Tecnología de conformado en estado semisólido

AgradecimientosQuiero mostrar mi agradecimiento a todos los integrantes del Departament de Cincia dels Materials i Enginyeria Metal.lrgica de la Seccin de Vilanova i la Geltr, los cuales no han dudado en ayudarme y darme su apoyo a lo largo de este proyecto. Un agradecimiento especial a la directora de este proyecto la Dra. M. Teresa Baile Puig y al ponente Sergi Menargues por la cantidad de horas robas y atencin prestada. Agradecer a mis Padres por los estudios que me han dado, por apoyarme y por aconsejarme siempre que lo he necesitado. Y en ultimo lugar pero por ello no menos importante, agradecer a mi pareja Marta toda la implicacin mostrada en el proyecto, por borrar de mi diccionario la palabra agobio y por ayudarme a desconectar cuando lo necesitaba, gracies maca.

A Marta. Amigos y familia.

ndice

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ndice1. Objetivos y justificacin ....................................................................................................................................... 5 1.1. 1.2. 2. Objetivos ....................................................................................................................................................... 5 Justificacin .................................................................................................................................................. 5

Aleaciones de aluminio ......................................................................................................................................... 7 2.1. 2.2. 2.3. Propiedades del aluminio .............................................................................................................................. 7 Produccin del aluminio ............................................................................................................................... 7 Composicin de aleaciones de aluminio de fundicin .................................................................................. 7

3.

Tecnologa del conformado en estado semislido ................................................................................................ 9 3.1. 3.2. Antecedentes ................................................................................................................................................. 9 Aspectos tericos ........................................................................................................................................ 10 Propiedades tixotrpicas ..................................................................................................................... 10 Reologa del estado semislido ........................................................................................................... 10

3.2.1. 3.2.2. 3.3.

Tecnologas para producir material sin dendritas ........................................................................................ 17 Agitacin mecnica ............................................................................................................................. 17 Agitacin electromecnica Magneto hydrodynamic stirring (MHD) .............................................. 18 Fundicin activada por deformacin Strain induced melt activated (SIMA) .................................. 18 Transformacin trmica a semislido Semi-solid thermal transformation (SSTT) ......................... 18 Formacin por atomizacin Sprayforming ...................................................................................... 19 Afinadores de grano ............................................................................................................................ 20

3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5. 3.3.6. 3.4.

Tecnologas para la produccin de componentes semislidos .................................................................... 20 Procesos que parten de un slido ........................................................................................................ 20 Procesos que parten de un lquido ....................................................................................................... 23

3.4.1. 3.4.2. 4.

Tratamientos trmicos ......................................................................................................................................... 29 4.1. Tratamientos trmicos T6 y T5 ................................................................................................................... 30

5.

Propiedades mecnicas de metales...................................................................................................................... 35 5.1. 5.2. 5.3. Deformacin elstica y plstica................................................................................................................... 35 Ensayo de traccin ...................................................................................................................................... 35 Valores de propiedades mecnicas obtenidos del ensayo de traccin y del diagrama tensin-deformacin convencional .............................................................................................................................................. 37

Pg.25.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 6. 7.

ndiceMdulo de elasticidad ......................................................................................................................... 37 Lmite elstico ..................................................................................................................................... 37 Resistencia a la traccin ...................................................................................................................... 38 Porcentaje de alargamiento ................................................................................................................. 39 Porcentaje de estriccin ....................................................................................................................... 39

Tensin ingenieril, deformacin convencional o ingenieril ........................................................................ 40 Tensin real, deformacin real .................................................................................................................... 41 Relacin entre las ecuaciones de tensin-deformacin ingenieril y real ..................................................... 41 Efecto de los lmites de grano sobre la resistencia de los metales............................................................... 42

Modelizacin del comportamiento plstico ........................................................................................................ 45 Procedimiento experimental................................................................................................................................ 47 7.1. 7.2. Material utilizado para la obtencin o fabricacin del componente ............................................................ 47 Proceso de conformacin del componente .................................................................................................. 47 Parmetros del proceso........................................................................................................................ 48

7.2.1. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6.

Componente estudiado ................................................................................................................................ 48 Extraccin de muestras del componente ..................................................................................................... 49 Tratamientos trmicos ................................................................................................................................. 50 Preparacin de probetas de traccin ............................................................................................................ 50 Tronzadora .......................................................................................................................................... 51 Mecanizado ......................................................................................................................................... 51

7.6.1. 7.6.2. 7.7. 8.

Ensayo de traccin unaxial......................................................................................................................... 52

Resultados experimentales .................................................................................................................................. 53 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. Grficas experimentales del soporte de direccin de motocicleta en estado bruto de colada ..................... 56 Grficas experimentales del soporte de direccin de motocicleta con tratamiento trmico T5 .................. 74 Grficas experimentales del soporte de direccin de motocicleta con tratamiento trmico T6 .................. 92 Estudio comparativo de las grficas del soporte de direccin de motocicleta en estado bruto de colada . 110 Estudio comparativo de las grficas del soporte de direccin de motocicleta con tratamiento trmico T5 ............................................................................................................................................................. 113 Estudio comparativo de las grficas del soporte de direccin de motocicleta con tratamiento trmico T6 ............................................................................................................................................................. 116 Estudio comparativo de las grficas del soporte de direccin de motocicleta para los diferentes tratamientos trmicos ............................................................................................................................... 119

ndice8.8. 9.

Pg.3Discusin de resultados ............................................................................................................................. 123

Conclusiones ..................................................................................................................................................... 137

10. Perspectivas....................................................................................................................................................... 139 11. Impacto medio ambiental .................................................................................................................................. 141 12. Presupuesto ....................................................................................................................................................... 143 13. Bibliografa ....................................................................................................................................................... 145 13.1. 13.2. Referencias bibliogrficas ......................................................................................................................... 145 Bibliografa complementaria ..................................................................................................................... 147

14. ndice de tablas, figuras y ecuaciones ............................................................................................................... 149 14.1. 14.2. 14.3. Tablas ........................................................................................................................................................ 149 Figuras....................................................................................................................................................... 149 Ecuaciones ................................................................................................................................................ 159

Pg.4

ndice

Objetivos y justificacin

Pg.5

1. Objetivos y justificacin1.1.

Objetivos

Realizar tratamientos trmicos de envejecimiento a componentes de aluminio-silicio fabricados con el procedimiento industrial Sub Liquidus Casting, con objeto de estudiar el efecto que tienen dichos tratamientos sobre las propiedades mecnicas, determinada mediante ensayos de traccin. Profundizar en el estudio de la influencia de los parmetros velocidad y temperatura de ensayo en las propiedades mecnicas de estos materiales a traccin. Obtener los coeficientes de endurecimiento por deformacin n y de resistencia K, que nos permitirn conocer en profundidad el comportamiento plstico de estos materiales. La experimentacin ha de permitir obtener la influencia que ejercen los parmetros tratamiento trmico, temperatura y velocidad en el mdulo elstico, lmite elstico, resistencia a la traccin, alargamiento, coeficiente de endurecimiento n y coeficiente de resistencia K.

1.2.

Justificacin

Este trabajo ha contribuido a caracterizar las propiedades mecnicas y el comportamiento plstico, mediante ensayos a traccin, de un material ligero como la aleacin de aluminio A356 fabricado con el procedimiento industrial Sub Liquidus Casting para que el sector industrial tenga una abanico ms amplio de materiales ligeros con que trabajar, y as poder optimizar sus productos. Debido a la aplicacin de la normativa sobre emisiones contaminantes, el sector de la automocin est en constante bsqueda de nuevos materiales, ms ligeros, ms econmicos si es posible, y con buenas prestaciones mecnicas. El poder sustituir componentes de acero o fundicin frrica por otros ms ligeros con el mismo rendimiento y precio, permite una disminucin del consumo de combustible y por tanto una reduccin de las emisiones contaminantes, adems del consecuente ahorro energtico. Las piezas de aluminio son un producto industrial cada vez ms extendido pero cuyo diseo es todava un proceso de prueba y error en los casos donde se utilizan nuevas tecnologas de conformacin . De las distintas tcnicas de conformado, la extrusin es una de las ms importantes y su industria est experimentando un gran auge. Para mejorar la calidad del perfil producido, reducir el tiempo de diseo y abaratar los costes, es necesario conocer los coeficientes de endurecimiento por deformacin n y resistencia K para que puedan se introducidos en programas de simulacin numrica, que permitan relacionar todas las variables que influyen en el proceso, y poder predecir el comportamiento a deformacin plstica de estos materiales.

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Objetivos y justificacin

Aleaciones de aluminio

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2. Aleaciones de aluminio2.1. Propiedades del aluminio

El aluminio tiene una combinacin de propiedades que lo hacen til como material de ingeniera; tiene una densidad baja (2.70g/cm3), que lo hace particularmente til para productos manufacturados del transporte, tiene tambin buena resistencia a la corrosin en la mayora de los ambientes naturales, debido a la pelcula de xido (Al2O3, almina) que se forma en su superficie. Aunque el aluminio puro tiene baja resistencia a la traccin, mediante sus aleaciones puede llegar aproximadamente a 690 MPa. Es un material no txico y se usa ampliamente en recipientes y envases para alimentos. Las buenas propiedades elctricas lo hacen adecuado para muchas aplicaciones en la industria elctrica [1].

2.2.

Produccin del aluminio

El aluminio es el elemento metlico ms abundante en la superficie de la Tierra y siempre se presenta combinado con otros elementos, como hierro, oxgeno y silicio. La bauxita, formada principalmente por xidos de aluminio hidratados, es el mineral comercial ms importante que se usa para producir aluminio. En el proceso Bayer, la bauxita reacciona con hidrxido de sodio caliente para convertir el aluminio del mineral de hierro en aluminato de sodio. Despus de la separacin del material insoluble, el hidrxido de aluminio se precipita a partir de la solucin de aluminato. En la solucin de hidrxido de aluminio se deja espesar y se calcina para obtener xido de aluminio, Al2O3. El xido de aluminio se disuelve en un bao de criolita (Na3AlF6) fundida y se electroliza en una cuba electroltica utilizando nodo y ctodo de carbono. En el proceso de electrlisis se forma aluminio metlico en estado lquido, el cual se hunde en el fondo de la cuba y peridicamente se vaca. El aluminio extrado de la cuba suele contener de 99,5 a 99,9 por ciento de aluminio; el hierro y el silicio son las principales impurezas. El aluminio que proviene de las cubas electrolticas se lleva a grandes hornos con revestimiento refractario donde se refina antes de fundirlo en lingotes. Los elementos de la aleacin y los lingotes maestros del elemento de aleacin pueden fundirse y mezclarse tambin junto con la carga del horno. En la operacin de refino, el metal lquido suele purgarse con cloro gaseoso para eliminar el gas hidrgeno disuelto, tras lo cual se hace un desnatado de la superficie de metal lquido para eliminar el metal oxidado. Despus que el metal ha sido desgasificado y desnatado, pasa por una criba y se funde en lingotes para ser vuelto a fundir, o bien se funde en formas primarias de lingote, lmina, o lingotes de extrusin para los procesos posteriores de fabricacin [1].

2.3.

Composicin de aleaciones de aluminio de fundicin

Se han desarrollado aleaciones de aluminio que ofrecen cualidades de fundicin tales como fluidez y colabilidad, adems de propiedades tales como solidez, ductilidad y resistencia a la corrosin. Por lo tanto, tienen composiciones qumicas muy diferentes a las de forja. En Estados Unidos, las aleaciones para fundicin se clasifican segn el sistema de la Aluminum Association. En este sistema, las aleaciones de aluminio de fundicin se agrupan en funcin de los principales elementos que contienen en aleacin, empleando un nmero de cuatro dgitos con un punto entre los dos ltimos dgitos, como puede verse en la lista de la tabla 1. El silicio, en el rango de 5 a 12 por ciento aproximadamente, es el elemento de aleacin ms importante en las aleaciones de aluminio de fundicin pues aumenta la fluidez del metal fundido y la colabilidad dentro del molde. El magnesio en el rango de 0.3 a 1 por ciento se adiciona para incrementar la resistencia, sobre todo mediante el endurecimiento por precipitacin durante el tratamiento trmico. El cobre, en el rango de 1 a 4 por ciento aproximadamente, se aade tambin a algunas aleaciones de aluminio de fundicin para aumentar la resistencia, sobre todo a altas temperaturas. Asimismo, otros

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Aleaciones de aluminio

elementos de aleacin, como el zinc, estao, titanio y cromo, se agregan a algunas aleaciones de aluminio de fundicin [1].Tabla 1. Grupos de aleacin de aluminio fundido, segn el sistema de clasificacin de la Aluminum Association de Estado Unidos [1]

Auminio, 99.00% como mnimo o ms Aleaciones de aluminio agrupadas segn los principales elemento aleados: Cobre Silicio con cobre y/o magnesio agregado Silicio Magnesio Zinc Estao Otros elementos Series no utilizadas

1xx.x

2xx.x 3xx.x 4xx.x 5xx.x 7xx.x 8xx.x 9xx.x 6xx.x

Tecnologa del conformado en estado semislido

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3. Tecnologa del conformado en estado semislidoLa conformacin de materiales en estado semislido difiere de las tecnologas convencionales en que no utiliza material en estado slido o lquido para conformar, sino una material en estado semislido, un lodo con una microestructura globular de partculas slidas dispersas en un matriz lquida, que le confieren unas propiedades reolgicas nicas. El conformado de metales semislidos se ha consolidado como una tecnologa comercialmente viable, para la produccin de componentes metlicos con mejoradas propiedades mecnicas, formas complejas y menos problemas dimensinales [2].

3.1.

Antecedentes

Hace 36 aos que apareci el concepto del procesamiento de metal semislido (SSM). El experimento original que condujo al descubrimiento del rheocasting, fue llevado a cabo a comienzos de 1971 por Spenser como una parte de su investigacin de doctorado, bajo la supervisin del profesor Flemings en el Massachussets Institute of Technology (MIT). Spencer estaba investigando el desgarro en caliente o hot tearing[3], usando una aleacin Sn-15%Pb para valorar la viscosidad de las aleaciones parcialmente solidificadas usando un viscosmetro Couette. Al hacerlo provoc que las estructuras dendrticas se rompieran, y la aleacin parcialmente slida disminuyera su viscosidad, adquiriendo propiedades tixotropicas [2]. Flemings y su equipo reconocieron la importancia del descubrimiento inmediatamente y, antes del verano de ese ao, llevaron a cabo pruebas industriales que demostraban la viabilidad de las dos rutas, que fueron Rheocasting y Thixocasting. Explicado de una manera simplificada, Rheocasting implica agitar durante la solidificacin para generar un lodo semislido con estructura no dendrtica, que puede ser transferido directamente a un molde y obtener un producto acabado, o dejarse solidificar dando un lingote. El Thixoforming necesita calentar un lingote con estructura no dendrtica para generar el lodo semislido, que puede ser inyectado en un molde (Thixocasting), o prensado en una matriz (Thixoforging) , para obtener un producto final. La tecnologa fue rpidamente protegida por una serie de patentes. Durante los aos siguientes, se propusieron muchas tcnicas de agitacin mecnica para obtener la estructura no dendrtica. Esas propuestas eran en parte un intento para continuar el MIT con la patente, pero casi indudablemente tambin un resultado de la curiosidad del mundo de la fundicin, aunque todos perciban las desventajas de la agitacin mecnica. Al final, de todas esas tcnicas de agitacin mecnica, solamente ha habido un mtodo extensamente aceptado para la produccin de materia prima no dendrtica a escala comercial, la agitacin electromagntica. La viabilidad del procesamiento de metales semislidos (SSM) de varias aleaciones ha sido investigada desde el principio. Inicialmente, el enfoque principal estaba en el acero y prcticamente no se le dio ninguna atencin a las aleaciones de aluminio y magnesio. Esto fue as porque las investigaciones se centraron en mejorar la fundicin de piezas de acero para aplicaciones militares. Sin embargo, debido a la crisis de petrleo en el 1970, y incrementar las preocupaciones ambientales desde el 1980, el mercado automovilstico se ha visto obligado a insistir en la reduccin de peso, usando piezas de metal ligero de gran rendimiento. Como consecuencia, desde 1990, el procesamiento de SSM se ha concentrado en aleaciones de aluminio predominantemente [2]. El procesamiento de metal semislido ha demostrado que el proceso de solidificacin, puede ser absolutamente y eficazmente manipulado para conseguir la microestructura de solidificacin deseada, creando inspiracin para otros muchos nuevos procesos en los prximos aos, como se evidencia hasta ahora.

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3.2.3.2.1.

Aspectos tericosPropiedades tixotrpicas

Los fluidos tixotrpicos se caracterizan por un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus molculas. Dichos fluidos, una vez aplicado un estado de cizallamiento (esfuerzo cortante), slo pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo. La viscosidad va disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al cesar dicha fuerza, debido a la reconstruccin de sus estructuras y al retraso que se produce para adaptarse al cambio [4]. Una caracterstica de las aleaciones que poseen un comportamiento tixotrpico es que, si solidifican totalmente, pueden recuperar sus propiedades tixotrpicas mediante un posterior calentamiento a la temperatura de estado semislido. Esta reversibilidad se debe al proceso de aglomeracindesaglomeracin que sufre la fase slida primaria al aumentar la velocidad de agitacin. La formacin de aglomerados en la fase slida primaria se produce cuando la velocidad de agitacin es baja y si, a continuacin, se aplica una elevada agitacin, los aglomerados se destruyen (desaglomeracin) y baja la viscosidad [5]. El comportamiento semislido o tixotrpico se caracteriza porque el lingote puede mantener su forma, pero al mismo tiempo, puede ser cortado con un cuchillo [6], tal y como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Corte de un lingote de Rheocasting [6]

3.2.2.

Reologa del estado semislido

La Reologa es la ciencia que estudia la deformacin de un cuerpo sometido a esfuerzos externos. Las propiedades reolgicas se definen a partir de la relacin existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas, y su respuesta, ya sea como deformacin o flujo. Todo fluido se va a deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas. Dicho sistema de fuerzas se representa


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matemticamente mediante el esfuerzo cortante (xy) , mientras que la respuesta dinmica del fluido se cuantifica mediante la velocidad de deformacin ( & ) [4]. El viscosmetro nos permite estudiar el comportamiento reolgico de los metales semislidos. La viscosidad, es un parmetro de la capacidad del material semislido de llenar el molde durante la inyeccin, y determina la fuerza requerida para la inyeccin, deformacin y circulacin del material semislido [7]. La viscosidad es funcin de los parmetros del proceso, como la fuerza, velocidad y tiempo de cizallamiento o la temperatura, y las caractersticas metalrgicas de la aleacin, como la fraccin slida, la morfologa dendrtica o globular o la distribucin y tamao de las partculas. 3.2.2.1. Viscosidad

La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la deformacin del fluido. Isaac Newton public en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica una hiptesis asociada al estado simple de cizalladura (o corte): La resistencia derivada de la falta de deslizamiento de las partes de un lquido es proporcional a la velocidad con que se separan unas de otras dentro de l. Esta necesidad de deslizamiento es lo que ahora se denomina Viscosidad, sinnimo de friccin interna. Dicha viscosidad es una medida de la resistencia a fluir [4]. Existen tres tipos de viscosidad: la viscosidad dinmica, la viscosidad cinemtica y la viscosidad aparente. En la figura 2 podemos ver representadas grficamente las viscosidades. Viscosidad dinmica o absoluta (), si se representa la curva de fluidez (esfuerzo cortante frente a velocidad de deformacin) se define como la pendiente en cada punto de dicha curva. Viscosidad aparente (), se define como el cociente entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformacin. Este trmino es el que se utiliza al hablar de viscosidad para fluidos no newtonianos.

Figura 2. Grfica de fluidez para representar la viscosidad dinmica y aparente [4]

Viscosidad cinemtica (), relaciona la viscosidad dinmica con la densidad del fluido utilizado.

=

(1)

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donde () es la viscosidad cinemtica, en [m2/s]; () es la viscosidad dinmica, en [Pas]; () es la densidad del fluido, en [Kg/m3]. La viscosidad puede estar muy afectada por variables como el gradiente de velocidad de deformacin, la temperatura y la presin, entre otros, siendo stas las ms importantes. La variacin de la viscosidad de un liquido con la temperatura implica que, al aumentar la temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energa cintica, dando lugar a una disminucin de la viscosidad [4]. La variacin de la viscosidad de un liquido con la presin, causa que la viscosidad aumente exponencialmente con la presin. El agua a menos de 30 C es el nico caso en que disminuye. Los cambios de viscosidad con la presin son bastante pequeos para presiones distintas de la atmosfrica [4]. La variacin de la viscosidad con la velocidad de deformacin, ayuda a clasificar los diferentes tipos de fluidos que se pueden encontrar desde el punto de vista reolgico. 3.2.2.2. Fluido Newtoniano

Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relacin lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformacin. Esto es debido a que la viscosidad () es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado. Hay que tener en cuenta tambin que la viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de aplicacin del esfuerzo, aunque s puede depender tanto de la temperatura como de la presin a la que se encuentre [4]. Este comportamiento se manifiesta en aleaciones con baja fraccin de slido (0 fs 0,1) [5].

& La curva de fluidez grafica el esfuerzo cortante frente a la velocidad de deformacin ( vs ), mientras que en la curva de viscosidad se representa la viscosidad en funcin de la velocidad de deformacin ( vs & ). Para un fluido newtoniano se obtienen las siguientes curvas, representadas en la figura 3 [4].

Figura 3. Grficas de fluidez y de viscosidad para un fluido newtoniano. (G.Izq) Grfica de fluidez, (G.Dch) Grfica de viscosidad [4]

Como se puede observar en la curva de fluidez , el valor de la viscosidad () es la tangente del ngulo que forman el esfuerzo de corte y la velocidad de deformacin, la cual es constante para cualquier valor


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aplicado. Adems se observa en la curva de viscosidad que la viscosidad es constante para cualquier velocidad de deformacin aplicada [4]. La ecuacin que modela el comportamiento de un fluido newtoniano es [8]:

= &

(2)

donde () es el esfuerzo cortante, en [Pa]; () es la viscosidad dinmica, en [Pas]; ( & ) es la velocidad de deformacin de cizalla, en [s-1]. 3.2.2.3. Fluido pseudoplstico Shear-thinning

Es un fluido no newtoniano, independiente del tiempo y sin esfuerzo umbral. Es decir un fluido donde la relacin entre esfuerzo cortante y velocidad de deformacin no es lineal, y el cual no necesita de un valor mnimo de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga en movimiento. En este estado el material muestra una disminucin de la viscosidad cuando aumenta el esfuerzo cortante. La viscosidad no es una constante del material, tiene un valor aparente para cada velocidad de deformacin. Este comportamiento se manifiesta en aleaciones con fraccin de slido de (0,1 fs 0,6) [5], y se puede observar en las siguientes curvas, de la figura 4.

Figura

4. Grficas de fluidez y de viscosidad para un fluido pseudoplstico. (G.Izq) Grfica de fluidez, (G.Dch) Grfica de viscosidad [4]

Hay dos teoras que intentan explicar este fenmeno, teniendo en cuenta que son simplificaciones ya que el flujo que se forma es bastante complejo: Teora del flujo de varillas rgidas suspendidas en un lquido newtoniano: Existen una serie de varillas desorientadas dentro del lquido newtoniano. Cada varilla, caracterizada por su movimiento browniano, tiene un vector de velocidad que tiende a adoptar una situacin horizontal. Dicho movimiento browniano, propuesto por Brown en 1827, es una observacin indirecta de la agitacin trmica de las molculas de un lquido, al visualizarse el desplazamiento de partculas en suspensin en el seno del mismo. La resultante de los choques al azar es una fuerza de magnitud y direccin variable que da la orientacin de las varillas, responsable de la viscosidad, para evitar que se llegue a un cierto estado de equilibrio. Cuanto mayor sea la orientacin de las varillas, menor ser la viscosidad del fluido [4].

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Teora del flujo de molculas filamentarias en un lquido newtoniano: Se supone que, dentro de un fluido newtoniano situado entre dos placas paralelas, una de las cuales se mueve, aparecen una serie de macromolculas en forma de filamentos porosos que contienen grupos de tomos con una gran movilidad. Al principio estos grupos de tomos forman filamentos bastante enredados. Con el tiempo, al moverse la placa superior, la velocidad de deformacin aumenta y la resultante de las fuerzas tiende a desenredar estos filamentos en la direccin del flujo, dependiendo de su elasticidad y de su velocidad de deformacin, y adems dicha fuerza libera parte del lquido que existe alrededor de la molcula. Como resultado de todo lo que ocurre en el seno del fluido se produce una disminucin de la friccin interna dando lugar a su vez a una disminucin de la viscosidad [4]. La ecuacin reolgica que mejor describe el sistema es la de Ostwald De Waele, o ley de potencia [5]:

= k & n = k & n1 = 0 & n1

(3) (4)

& donde () es la viscosidad aparente, en [Pas]; ( ) es la velocidad de deformacin, en [s-1]; (k) es el coeficiente de viscosidad o el ndice de consistencia; y (n) es el ndice de la ley de potencia o ndice de pseudoplasticidad e indica el grado de comportamiento pseudoplstico, debido a la prdida de viscosidad aparente al aumentar la velocidad de deformacin. Para fluidos newtonianos n = 1 y k es la viscosidad constante. Cuanto menor es este ndice mayor es la pseudoplasticidad. El comportamiento pseudoplstico se manifiesta para valores de n < 1. Valores inferiores indican un comportamiento ms tixotrpico. Para las aleaciones metlicas, se ha convenido designar como (o) o viscosidad aparente (shear stress/shear rate), a la consistencia del material medida para & = 200 s-1. Adems de variar con la velocidad de corte, la viscosidad aparente es sensible a la temperatura. El coeficiente de viscosidad (k) vara con la temperatura con una ecuacin de tipo Arrhenius [5].3.2.2.4. Fluido viscoplstico

Es un fluido no newtoniano, independiente del tiempo y con esfuerzo umbral. Es decir un fluido que necesita de un valor mnimo de esfuerzo cortante para que se ponga en movimiento. La relacin entre esfuerzo cortante y velocidad de deformacin puede ser o no lineal, a partir de su esfuerzo umbral. Si existe linealidad, se denominan fluidos viscoplsticos de Bingham y si no la hay, se denominan slo viscoplsticos [4]. Este comportamiento se manifiesta en aleaciones con fracciones de slido elevadas (0,6 < fs ), la fase slida es continua y forma un esqueleto. El metal se comporta en estos casos como un material viscoplstico poroso saturado de lquido [5]. Este tipo de fluido se comporta como un slido hasta que sobrepasa un esfuerzo cortante mnimo (esfuerzo umbral) y a partir de dicho valor se comporta como un lquido. Las curvas de fluidez y viscosidad se representan en la figura 5.


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Figura 5. Grficas de fluidez y de viscosidad para un fluido viscoplstico. (G.Izq) Grfica de fluidez, (G.Dch) Grfica de viscosidad [4]

La razn por la que se comportan as los fluidos viscoplsticos es la gran interaccin existente entre las partculas suspendidas en su interior, formando una capa llamada de solvatacin. Estn formados por dos fases, con una fase dispersa formada por slidos y burbujas distribuidos en una fase continua . En estos fluidos, las fuerzas de Van der Waals y los puentes de hidrgeno producen una atraccin mutua entre partculas. Tambin pueden aparecer fuerzas de repulsin debidas a potenciales de la misma polaridad. Se forman coloides cuyas fuerzas repulsivas tienden a formar estructuras de tipo gel. Si las partculas son muy pequeas poseen entonces una gran superficie especfica, rodeados de una capa de adsorcin formada por molculas de fase continua. Gracias a esta capa, las partculas inmovilizan gran cantidad de fase continua hasta que no se aplica cobre ellas un esfuerzo cortante determinado [4]. Las ecuaciones que modelan el comportamiento de los fluidos viscoplsticos son dos: Ecuacin generalizada de Bingham [4]: Se aplica cuando hay existencia de proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformacin, a partir de su esfuerzo umbral.

= 0 + &

(5)

donde () es el esfuerzo cortante, en [Pa]; (0) es el esfuerzo umbral requerido para que el flujo se ponga en movimiento, representa el valor del esfuerzo cortante para velocidad de deformacin nula, en [Pa]; () es la viscosidad aparente, en [Pas]; ( & ) es la velocidad de deformacin, en [s-1]. Ecuacin de Casson [4]: Se aplica cuando no hay existencia de proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformacin, a partir de su esfuerzo umbral.

= y + &

(6)

donde () es el esfuerzo cortante, en [Pa]; (y) es el esfuerzo umbral, en [Pa]; ( & ) es la velocidad de deformacin, en [s-1]; () es la viscosidad aparente definida por Casson.

Pg.16 3.2.2.5. Fluido tixotrpico


Es un fluido no newtoniano, dependiente del tiempo. Es decir un fluido donde la relacin entre esfuerzo cortante y velocidad de deformacin no es lineal, y donde la viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicacin del esfuerzo cortante, recuperando su estado inicial despus de un tiempo de reposo. Este comportamiento se manifiesta en aleaciones con fraccin de slido de 0,1 fs 0,6 [5]. Los fluidos tixotrpicos se caracterizan por un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus molculas [4]. Dichos fluidos, van disminuyendo la viscosidad al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al cesar dicha fuerza debido a la reconstruccin de sus estructuras y al retraso que se produce para adaptarse al cambio. Aparece un fenmeno de histresis, como vemos representado en la figura 6.

Figura 6. Grficas de fluidez y de viscosidad para un fluido tixotrprico. (G.Izq) Grfica de fluidez, (G.Dch) Grfica de viscosidad [4]

Las razones de este comportamiento son diversas. Si se considera al fluido como un sistema disperso, se debe tener en cuenta que las partculas que hay en l poseen diferentes potenciales elctricos y tienden a formar tres estructuras variadas dependiendo de cmo sea la fase dispersa [4]. Si la fase dispersa est formada por una serie de capas se denomina Castillo de cartas, Card House; si en cambio se compone de una serie de varillas se denomina Armadura, y si la fase dispersa est compuesta por formas esfricas se denomina Estructura de perlas encadenadas. Las fuerzas que actan en estas estructuras son de tipo electrosttico y se originan por el intercambio de iones dentro del fluido, el cual provoca atracciones y repulsiones entre ellos que dan lugar a cambios estructurales. Estos cambios estructurales hacen que disminuya la viscosidad con el aumento de la velocidad de deformacin y que sta est muy influenciada por el tiempo. La estructura puede volver a recuperar su forma inicial dejndola un tiempo en reposo [4]. Para diferenciar de forma sencilla un fluido tixotrpico, se aumenta la velocidad de deformacin hasta un determinado valor y luego se disminuye hasta el reposo, observando entonces un fenmeno de histresis, que ayuda a comprender la variacin de la viscosidad. Para modelizar la variacin de la viscosidad con el tiempo, se ide la siguiente ecuacin [4]:

df ( ) 2 ' (t ) = 0 M T (t t ) dt dt ' t '

(7)


Pg.17

M T (t t ) = ' 0

R( II ) (t t ' ) exp dII II II

(8)

donde (0) es la viscosidad inicial sin perturbaciones; F( & 2) es la funcin simtrica de la velocidad de deformacin; (II) es el tiempo de relajacin del fluido, puede haber diversos tiempos de relajacin; (R(II)) es la funcin de distribucin de tiempos de relajacin.

3.3.

Tecnologas para producir material sin dendritas

Estas tecnologas permiten obtener material con una microestructura tixotrpica, donde hay un fase principal no dendrtica o globular de granos finos distribuidos uniformemente en un matriz, con un punto de fusin ms bajo. La produccin de materia tixotrpica puede partir de una aleacin lquida a travs de una solificacin controlada bajo condiciones especficas, o del estado slido mediante una fuerte deformacin plstica y recristalizacin [2]. En esta seccin, se resumen las caractersticas bsicas de las tcnicas disponibles para la produccin de material sin dendritas. 3.3.1. Agitacin mecnica

Consiste en agitar mecnicamente un metal lquido durante el proceso de enfriamiento, utilizando cmaras de vacio, o en atmsfera inerte para reducir el aire atrapado. Podemos ver el esquema de una mquina de agitacin mecnica en la figura 7. La agitacin cizalla la microestructura principal al hacerla girar, produciendo un efecto estabilizador sobre la inestabilidad morfolgica en la interfaz slida y lquida, promoviendo el crecimiento globular [9]. El principal problema son las aleaciones con elevado punto de fusin, porque pueden daar el crisol. Adems es un proceso difcil de controlar y con baja productividad [10].

Figura 7. Esquema de una mquina de agitacin mecnica: (1) Soporte motor; (2) Inyector de gas Argon; (3) Agitador; (4) Aleacin de aluminio semislida; (5) Termopar; (6) Motor; (7) Protector; (8) Resistencias; (9) Crisol [10]

Pg.18 3.3.2.

Tecnologa del conformado en estado semislido Agitacin electromecnica Magneto hydrodynamic stirring (MHD)

Permite producir lingotes con estructura no dendrtica y tienen la ventaja de que slo existe contacto fsico entre el metal y el recipiente. Este mtodo genera una elevada cizalladura mediante un campo de rotacin electromagntico. La agitacin se produce en el fondo del contenedor del lquido que, previamente, se ha filtrado y desgasificado para eliminar la contaminacin [2]. La transmisin de calor a travs de la pared del molde se controla con una envoltura de agua, alrededor, que produce refrigeracin. Hay tres sistemas de agitacin electromagntica, el vertical, el horizontal y el helicoidal, que es una combinacin entre el vertical y el horizontal. Una representacin grfica de los tres modelos puede verse en la figura 8. El mtodo horizontal tiene la ventaja de mayor eficacia econmica, mientras que el mtodo vertical tiene su ventaja en los grandes dimetros. La agitacin helicoidal se usa tanto en colada vertical como en colada horizontal [5]. Se obtiene una microestructura de grano fino, con un tamao aproximado de 30 m y distribuido uniformemente.

Figura 8. Modos de agitacin electromagntica: a) agitacin vertical, b) agitacin horizontal y c) agitacin helicoidal [5]

3.3.3.

Fundicin activada por deformacin Strain induced melt activated (SIMA)

En este mtodo, la aleacin obtenida por colada continua es extrada en caliente. Posteriormente, se somete a un proceso de deformacin en fro, induciendo gran cantidad de dislocaciones, que son las responsables del cambio de la fase primaria a la estructura globular, durante el calentamiento al estado semislido. El calentamiento se mantiene el tiempo suficiente para que, por crecimiento isotrmico de las ramas dendrticas, se obtenga una estructura globular. El inconveniente surge si queremos obtener una estructura fina, ya que el tamao de grano es demasiado grande. El mtodo SIMA se utiliza habitualmente para dimetros de pocos centmetros. Otra desventaja es el alto coste asociado a la etapa de forja [5]. 3.3.4. Transformacin trmica a semislido Semi-solid thermal transformation (SSTT)

Calentamiento de una estructura dendrtica, en el intervalo de temperaturas semislidas, durante un tiempo suficiente para permitir que la estructura se globulice y obtener estructuras tixotrpicas La


Pg.19

evolucin de la estructura durante el calentamiento se muestra en las micrografas de la figura 9. Sin embargo, estas estructuras suelen tener un tamao de grano inicial demasiado grande, provocando que las transformaciones duren mucho tiempo o sean inadecuadas. Para tener un mejor control del proceso en cuanto a tamao de grano y tiempo de transformaciones se utilizan afinantes (titanio-boro). El exceso de afinantes de grano provoca incrementos de costos y disminuciones en la maquinabilidad. [11, 12]. Con aleaciones AlSi7Mg se han conseguido excelentes propiedades tixotrpicas, microestructuras globulares, tamao de grano de 100 m y fracciones de lquido de 40-60% [13, 14].

Figura 9. Evolucin de la estructura durante el calentamiento en la (SST) [13]

3.3.5.

Formacin por atomizacin Sprayforming

La mayor ventaja del sprayforming es que puede producir materiales compuestos tixotrpicos disminuyendo las segregaciones, aumentado la solubilidad y con una microestructura equiaxial muy fina [15]. En el sprayforming un flujo de metal fundido es atomizado en gotitas lquidas por un inyector de gas inerte de alta presin, las gotitas generadas son enfriadas y conducidas hacia un soporte giratorio donde se condensaran. En la figura 10 se ilustra el proceso [16]. Durante el proceso el metal liquido solidifica con velocidades de enfriamiento del orden de 102-103C/s [17], generando la fina microestrustura equiaxial. Hay dos fases de solidificacin la que sucede antes del impacto con el soporte y la de despus del impacto. En esta ultima el control de la cantidad de liquido sobre la superficie de impacto, permite controlar el tamao de grano y el tipo de porosidad [18]. Con esta tcnica se pueden conseguir cantidades de fraccin lquida del 66%, aunque para la industria slo interesa el intervalo entre 10-30% ya que se obtienen mejores propiedades.

Pg.20


Figura 10. Sprayforming [17]

3.3.6.

Afinadores de grano

Afinando el grano de las aleaciones puede obtenerse microestructuras equiaxiales, pero no se puede garantizar, que lestructura del grano sea uniformemente esferoidal y la cantidad de lquido atrapado entre las esferas sea alto.

3.4.

Tecnologas para la produccin de componentes semislidos

A continuacin se presentan algunos los procesos ms importantes, de los muchos que hay presentes en el mercado. Estos procesos los podemos clasificar en los que parten de un slido y los que parten de un lquido. 3.4.1. 3.4.1.1. Procesos que parten de un slido Thixoforming

Los procesos de conformado en estado semislido por Thixoforming se realizan mediante la inyeccin en un molde, de material semislido no dendrtico, utilizndose para ello un mquina similar a la de la fundicin inyectada (Thixocasting), o mediante el prensado en una matriz (Thixoforging). Un esquema de los procesos esta representado en la figura 11. Se pueden distinguir dos etapas en el proceso, el calentamiento del lingote al estado semislido y su introduccin en el molde o matriz. La primera etapa, comn a ambos procedimientos, consiste en la refusin parcial del lingote no dendrtico al estado semislido. El mtodo ms utilizado es el calentamiento por induccin, con el que se consigue una rpida y uniforme refusin parcial del material [19]. En la segunda etapa, cuando el material alcanza el grado de calentamiento ptimo, se transfiere rpidamente a la mquina para su conformacin, operacin que la suelen realizar equipos automticos.


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Figura 11. Esquema de los procesos de Thixoforming [2] 3.4.1.1.1. THIXOFORGING

La solidificacin tiene lugar a presiones de 100 y 150 MPa, produciendo microestructuras ms densas y con menos defectos internos como porosidad [20]. Existen variantes de los procesos, como el Thixoforging en cmara al vaco, o en atmsfera controlada, que permiten reducir la formacin de xidos a elevadas temperaturas. Los trabajos realizados han demostrado la viabilidad del Thixoforging, en aleaciones de elevado punto de fusin, tales como acero para herramientas y estelitas. La superficie final y la precisin de la reproduccin de la matriz son excelentes [5].3.4.1.1.2. THIXOCASTING

Los procesos de Thixocasting se realizan con lingotes de estructura no dendrtica, que son recalentados hasta la temperatura de estado semislido, para luego ser inyectado a un molde por una mquina de inyeccin convencional. Todo el proceso se realiza de manera automtica, desde el control de la temperatura, hasta el trasporte del material semislido a la mquina de inyeccin. 3.4.1.2. Thixomolding

El Thixomolding patentado por Down Chemical, y desarrollado especficamente para las aleaciones de magnesio, consiste en un dispositivo similar a las mquinas de inyeccin utilizadas en la industria del plstico, un croquis sencillo de la mquina se muestra en la figura 12.

Figura 12. Mquina Thixomolding [5]

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La carga de la tolva se realiza con material peletizado, que es empujado hacia la zona de inyeccin por un tornillo sin fin. Las fuerzas de friccin generadas, y el uso de calefactores externos, provocan la fusin parcial y la obtencin de estructuras no dendrticas. Finalmente, el lodo obtenido es inyectado en el molde. Esta tcnica realiza la produccin del material thixotrpico en la propia mquina de inyeccin, por lo que disminuye notablemente el coste de produccin. El inconveniente que presenta es el precio de la maquinaria, su mantenimiento, y est limitado a bajas fracciones de slido, a aleaciones de magnesio, y a aleaciones de bajo punto de fusin [5]. 3.4.1.3. Proceso Thixocasting de polvos Powder Thixocasting process

Este mtodo, llamado brevemente como Thixocasting de polvos, combina las tcnicas de la metalurgia de polvos y la convencional. Y presenta un mtodo de fabricar productos de aleaciones Al-Si con finas partculas de Si uniformemente distribuidas [21]. Para generar el polvo se atomiza con un gas una aleacin Al-Si utilizada en el mtodo convencional de thixocasting. El proceso comienza precalentando el polvo bajo la proteccin de un atmsfera de argn aproximadamente una hora, as conseguimos que todo el polvo est a un temperatura uniforme. En la figura 13 puede verse un esquema.

Figura 13. Esquema del proceso Thixocasting de polvos [21]

La temperatura de precalentado es vital tenerla controlada ya que, como revela la figura 14, si la temperatura de precalentado es demasiado baja, los polvos compactados tendrn grietas y una densidad baja, que repercutir en un exceso de poros y una transferencia de calor muy lenta desde la superficie hasta el interior de los polvos compactados, aumentando el tiempo del proceso.


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Figura 14. Foto de polvos compactados. De izquierda a derecha, han sido fabricados con temperaturas de precalentamiento cada vez ms bajas, 550, 500, 400 y 250 C, respectivamente [21]

Luego los polvos se comprimen y son rpidamente calentados por rollos de induccin para convertirlos en un lodo en estado semislido, que finalmente ser inyectado por una mquina de inyeccin convencional. Los productos de thixocasting de polvos tienen una estructura con granos casi esfricos y una microestructura uniforme de partculas finas y no dendrticas [21]. En este sistema todava hay que perfeccionar como preparar polvos de manera ms eficiente para eliminar el xido y poros entre las partculas del polvo. 3.4.1.4. Mezclado Compocasting

El Compocasting es el resultado de mezclar partculas cermicas con un metal en estado semislido para un posterior proceso de forja o fundicin. En una investigacin sobre Rheocasting realizada en el MIT, se detect que las mezclas semislidas, por su elevada y controlada viscosidad, son excelentes materiales de comienzo para el proceso de Compocasting. Se encontr que algunas partculas cermicas, por ejemplo el SiC, al aadirlas a las mezclas semislidas, se mantenan en suspensin, y que estos lodos presentaban un comportamiento thixotrpico. Investigaciones realizadas por Moon, han demostrado que se puede aadir partculas al metal lquido, y que la mezcla semislida mejora la mojabilidad y la dispersin [5]. Se ha demostrado que la viscosidad aparente de una mezcla compuesta de partculas cermicas, y metal en estado semislido, es menor que la mezcla equivalente que no las contiene. Esto es posible porque las partculas cermicas impiden a las partculas metlicas juntarse y coalescer. Esta conclusin se corresponde con la observacin de que la tixotropa y la pseudoplasticidad aumentan, en los lodos de aluminio, por la adicin de SiC. La presencia de materiales cermicos acelera la evolucin morfolgica de las partculas metlicas solidificadas hacia formas ms esferoidales [5]. 3.4.2. 3.4.2.1. Procesos que parten de un lquido New Rheocasting (NRC)

Es un proceso en el cual se consigue obtener muchos ncleos slidos, en el seno de un metal lquido vertindolo en un recipiente fro. La mayor cantidad de ncleos slidos se obtendr al verter el lquido sobre la pared enfriada del recipiente, como puede verse en la figura 15 [22]. El control del enfriamiento del metal lquido es vital para obtener en la fase primaria una estructura de grano redondeada, cuanto ms redondos son los granos mejor propiedades tendr el material [23].

Pg.24


Cuando se obtiene aproximadamente un 40-50 % de fraccin slida, el metal lquido convertido ahora en un lodo semislido, es introducido de manera lenta en el molde de la mquina de inyeccin, y realizndose el llenado de abajo arriba, lo que permite el flujo laminar, y que el aire sea expulsado fuera de la cavidad del molde y no quede atrapado. El mtodo ms eficaz para el refinamiento de grano en NRC es conseguir que el metal lquido no est muy caliente y que la pared del recipiente est lo mas fra posible. Tambin se podra refinar mucho ms el grano con afinantes de grano pero con la contrapartida de tener que aumentar la temperatura del metal lquido [22].

Figura 15. Esquema del proceso NRC [22]

3.4.2.2.

Sub Liquidus Casting (SLC)

En el ao 2001, la empresa THT Presses desarroll en Estados Unidos la tcnica del Sub Liquidus Casting (SLC-THT). Esta tcnica combina el diseo del equipo y la utilizacin de aditivos afinadores de grano, con un procesado simple del metal fundido mediante un cuidadoso control de temperatura. Se obtienen productos con caractersticas equivalentes a las de los productos conformados en estado semislido SSM, a partir de lingotes de Rheocasting, y los costes son ligeramente superiores al moldeo convencional de alta presin. Este proceso utiliza una mquina compacta que se muestra en la figura 16 [5].

Figura 16. Mquina THT [24]

Una mquina de 100 Tm, puede inyectar hasta unos 12 Kg de aluminio. Son mquinas de inyeccin vertical, y la particin del molde es horizontal. El material entra directamente del horno de mantenimiento o fusin a la mquina de inyeccin. El material lquido se introduce en la mquina de inyeccin a baja temperatura, prxima a la temperatura requerida para la conformacin en estado semislido y, en poco


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tiempo, mediante el control de la temperatura y la adicin de afinantes de grano (TiB o SiB), se forma el lodo. ste se introduce en el molde por uno o varios canales de inyeccin [5]. Las condiciones ptimas de temperatura de inyeccin estn entre 1 y 2 C por encima de la temperatura liquidus, aunque en la prctica se realiza a unos 5-10 C por encima de la temperatura de solidificacin. Los mejores afinantes son titanio-boro (5/1) y SiB2 [5]. La mquina THT emplea un canal de inyeccin de gran dimetro y corto recorrido. Esto permite mayor productividad, y un control ms estricto de la temperatura del metal, necesario para el procesado del lodo. As mismo, reduce la velocidad de llenado, y de este modo se reducen drsticamente las presiones al final de cada inyeccin. El concepto de THT-SLC no requiere un equipo de preparacin previa del lingote ni un tiempo de procesado fuera de la mquina de moldeo. Las microestructuras obtenidas con esta tcnica son las propias de los procesos de SSM. Cuando en el proceso se utilizan afinadores de grano, se consiguen tamaos de glbulo inferiores a 75 micras; cuando se realiza con super-afinadores de grano, se consiguen tamaos de hasta 25 micras. Las propiedades mecnicas, conseguidas en estos casos, son comparables e incluso superiores a las obtenidas cuando se utilizan lingotes MHD[5]. 3.4.2.3. Semi-Solid Rheocasting (SSR)

Consiste en sumergir un cilindro de grafito dentro de un recipiente con metal lquido, cuya temperatura supera ligeramente la temperatura lquidus. El metal lquido, al contacto con el cilindro de grafito agitado enrgicamente, se enfra unos pocos grados por debajo de la temperatura lquidus, inicindose la solidificacin. El cilindro se mantiene en el metal lquido durante intervalos de tiempo muy cortos, y la velocidad de agitacin no debe superar las 60 rpm. Los pasos del proceso aparecen representados en la figura 17. La parte ms crtica del proceso est en la obtencin del primer 1% en volumen de fraccin slida no dendrtica [5]. En este proceso slo se obtiene entre un 10 y un 15 % de fraccin slida, y esta se produce en el contenedor del pistn ya en la maquina de inyeccin, en la agitacin slo se obtiene un 1 o 3 % de semislido.

Figura 17. Esquema de proceso SSR [6]

Pg.26 3.4.2.4.

Tecnologa del conformado en estado semislido Pendiente de enfriamiento Cooling Slope (CS)

El proceso por pendiente de enfriamiento transforma el metal fundido al estado semislido cuando fluye hacia el molde ubicado al final de la pendiente. El tamao del lingote lo determina el peso del metal colado y el dimetro del molde. En la figura 18 se representa el esquema del proceso [25]. La fraccin slida se ve afectada por el tiempo de contacto entre el metal fundido y la rampa de enfriamiento, cuanto ms tiempo mayor fraccin slida. Este tiempo de contacto aumenta con el aumento de la longitud de la rampa y la disminucin de la pendiente. Es un equipamiento fcilmente adaptable a cualquier mquina convencional, como puede verse en la figura 19 [26, 27].

Figura 18. Esquema Cooling Slope. (a) Fusin, (b) Enfriamiento [26]

Figura 19. Proceso Cooling Slope [ 27]

Tecnologa del conformado en estado semislido 3.4.2.5. Sobrecalentamiento Low Superheat Casting (LSC)

Pg.27

Este sistema utiliza un sobrecalentamiento del metal fundido de 5 a 40 C. Los grmenes se generan en la superficie inferior del molde de cobre, y la parte superior del molde debe insertarse en la inferior antes de que solidifique el metal. Como el sobrecalentamiento es bajo, los grmenes cristalinos no se redisuelven, y si hay suficientes podrn crecer cristales primarios esfricos. Es un mtodo tan sencillo como el anterior, slo necesita un equipamiento especial del molde. El esquema del proceso aparece representado en la figura 20 [25].

Figura 20. Proceso Low Superheat Casting [25]

3.4.2.6.

Rheo-Diecasting (RDC)

El equipo consta de dos unidades de funcionamiento, una mquina de trituracin y una mquina de refrigeracin estndar, igual a la del sistema de inyeccin lquida tradicional (High-pressure diecasting, HPDC). La mquina de triturar consta de dos tornillos rotatorios dentro de un cilindro. Los tornillos tienen un perfil especialmente diseado, que los hace estar perfectamente acoplados, y ser estancos entre ellos. Este sistema proporciona una elevada agitacin a la aleacin. Los tornillos y el cilindro estn hechos de un material para prevenir reacciones con el molde. La figura 21 ilustra el croquis de la mquina.

Figura 21. Proceso RDC [28]

La funcin de la maquina de triturar es convertir la aleacin lquida en semislida, solidificando dentro de la alta intensidad de trituracin de la mquina. El sistema puede proporcional aleacin semislida cada 30s. El proceso comienza introduciendo una predeterminada cantidad de aleacin lquida dentro de la mquina de triturar. La aleacin lquida es rpidamente enfriada a la temperatura de semislido, mientras est siendo fuertemente agitada por el par de tornillos, convirtiendo el lquido en una aleacin semislida. La fraccin slida de la aleacin se determina por la temperatura del cilindro. La aleacin semislida es transferida a la maquina HPDC, donde se proceder al llenado del molde. Para prevenir la oxidacin de la aleacin, se usar gas nitrgeno para proteger la atmsfera del interior de la mquina de triturar [28].

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Tratamientos trmicos

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4. Tratamientos trmicosLos tratamientos T6 y T5 se utilizan para endurecer las aleaciones, aumentando as su resistencia. Cuando se trata trmicamente una aleacin, se pretende crear una dispersin densa y fina de partculas precipitadas en una matriz de metal deformable. Las partculas precipitadas actan como obstculos que se oponen al movimiento de dislocacin y, por lo tanto, fortalecen la aleacin sometida a tratamiento trmico. El proceso de endurecimiento por precipitacin puede explicarse de manera general si se hace referencia al diagrama de fases binario de dos metales A y B mostrado en la figura 22. Para que un sistema de aleacin pueda reforzarse por precipitacin para ciertas composiciones de la aleacin, tiene que existir una solucin slida terminal cuya solubilidad slida disminuya a medida que baja la temperatura. En el diagrama de fases de la figura 22 se muestra este tipo de decremento de la solubilidad slida en la solucin slida terminal al pasar del punto a al punto b, a lo largo de la curva de solvus indicada.

Figura 22. Diagrama de fases binario para dos metales A y B [1]

Considrese el endurecimiento por precipitacin de una aleacin de composicin 1 del diagrama de fases de la figura 22. Tomando la composicin 1 para la aleacin porque en ella existe una gran disminucin de la solubilidad del soluto a medida que la temperatura baja de T2 a T3. El proceso de endurecimiento por precipitacin comprende tres etapas: Solubilizacin, temple y envejecimiento. La solubilizacin es la primera etapa del proceso. La muestra de aleacin se calienta a una temperatura entre la de solvus y la de solidus y se mantiene hasta que se produce una estructura uniforme en la solucin slida. La temperatura en el punto c de la figura 22 se ha seleccionado para nuestra aleacin 1 porque est en el punto medio entre los lmites de fases solvus y solidus en la solucin slida . El temple es la segunda etapa del proceso. La muestra se enfra rpidamente a baja temperatura, generalmente a temperatura ambiente, y el medio de enfriamiento es generalmente agua a temperatura ambiente. La estructura de la muestra de aleacin despus del temple en agua consiste en una solucin slida sobresaturada. Por lo tanto, la estructura de nuestra aleacin 1 despus de temple a temperatura T3 en el punto d de la figura 22 corresponde a una solucin slida sobresaturada de la fase .

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El envejecimiento es la tercera etapa del proceso. Es necesaria una maduracin de la muestra tratada trmicamente y templada para que se forme un precipitado finamente disperso. La formacin de este precipitado en la aleacin es el objetivo del proceso de endurecimiento por precipitacin. El precipitado fino en la aleacin impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformacin, porque las dislocaciones son obligadas a cruzar transversalmente las partculas precipitadas o a rodearlas. La aleacin resulta endurecida mediante esta restriccin del movimiento de las dislocaciones durante la deformacin. El envejecimiento de la aleacin a temperatura ambiente se le llama maduracin natural, mientras que a la maduracin a elevadas temperaturas se le llama maduracin artificial [1].

4.1.

Tratamientos trmicos T6 y T5

El tratamiento T6 implica realizar las tres etapas del proceso de endurecimiento por precipitacin, solubilizacin, temple y envejecimiento. El T5 implica enfriar a partir de un proceso de moldeo a temperatura alta y realizar la ltima etapa, el envejecimiento. La etapa de puesta en solucin de un tratamiento T6 desempea varias funciones importantes: disolucin del Mg2Si, homogeneizacin de la solucin slida y fragmentacin, esferoidizacin y engrosamiento del silicio eutctico. La fase -Al se enriquece en silicio y magnesio. La disolucin del Mg2Si y la homogeneizacin de la matriz se producen dentro de los 15 minutos en la aleacin A356 a 540 C. Los cambios en la morfologa del silicio eutctico son generalmente ms lentos, comenzando al cabo de varias horas, y dependen de parmetros tales como la temperatura de puesta en solucin y el tamao/forma de la partcula original que, a su vez, vienen determinados por las condiciones de solidificacin, tamao de grano y de modificacin del eutctico [5]. Algunos trabajos han demostrado que en la A356 modificada con estroncio, la esferoidizacin del silicio termina a los 3 minutos de mantenimiento a 500-540 C, proporcionando una microestructura fina, redondeada y homogneamente distribuida del silicio. El efecto del tratamiento de puesta en solucin de las fases intermetlicas que contienen hierro no se conoce bien, pero se ha visto que el compuesto intermetlico con la composicin estequiometrica de (Al5FeSi) es estable en la aleacin A356, y que el compuesto intermetlico de composicin estequiometrica (Al8Mg3FeSi6), se disuelve en la A356 [5]. La seleccin de las temperaturas de tratamiento es crtica ya que altas temperaturas pueden provocar la fusin parcial mientras que temperaturas bajas no ofrecen una completa homogeneizacin. Las propiedades mecnicas de las aleaciones Al-7%Si-Mg estn gobernadas por el nivel de magnesio retenido en la matriz despus del tratamiento de puesta en solucin y temple, el cual est disponible para la precipitacin durante el proceso de envejecimiento. El porcentaje de magnesio disuelto y los parmetros de envejecimiento controlan el lmite elstico de la aleacin y el grado de endurecimiento. Una matriz con elevado contenido en magnesio tiene un lmite elstico y un nivel de endurecimiento mayor, mientras que baja la ductilidad y la tenacidad a fractura [5]. El magnesio hace disminuir la temperatura del eutctico y provoca que la estructura del silicio sea ms heterognea. Parece que tambin interfiere en la modificacin de la estructura del eutctico cuando se adiciona estroncio, haciendo que la estructura del eutctico sea ms grosera y menos uniforme. El contenido en magnesio tambin afecta a la forma y a la fraccin de volumen de las fases que contienen hierro. Como es sabido, estas fases reducen la resistencia a esfuerzos de traccin [5]. Para un contenido de magnesio y hierro dados, e ignorando posibles defectos de porosidad, la resistencia a traccin y la ductilidad de estas aleaciones depende de la estructura dendrtica, del tamao y morfologa de las partculas de silicio, del tratamiento de puesta en solucin y de las condiciones de envejecimiento. La deformacin plstica conduce a la rotura de las partculas de silicio y de los intermetlicos ricos en hierro. Cuando el tamao de la dendrita es pequeo la grieta se concentra en el eutctico, a lo largo de los lmites de grano, de manera que la fractura es intergranular. Por otro lado, cuando el tamao de la dendrita es grande, la fractura final se produce por nucleacin y crecimiento de microgrietas en las dendritas, es decir con fractura transgranular.


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Diferentes autores dicen que la metalografa cualitativa y cuantitativa ha mostrado que, adems de los cambios mencionados anteriormente, el tratamiento de puesta en solucin tambin supone cambios en cuanto a las proporciones relativas de partculas de intermetlicos que contienen hierro, y estos cambios dependen de la composicin. Los intermetlicos que contienen hierro observados en aleaciones en estado bruto de colada, son la fase (Al5FeSi) que aparece en forma de laminillas, y la fase (Al8Mg3FeSi6), que aparece bajo la morfologa de "escritura china" y/o de bloque; a veces, ambas crecen directamente sobre las laminillas de . Estas dos fases aparecen en las regiones interdendrticas/intergranulares. En ausencia de manganeso, los intermetlicos de hierro cristalizan nicamente bajo la forma de agujas () para todas las velocidades de enfriamiento. Sin embargo, con la adicin de manganeso, los intermetlicos de hierro cristalizan en forma de agujas (fase -AlFeMnSi) o de escritura china (fase -AlFeMnSi), y su fraccin en volumen depende de la velocidad de enfriamiento. La fractografa indica que la fase es ms resistente que la . Adems, con el aumento de la temperatura de solubilizacin, la fase se disuelve lentamente al tiempo que se fragmenta mientras que fase no cambia [5]. La mayor diferencia entre -AlFeSi y -AlFeMnSi es que la primera se disuelve por los extremos mientras que la segunda se disuelve en todo su permetro. Mientras que el tratamiento de puesta en solucin provoca una transformacin importante de la fase en fase en aleaciones con bajo contenido en magnesio (0,3-0,4 % magnesio), esta evolucin no es tan clara para mayores niveles de magnesio (0,6-0,7 %). La transformacin de la fase en fase produce una disolucin de magnesio en la matriz de aluminio superior a la que puede resultar de la disolucin del Mg2Si. Puesto que el nivel de magnesio retenido en la matriz despus del temple controla el endurecimiento por precipitacin de la aleacin, resulta crucial una correcta comprensin de la transformacin de la fase en el caso que se requiera la mxima resistencia a traccin. La transformacin puede describirse como un proceso mediante el cual algunas partculas de la fase que contienen magnesio se rompen de manera gradual, total o parcialmente, en clusters de agujas finas de otra fase intermetlica de hierro que no contiene magnesio (probablemente fase , o una fase de composicin similar) [5]. Durante la puesta en solucin de estas aleaciones, se produce una difusin del magnesio del intermetlico en la matriz. Parte del magnesio procede de la fase Mg2Si fcilmente solubilizada (disuelta), pero tambin una proporcin se libera como consecuencia de la transformacin de la fase en [5]. En las aleaciones con bajo contenido en magnesio (0,3 y 0,4%), la concentracin de magnesio en la matriz alcanza el lmite previsto para estas aleaciones. Ello implica que todo el Mg2Si presente en estado bruto de colada se ha disuelto y que la fase se ha transformado en fase , pasando todo el magnesio a la matriz. A medida que el contenido de magnesio aumenta en la aleacin, es cada vez ms difcil que el magnesio se disuelva en la matriz. Puesto que despus del tratamiento de puesta en solucin queda muy poco Mg2Si, incluso en aleaciones con elevado contenido en magnesio, aumenta la estabilidad de la fase [5]. La transformacin de la fase es completa en aleaciones con un contenido en magnesio de 0,3 % o 0,4 %, pero se reduce a medida que el contenido en magnesio aumenta hasta 0,7 %. La transformacin de fase en las aleaciones con bajo contenido en magnesio produce una reduccin de la fraccin en volumen de intermetlicos. Es muy probable que sea debido al cambio en la proporcin atmica de hierro en las fases y (1 tomo de cada 7 frente a un tomo de cada 18) y a la mayor densidad de la fase (3,35 frente 2,82 g cm-3) [5]. En las aleaciones con alto contenido en magnesio, la fase es ms estable y la transformacin a fase parece ser desfavorable. Una consecuencia de ello sera que el magnesio es retenido en las partculas de intermetlicos y no pueden pasar a la solucin. El diagrama de fases de la aleacione A356 indica que a la temperatura de 580 C hay ms elementos endurecedores en la fraccin slida que a la temperatura de puesta en solucin del tratamiento trmico T6 (520-530 C). As, estas aleaciones conformadas por SSM pueden ser tratadas con T5 y T6 obteniendo

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mejores resultados que las conformadas por colada en coquilla, debido, probablemente, a la reduccin de porosidad y a la mejora de la microestructura [5]. A la temperatura de envejecimiento, la solucin slida sobresaturada se descompone, en zonas GP finamente dispersas y precipitados intermedios que producen el endurecimiento. Un trabajo de investigacin relacionado con las propiedades mecnicas de las aleaciones Al-7Si-Mg indica que las propiedades tensiles ptimas (expresadas mediante un nuevo ndice de calidad QI de la ecuacin 9) se dan en aleaciones con un porcentaje de magnesio entre 0,4 y 0,5%, en las que se produce la transformacin parcial de la fase en fase . Dado que la fractura del material sometido a un esfuerzo uniaxial de traccin depende de la poblacin de partculas, el aumento de resistencia mecnica pueden ser debidos a la substitucin de partculas frgiles de gran tamao por agujas de fase muy finas, as como a la reduccin de la fraccin de volumen de precipitados [5]. El ndice de calidad QI mencionado viene definido como [5]:

QI = UTS + 150 log(% )donde (UTS) es la resistencia a traccin, en [MPa]; (%) es el alargamiento.

(9)

Basner, ha estudiado el efecto que tiene la microestructura en las propiedades mecnicas de la aleacin A357 con T6, y concluye que este ndice de calidad QI se ve afectado adversamente con el incremento de la porosidad y el aumento de tamao de glbulo. Las propiedades ptimas se obtendrn cuando el tamao de glbulo sea el menor posible [5]. El tratamiento T5 tiene la ventaja de realizarse con el material bruto de colada, y slo debe envejecer por tratamiento a baja temperatura. Es mucho ms simple y menos costoso econmicamente que el T6, y evita adems muchas distorsiones que pueden aparecer en partes complejas al enfriar. De todas formas, el tratamiento T5 no provoca esferoidizacin del silicio eutctico y consecuentemente las piezas as tratadas exhiben menor ductilidad que con el tratamiento T6. El tratamiento T5 se aplica a menudo para crear estabilidad dimensional del componente en servicio. El tratamiento T6 se utiliza generalmente para incrementar el lmite elstico y la resistencia a traccin. Si se desea un producto que tenga buena maquinabilidad hay que incrementar la dureza. El T6 es ideal para elevar la dureza y la resistencia a traccin [5]. Durante la etapa final de ambos tratamientos, la dureza y la resistencia se incrementan gradualmente con el tiempo hasta llegar a un mximo, a partir del cual disminuyen (sobre-envejecimiento). As se detalla en la figura 23 en la que Mondolfo pone en forma grfica el efecto del envejecimiento en las propiedades mecnicas.


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Figura 23. Efecto del tiempo de calentamiento en las propiedades [5]

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Propiedades mecnicas de metales

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5. Propiedades mecnicas de metales5.1. Deformacin elstica y plstica

Cuando se somete una pieza de metal a una fuerza de traccin uniaxial se produce la deformacin del metal. Si el metal recupera sus dimensiones originales cuando se elimina la fuerza, se considera que el metal ha sufrido una deformacin elstica. La cantidad de deformacin elstica que puede soportar un metal es pequea pues durante la deformacin elstica, los tomos del metal se desplazan de sus posiciones originales, pero sin llegar a alcanzar nuevas posiciones. De este modo, cuando la fuerza sobre el metal deformado elsticamente se elimina, los tomos del metal vuelven a sus posiciones iniciales y el metal recupera su forma inicial. Si el metal se deforma tanto que no puede recuperar completamente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformacin plstica. Durante la deformacin plstica, los tomos del metal se desplazan continuamente desde sus posiciones iniciales hasta otras nuevas. La propiedad que tienen algunos metales de ser extensamente deformados sin que se fracturen, es una de las ms tiles en ingeniera. Por ejemplo, la gran deformacin plstica a que se puede ser sometido el acero permite fabricar parachoques, caps y puertas de automvil sin que se fracture el metal [1].

5.2.

Ensayo de traccin

El ensayo de traccin se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. En este ensayo, hay que distinguir tres regiones, la precarga, la elstica y la plstica. Por lo tanto una muestra de metal podra estirarse hasta fractura de muchas maneras distintas, desde aplicar una diferente velocidad constante de estiramiento a cada regin a utilizar una para todo el ensayo. La figura 24 ilustra una mquina moderna de traccin.

Figura 24. Mquina de traccin modelo Zwick Z100

La fuerza que acta sobre la muestra sometida a ensayo, junto con la deformacin obtenida por un extensmetro externo, sujeto a la muestra como en la figura 25, aparecen representadas en un diagrama generado por la mquina de ensayo.

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Figura 25. Extensmetro de una mquina de ensayos que mide la deformacin producida en la probeta durante el ensayo de traccin

El tipo de probeta utilizada en los ensayos de traccin vara considerablemente. En metales con seccin transversal gruesa, normalmente se utilizan probetas redondas. En metales de seccin transversal ms delgada se utilizan probetas planas. Las formas geomtricas de probetas utilizadas usualmente en ensayos de traccin se ilustran en la figura 26.

Figura 26. Ejemplos de la forma geomtrica de probetas utilizadas usualmente en ensayos de traccin. (a) Probeta redonda, (b) probeta plana [29]

Los valores de fuerza contenidos en el grfico de la mquina de ensayos se pueden convertir a valores de tensin convencional y construir un diagrama tensin-deformacin convencional o diagrama convencional, como el de la figura 27 [1].

Figura 27. Diagrama tensin-deformacin [30]


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5.3.

Valores de propiedades mecnicas obtenidos del ensayo de traccin y del diagrama tensin-deformacin convencional

Las propiedades mecnicas de metales y aleaciones que tienen inters para el diseo estructural en ingeniera y que pueden obtenerse a partir del ensayo de traccin tcnico son: 1. Mdulo de elasticidad. 2. Lmite elstico convencional del 0,2 %. 3. Resistencia a la traccin. 4. Porcentaje de alargamiento a fractura. 5. Porcentaje de estriccin a fractura. 5.3.1. Mdulo de elasticidad

En la primera parte del ensayo de traccin, el metal se deforma elsticamente. Es decir, si la fuerza que acta sobre la muestra desaparece, la probeta volver a su longitud inicial. Para metales, la mxima deformacin elstica suele ser inferior al 0,5 %. En general, los metales y aleaciones muestran una relacin lineal entre la tensin aplicada y la deformacin producida en la regin elstica del diagrama convencional que se describe por la ley de Hooke:

= E

(10)

donde (E) es el modulo de elasticidad o modulo de Young, en [MPa]; () es la tensin, en [MPa]; () es la deformacin, [mm/mm]. El mdulo de elasticidad est relacionado con la fuerza del enlace entre los tomos del metal o aleacin. Los metales con alto mdulo de elasticidad son relativamente rgidos y no flechan fcilmente [1]. 5.3.2. Lmite elstico

El lmite elstico es un valor de inters para el diseo estructural en ingeniera puesto que es la tensin a la que un metal o aleacin muestra una deformacin plstica significativa. Debido a que no hay un punto definido de la curva tensin-deformacin donde acabe la deformacin elstica y empiece la deformacin plstica, se determina el lmite elstico como aquella tensin a la que se produce una deformacin plstica definida. En muchas ocasiones se determina el lmite cuando se produce una deformacin del 0,2 %, como se muestra en el diagrama convencional de la figura 28.

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Figura 28. Parte lineal de un diagrama convencional con el eje de deformaciones expandido para facilitar una determinacin ms exacta del lmite elstico de 0,2 % [1]

El lmite elstico del 0,2 %, tambin denominado lmite elstico convencional del 0,2 %, se determina a partir del diagrama convencional. Primero se traza una lnea paralela a la zona elstica (lineal) del diagrama convencional a una deformacin de 0,002 mm/mm. Despus se traza una lineal horizontal desde el punto de interseccin entre la lnea anterior y la parte superior de la curva tensin-deformacin hasta que alcance el eje de las tensiones. El lmite elstico del 0,2 % es el valor de tensin donde la lnea horizontal intercepta el eje de tensiones. Es necesario puntualizar que el valor del 0,2 % es arbitrario y puede determinarse el lmite elstico para cualquier valor de deformacin permanente siempre que sea pequeo. Por ejemplo, en el Reino Unido es habitual determinar el lmite elstico del 0,1 % [1]. 5.3.3. Resistencia a la traccin

La resistencia a la traccin es la mxima tensin alcanzada en la curva tensin-deformacin. Si la probeta desarrolla un decrecimiento localizado de la seccin transversal (comnmente denominada estriccin), la tensin convencional decrecer con el incremento de la deformacin hasta que se produce la fractura, porque la deformacin convencional se determina utilizando el rea original de la seccin transversal de la probeta. Cuanto ms dctil es el metal, mayor es la estriccin antes de la fractura y ms desciende la tensin alejndose del valor de resistencia a la traccin. En aleaciones de aluminio de alta resistencia, slo hay un pequeo descenso de la tensin convencional desde el valor de resistencia a la traccin porque este tipo de material tiene una ductilidad relativamente baja [1]. Un punto importante del diagrama tensin-deformacin convencional a considerar corresponde a que el metal o aleacin pueda soportar tensiones superiores a la propia tensin de fractura. Esto slo se debe a


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que se utiliza el rea original de la seccin transversal para determinar la tensin convencional y que la tensin soportada descienda en la ltima parte del ensayo. La resistencia a la traccin de un metal se determina trazando una lnea horizontal desde el punto mximo de la curva tensin-deformacin hasta el eje de tensiones. El valor de tensin donde esa lnea intercepta al eje de tensiones se denomina resistencia mxima o resistencia a la traccin. Este parmetro no tiene mucha utilidad en el diseo ingenieril con aleaciones dctiles porque se produce mucha deformacin plstica antes de alcanzarlo. No obstante, la resistencia a la traccin puede aportar alguna informacin sobre la presencia de defectos. Si el metal contiene porosidad o inclusiones, estos defectos pueden producir que el valor de la resistencia mxima sea menor que la habitual [1]. 5.3.4. Porcentaje de alargamiento

La cantidad de alargamiento que una probeta a traccin soporta durante el ensayo proporciona un valor de la ductilidad del metal. La ductilidad de metales suele expresarse como porcentaje de alargamiento. En general, a mayor ductilidad del metal (a mayor capacidad deformacin), mayor porcentaje de deformacin. Durante el ensayo de traccin se puede utilizar un extensmetro para determinar continuamente la deformacin producida durante el ensayo. No obstante, el porcentaje de deformacin de una probeta despus de la fractura se puede medir uniendo los fragmentos y midiendo la longitud final con un calibre. El porcentaje de alargamiento se calcula mediante la ecuacin:

% alar gamiento =

l l0 100 l0

(11)

donde (l0) es la longitud entre las marcas de calibracin realizadas sobre la muestra antes del ensayo; (l) es la longitud entre esas mismas marcas despus de unir los dos fragmentos resultantes del ensayo. El porcentaje de alargamiento a fractura tiene importancia no slo como medida de la ductilidad, sino tambin como un ndice de la calidad del metal. Si existe porosidad o inclusiones en el metal, o si existe un deterioro debido a un sobrecalentamiento del mismo, el porcentaje de alargamiento decrecer por debajo del valor habitual [1]. 5.3.5. Porcentaje de estriccin

La ductilidad de un metal o aleacin tambin se puede expresar en trminos de porcentaje de reduccin de rea o estriccin. Despus del ensayo se determina el dimetro de la seccin transversal de la zona de fractura. Utilizando las dimensiones del dimetro inicial y del dimetro final, el porcentaje de estriccin se determina segn la ecuacin.

% estriccin =

A0 A A0

100

(12)

donde (A0) es el rea transversal inicial de la probeta antes del ensayo; (A) es el rea transversal final despus del ensayo. La estriccin, como el porcentaje de alargamiento, es una medida de la ductilidad del metal y un ndice de su calidad. La estriccin puede disminuir si existen defectos como inclusiones y/o porosidad en la muestra metlica [1].

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5.4.

Tensin ingenieril, deformacin convencional o ingenieril

Supongamos una barra cilndrica de longitud l0 y rea de la seccin transversal A0 sujeta a una fuerza de traccin uniaxial F, como la que se muestra en la figura 29.

Figura 29. Alargamiento de una barra cilndrica de metal sujeta a una fuerza de traccin uniaxial F. a) La barra sin ninguna fuerza y b) la barra sujeta a la fuerza de traccin uniaxial F, que alarga la barra desde una longitud l0 hasta l [1]

Por definicin, la tensin ingenieril sobre la barra es igual a la fuerza F dividida por el rea de la seccin transversal A0 .

=

F A0

(13)

donde () es la tensin ingenieril, en [MPa]; (F) es la fuerza de traccin uniaxial en cualquier momento durante el ensayo, en [N]; (A0) es el rea de la seccin transversal original, en [mm2]. Cuando una fuerza de traccin uniaxial se aplica a una barra, se produce un alargamiento de la barra en la direccin de la fuerza. Dicho desplazamiento se conoce como deformacin. Por definicin, deformacin convencional o ingenieril es la relacin entre el cambio en la longitud de una muestra en la direccin en que se aplica la fuerza y la longitud original de la muestra considerada.

=

li l0 l = l0 l0

(14)

donde () es la deformacin convencional o ingenieril, [mm/mm]; (l) es la elongacin; (l0) es la longitud inicial de la muestra; (li ) es la longitud despus de ser alargada por la fuerza de traccin uniaxial en cualquier momento durante el ensayo. En la prctica industrial es frecuente convertir la deformacin convencional o ingenieril en porcentaje de deformacin o porcentaje de alargamiento [1]. %deformacin = deformacin convencional o ingenieril x 100 = % alargamiento (15)


Pg.41

5.5.

Tensin real, deformacin real

La tensin convencional o ingenieril se calcula dividiendo la fuerza aplicada F a una probeta de traccin por el rea de su seccin inicial. Puesto que la seccin transversal de la muestra cambia continuamente durante el ensayo de traccin, la tensin convencional as calculada no es precisa. Durante el ensayo de traccin y despus de que aparezca la estriccin de la muestra, la tensin convencional disminuye mientras la deformacin aumenta, formndose un mximo en la curva tensin-deformacin convencional. Por tanto, una vez iniciada la estriccin durante el ensayo de traccin, la tensin real es mayor que la tensin convencional. Definiendo la tensin real y la deformacin real mediante:

t =

F Ai

(16)

donde ( t) es la tensin real, en [MPa]; (F) es la fuerza de traccin uniaxial en cualquier momento durante el ensayo, en [N]; (Ai) es el rea de la seccin transversal de la probeta en cualquier momento durante el ensayo, en [mm2].

t = l0

li

l dl = ln i l l 0

(17)

donde (t) es la deformacin real, [mm/mm]; (l0) es la longitud inicial de la muestra; (li) es la longitud despus de ser alargada por la fuerza de traccin uniaxial en cualquier momento durante el ensayo. Considerando que el volumen de la seccin calibrada de la muestra se mantiene constante durante el ensayo, entonces:

li Ai = l0 A0

(18)

t = ln 0 A i

A

(19)

donde (l0) es la longitud inicial de la muestra; (li) es la longitud despus de ser alargada por la fuerza de traccin uniaxial en cualquier momento durante el ensayo; (A0) es el rea transversal inicial de la probeta antes del ensayo; (Ai) es el rea de la seccin transversal de la probeta en cualquier momento durante el ensayo; ( t ) es la deformacin real. En ingeniera, el diseo no se basa en la tensin real hasta fractura, sino hasta que se excede el lmite elstico y el material empieza a deformarse. Los ingenieros utilizan en diseo estructural el lmite elstico convencional del 0,2 % con los coeficientes de seguridad adecuados. No obstante, alguna veces es necesario utilizar las curvas tensin-deformacin real en investigacin [1].

5.6.

Relacin entre las ecuaciones de tensin-deformacin ingenieril y real

La deformacin ingenieril es:

=

l li l0 li l0 = = l0 l0 l0 l0

(20)

Simplificando queda:

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+1 =

li l0

(21)

La deformacin real si la juntamos con la ecuacin simplificada de la deformacin ingenieril queda:

t = l0

li

l dl = ln i = ln( + 1) l l 0

(22)

Considerando que el volumen de la seccin calibrada de la probeta se mantiene constante durante el ensayo, entonces:

li Ai = l0 A0Despejando Ai queda:

Ai =

l0 A0 li

(23)

La tensin real junto con la ecuacin anterior, nos deja la tensin real simplificada de esta forma:

t =5.7.

F li F F = = (1 + ) = (1 + ) Ai l0 A0 A0Efecto de los lmites de grano sobre la resistencia de los metales

(24)

La mayora de las aleaciones de inters en ingeniera son policristalinas. Los monocristales de metal y aleaciones se utilizan principalmente en investigacin y solamente en algunos casos tienen aplicaciones ingenieriles. Los lmites de grano aumentan la resistencia de los metales y aleaciones porque actan como barreras del movimiento de dislocaciones, excepto a temperatura elevada, donde hacen las v

Tecnología de conformado en estado semisólido

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