvente en los planos de deslizamiento, tal y como se
448
refleja en la figura 288, de modo que el proceso de acumulación
atómica tiende a invertirse. Para que este proceso ocurra, las
tensiones actuantes deben ser mayores. La magnitud de dichas
tensiones está controlada por factores tales como los tamaños
relativos do los átomos involucrados o la diferencia de
energías por falta de apilamiento entre la matriz y el
precipitado. Este endurecimiento, denominado “químico”,
contribuye al proceso general de aumento de resistencia de la
aleación.
ligur. 299.— Representación del corte de una Partícula Fina, por ejemplo
una Zona OF, mediante el Movimiento de une Oislocación. <Polmear 1»
tina vez que las zonas GP son “cortadas”, las dislocaciones
continuan atravesando partículas en los planos activos de
deslizamiento y el endurecimiento por trabajado ‘es
comparativamente pequeño. La deformación tiende a localizarme
449
sobre unos pocos planos de deslizamiento de modo que aparecen
algunas bandas intensas que permiten a las dislocaciones
apilarse sobre los limites de grano, como se muestra
esquemáticamente en la figura 289. Esta microatructura puede
empeorar algunas propiedades como son la resistencia a la
fatiga y a la tenso—corrosión.
1—
Figura 289.— Oe!ormacidn de los PrecipitadosFinos Paralela a los
Planos de Deslizamiento y Apilamiento de Oislocaciones
sobre los Limites de Grano. (Polmear JJJ•
Sin embargo, si las partículas de precipitado son grandes
y estan muy espaciadas, pueden ser fácilmente sobrepasadas por
las dislocaciones en movimiento, las cuales se arquean entre
ellas y se recomponen mediante un mecanismo propuesto por
Orovan (Hg. 290>. Esto da lugar a que anillos de dislocaciones
queden así rodeando a las partículas. El limite elástico
450
resultante es bajo, pero el nivel de endurecimiento por
trabajado es alto y la deformación plástica tiende a extenderse
más uniformemente a través de los granos. Esto es lo que ocurre
con las aleaciones sobreenvejecidas; el cambio en la
típica curva de endurecimiento por envejecimiento en la
que la resistencia aumenta con el tiempo de
envejecimiento y luego disminuye ha sido asociado con
una transición deformación—sobrepaso en la interacción
dislocaciones—precipitados, como se muestra en la figura 291.
—
Figura 290.— Representación del Paso de Dislocacióne, a través del
Espaciado entre Partículas. (Palmear “1.
La formación de precipitados intermedios se ve acompañada
del desarrollo de ZLP más anchas y adyacentes al limite de
grano. Estas zonas son, relativamente, más blandas que la
451
matriz endurecida por envejecimiento y se deforman debido a la
alta concentración de tensiones en los puntos triples de los
limites de grano (Hg. 292>, por lo cual pueden ser causade la
aparición de grietas.
r
Pa,t¡clescta bydistocations
Partidas not colby d¡stocaíions
Ageing time
ng. 291.— Representaciónde la Variación del Límite Elástico con el Tiempo
de Znvejeci.iento para una Típica Aleación Endurecible. r e’ la Tensión
de Deformación Necesaria para Forzar las Dislocaciones entre lis Partículas
de Precipitado. (Palmear »J.
La situación más interesante surge cuando los precipitados
presentes pueden resistir el efecto deformante de las
dislocaciones conservando un espaciado tan pequeño como para
o
e
452
impedir ser sobrepasadaspor ellas. Si éste es el caso, el
movimiento de las lineas de dislocaciones solo seria posible si
secciones pudieran pasar por encima o por debajo de cada
partícula por un proceso como el de “deslizamiento cruzado”. En
este caso, son de esperar altos niveles de endurecimiento por
precipitación. Lo normal os que los precipitados esten
demasiado separados como para conseguir esa situación ideal;
pero, recientes trabajos con tratamientos de envejecimiento
duplex, por debajo y por encima de la línea de “solvus”, han
permitido lograr la dispersión de ciertos precipitados
intermedios en algunas aleaciones comerciales que deben ser
refinados para conseguir una mejora en las propiedades
mecánicas.
Fi gura 292.— Concentración de Tensiones en los Puntos Triples de los Limites
de Grano Debido a la Presencia de Zonas Libres de Precipitado. (Palmear t(>•
453
Una segundaposibilidad es formar unas dispersiones duplex
de precipitados, que constan de pequeñaspartículas, muy juntas
entre si, que provocan un incremento en el limite elástico,
además de otras partículas más grandes, que provocarán mayores
grados de endurecimiento por trabajado y una distribución más
homogénea de la deformación plástica.
como ya hemosmencionado antes, son varias las aleaciones
de aluminio que responden favorablemente a tratamientos de
endurecimiento por envejecimiento. La elección de elementos
aleantes y de tratamientos térmicos adecuados permite aumentos
en el limite elástico del aluminio de alta pureza de hasta 40
veces.
454
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Fraunhofer—Gesellschaft sur flrderiang der Anqewandten
Forschung, Motijod and Apparatus !or Invostigationt a
Samplo tznder Tonsion, Unitod Statos Patent 4,719.147,
United States, 1985.
(162).— Martínez, J.A., Eisenreich, N., ?abry, K., ¡<ugler,
H.P., Criado, A.J., Hierro, P., Otero, E.,
Ortsaufgeldste Untersuchung der Verformunq von
Lichtboqenverschweissten Al—5Cu—Leqierunqen iii
Zugbereich. Environmental Testing In the 90’s,
ZOth International Annual Conterenco of lOT,
76—1/76—lo, Juní, 1989.
479
(1633 .— Martínez, J.A., Criado MJ., ~tsenreich, IL,
¡Cugler, H.P., Romero, M.A. • Otero, ~h, Alonso, ¡4.,
Martínez, T., Study of the Local Behaviour of a Welded
Joint in an Al—Zn—MqAlloy in a Tensile Test by the
Optoelectronic Method, Ccntbustion and Reaction
Kinetics, 22th International Annual Conferonce O!
XCI’, 1l5—1/115—13, Juli, 1991.
450
RESUMEN
La aplicación de un nuevo sistema para la adquisición de
datos en el ensayo de tracción permite registrar
simultáneamentela detonación longitudinal y transversal en un
sólo ensayo.
Esta es la primera vez que el método optoeleetrónico se
aplica al ensayo de tracción uniaxial de probetas de aleaciones
de aluminio de forja tratables térmicamente soldadas mediante
TIG. El método optoelectrónico permite seguir el comportamiento
mecánico de las distintas zonas de la unión soldada. El
programa informático, complemento del sistema, analiza los
datos y rolaciona entre si las distintas variables mecánicas do
interés para cada una de las zonas, baño fundido, zona afectada
por el calor y material base.
Los datos e información obtenida son contrastados y
comprobados mnedianta otros ensayos convencionales como son:
tracción, dureza, péndulo Oharpy y péndulo da Le Rolland Sorin,
con el objeto de estudiar la viabilidad y fiabilidad del
método.
El método optoelectrónico se aplica al estudio de dos
aleaciones, representativas de la familia de aleaciones de
aluminio de forja tratables térmicamente, soldadas mediante
TIG. Las aleaciones estudiadas son la 2014 TE y la 7015 T73.
482
También se estudia el comportamiento de la 7015 F, en la cual
el ciclo térmico de soldeo provoca típicas microestructuras
resultantes de tratamientos térmicos.
Se establece un modelo cualitativo de comportamiento
mecánico de estas aleaciones soldadas, prestando especial
atención a las diferentes zonas de la unión soldada.
483
MIZBA~2
Tho application of a new system for the data acquisition
in an uniaxial tensile test allows tha simultaneous
registration of the longitudinal and transversal deformation in
an unique essay.
Phis is the first time in which the optoelectronic method
is applied to the uniaxial tensile test in samples of forging
heat treatable aluminiux. alloys velded by TIC. The
optoelectronic method allows to follow the mechanical behaviour
of the different zones in the welded joint. The computer’s
proqram of the system analyses the data and makes the
relationship between the diverse nechanical variables of
interest for each of the zones, melting zone, heat affected
zone and base material.
The obtained information is contrasted and checked by other
conventional tests such as tensile, hardness, Charpy and Le
Rolland Sorin, iii order to study the method viability ana
reliability.
The optoelectronic method is applied to time study of two
representative alloys of dic forging heat treatable aluxsinium
alloys grupe, welded by TIC. These alloys are time 2014 T6 and
7015 T23.
484
rime behaviour of time 7015 E’ alloy iB also studied, where
time thermal weldinq cycle provokes time typical microstructures
resulting from time heat treatments.
A qualitative model of mechanical behaviour for timese
velded alloys is proposed giving special attention to time
different zones in time welded joint.
485
UUBILIU
Dic Anwendung emes neuen Dataibeschaffungsystems in einem
cinacheigea Spannungtest erlaubt di. gleicbzeitige Aufzeichnung
von fAngo— und Querdehnung in nur cines Versuch.
Das ist das erste Mal, das dic optoelektronische Metimode
beis einachsigen Spannungstest mit Proben aus hitzebestándigen
Schmiedealuminiumnleglerungen, dio nach TIG geschweiftt vurden,
anqewandt vurden. Dic optoalektronische Methode erlaubt día
Verfolgung des mechaniochen Varhaltens in der verochiedene
Zonen der Schweifiverbindung. Das Conputer—Programm des Systems
analysiart dic Dateien und stellt cine Verbindung zwischan den
mechanischen Veránderungen, dic fiAr dic jeweilingen Zonen
intarcssant sind, wie Schmelzzone, Wármeeinfluftzone und
Ausqangsmaterialen, her.
Dic erhaltenen Ergebnisse vurden mit denen anderen
traditionellen Metimoden vie Spannung—, Hárte— • Charpy und Le
Rolland Sorin Tests verglichen und untersucht, us dio
OurchfUhrbarkeit und Zuverlássiqkait dar Methode zu bestinmen.
Dic optoelektronische Matimode vurde bei Untersuchung zweier
reprásentativer Legierungen der Grupe dar vármebehandelbaren
Schmiodealuminiumlegierungen, dic nadi TIC geschweist vurden,
angewandt. Diese Leqierungen sind 2014 TE ucd 7015 T73.
486
Das Verbalten dar Legierungen 7015 ? vurde zusfltzlich
untersucht. wobei das thermischa Schvei&spiel día von dar
Wármebehandlung resultieranden typischen Mikrostructuren
hervorruf en.
Em qualitatives Modelí mechanischenVerhaltens fiAr diese
Guftlegierungeng das besonders auf verochiedenen Zonen dar
SchweiBverbindung aufmerksamsadat.
487
flux’
L’application d’un nouveau syst&me d’acquisition des
donnéce expérimentales at cours de l’essai de traction permet
denreqistrer sinultanément la déformation longitudinale et
transversale en un seul essai.
Pour la premiére fois que la metimode optoélectronique
s’applique A un essai de traction uniaxiale des echantillons
d’alliages d’aluminium de forga traitables thermiquement soudés
par TIG. La metimode optoélectronique perinet de poursuivre le
comportement nécanique des différentes zones da la jonction
soudée. Le progranme informatique, complément au systéme,
analyse les donnéca et relie entre les différentes variables
mécaniques intéressantes pour chaque zone, bain fondu, la zone
affectée therniquenent et le matériaux de base.
Les données et l’information obtanue sont controlées et
prouvées & l’aide d’autras essais convantionnels tals que : la
traction, la dureté, le pendule Charpy et le pendule de Le
Rolland Sorin, dans le but d’étudier la fiabilité et viabilité
de la methode.
La metimode optoélectronique s’applique & l’étude des
alliaqes représentatives de la famille d’alliages d’aluminium
de forge traitables thermiquement, soudés par TIC. Les alliages
étudiés sont le 2014 T6 et le 7013 T73.
488
Aussi neus avona ¿tudié le comportement dii 7015 F dans
laquel le cyclo tbormigue du soudaqe provoque des typiques
microstuctures resultantes dii traitement thermique.
On a établi une methode qualitative du comportement
mécanique de ces alliaqes saudés qui présentent une spéciale
attention aux différentes zones de la jonotion soudée.
489
L’applicaziona di un nuovo sistema par l’acquisto di datí
in una prova di trazione permette di registrare sirnultaneamente
la deformazione longitudinale e trasversale in un’ unica prova.
E’la prima volta che il metodo optoelettronico viene
applicato in una prova di trazione uniassiale di provette di
leqime d’ alluminio da fucina teruicamente trattabili e saldate
tramite TIC. 11 metodo optoelettronico permette di seguire 11
comportamento meccanico della diversa zona dell’ unione
saldata. 11 programna informatico, complemento del sistema,
analiaza i dati e crea una relazione tra le diversa variabili
naccaniche d’interesse per ciascuna della zone, bagno fuso,
zona affetta dal calore e materiale di base.
1 dati e le informazioni ottenute vengono controllati e
verificatí tramite altra prova convenzionali come: la trazione,
la durezia, u pandolo do Charpy e u pendolo di Le Rolland
Sorin, alío scopo di studiare la viabilitá e la fidatezza del
metodo.
rl metodo optoelettronico viene applicato par lo studio due
legime rappresentative della famiglia di legime d’alluminio da
fucina termicanente trattabili e saldate tramite TIC. Le legime
studiate sono la 2014 T6 e la 2015 T73.
490
