Capitulo 6 metalurgia fisica y mecanica
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Este documento describe los diferentes mecanismos de endurecimiento en los materiales, enfocándose en el endurecimiento por precipitación. Explica las etapas del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación, incluyendo la solubilización, temple y envejecimiento. También describe cómo factores como el tiempo, la temperatura y la composición afectan la curva de envejecimiento y la formación de precipitados en una aleación.
Capitulo 6 metalurgia fisica y mecanica
- 2. 1. INTRODUCCIÓN Actualmente los materiales son sometidos a altas exigencias, por ello se requiere que los materiales tengas las propiedades requeridas para cumplir los estándares exigidos. Del punto de vista mecánico, se necesitan materiales con elevadas resistencia y ductilidad. El presente capitulo expondrá brevemente los mecanismos para aumentar la resistencia de los materiales. • Por disminución tamaño de grano • Por solución sólida • Por deformación • Por dispersión de partículas de segunda fase Por precipitación Por dispersión
- 3. 1. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
- 4. Wilm 1906 descubrió el endurecimiento por envejecimiento La aleación de Wilm fue producida comercialmente en 1911 con el nombre de DURALUMINIO (4,4 % Cu, 1,5 % Mg, o,6 % Mn resto Al) Merica dedujo acertadamente que la fuente del aumento de dureza venía de la aparición de precipitados submicroscópicos
- 5. Andrés Guinier George Preston
- 6. Etapas del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación a)Tratamiento térmico (solubilización) La muestra, que puede estar en forma de fundición o forja, se calienta a una temperatura entre la línea solvus y solidus (Tα), Se deja el metal a esta temperatura hasta obtener una solución sólida homogénea y uniforme en la disolución sólida
- 7. b) Temple La muestra se enfría rápidamente a baja temperatura, generalmente a temperatura ambiente y el medio de enfriamiento habitualmente es agua. La estructura de la muestra de aleación después del temple en agua, consiste en una disolución sólida sobresaturada
- 8. c) Envejecimiento Primero, es necesario formar los orígenes de precipitados finamente dispersos, proceso llamado nucleación. Siguiendo la nucleación, los nucleos de precipitados crecen en tamaño como resultado de la difusión del elemento B desde los alrededores hacia las partículas nucleadas. Esto se denomina crecimiento. No puede producirse precipitación hasta que comienza la nucleación, pero una vez comenzada ésta, la solución sólida puede perder átomos B en dos formas, bien por el crecimiento de las partículas ya formadas o en la formación de núcleos adicionales. En otras palabras, la nucleación puede continuar simultáneamente con el crecimiento de las partículas previamente formadas.
- 9. La precipitación, generalmente requiere un tiempo determinado antes de ser detectable (periodo de incubación, t0 ) t 0 representa el tiempo necesario para formar núcleos estables visibles. La curva muestra también que el proceso de precipitación Cantidad de precipitado como una termina muy lentamente, un función del tiempo de una aleación Fe-C efecto que debe esperarse en (0,018% C) dejada precipitar desde una solución sobresaturada a 76ºC vista de la pérdida continuada de soluto desde la solución.
- 10. La velocidad a la que se produce la precipitación varía con la temperatura: Tiempo para formar 100% de precipitado en una aleación sobresaturada.
- 11. A temperaturas bajas, se requiere tiempos más largos para completar la precipitación debido a que la velocidad de difusión es muy lenta. Aquí, la velocidad de la reacción es controlada por la velocidad a que pueden emigrar los átomos. La velocidad de precipitación es muy lenta también a temperaturas justamente por debajo de la línea de solubilidad . En este caso, la solución sólo está ligeramente sobresaturada y la disminución en la energía libre resultante de la precipitación es muy pequeña. En consecuencia, la nucleación es lenta y la precipitación es controlada por la velocidad a la cual se forman los núcleos. A temperaturas intermedias, entre los dos extremos antes mencionados, la velocidad de precipitación aumenta a lo máximo, así que el tiempo para completar la precipitación es muy corto. En este rango, la combinación de difusión y nucleación moderadas, forman una rápida precipitación.
- 12. Efecto del tiempo de envejecimiento sobre la resistencia y la dureza de una aleación Cambio en la dureza durante el tratamiento de envejecimiento. La aleación es hierro 0,015% C, y la temperatura de envejecimiento 90ºC.
- 13. Esquema de la curva de envejecimiento (resistencia o dureza frente al tiempo) a una temperatura determinada para una aleación endurecible por precipitación
- 14. Efecto de la temperatura de envejecimiento sobre la resistencia o dureza de una aleación La forma de la curva de envejecimiento es primordialmente una función de dos variables: la temperatura a la que ocurre el envejecimiento y la composición del metal. Efecto de la temperatura sobre las curvas de envejecimiento durante el endurecimiento por precipitación de una acero de 0,06% de C.
- 15. Efecto de la composición sobre la curva de envejecimiento: - Para bajas concentraciones de soluto, el grado de sobresaturación es pequeño, por lo tanto menor es la fuerza impulsora, lo que dificulta la nucleación de la segunda fase y el endurecimiento ocurre lentamente a temperaturas constantes, por lo tanto menor será la dureza máxima que se puede obtener. - El aumento de la concentración de soluto hace posible una dureza máxima mayor, para una temperatura de envejecimiento dada. A más soluto disponible, mayor cantidad de precipitado se forma a tiempos menores, ya que aumenta la velocidad de nucleación y de crecimiento. La velocidad de nucleación se eleva debido a la gran diferencia de energía libre entre los estados sobresaturados y de equilibrio
- 16. Nucleación de precipitados Nucleación Heterogénea: Una partícula de precipitado puede ser nucleada en un defecto reticular interno tal como: dislocaciones, nudos de dislocación (intersección de dos o más dislocaciones), partículas de impureza, o discontinuidades en los límites de granos. Nucleación Homogénea: Es la formación espontánea de núcleos a través de las fluctuaciones de composición de soluto que se agrupan en la red de la matriz y comienza el crecimiento de una partícula de segunda fase en que de otra forma sería un cristal perfecto. La dificultad principal en el modo de formar núcleos homogéneamente se relaciona con la superficie que debe crearse cuando se nuclea una partícula de segunda fase.
- 17. En general, el cambio de energía libre requerida para formar un núcleo sólido esférico puede expresarse como: ∆G (r ) = ∆G v ( α →β) + γ α →β + ∆G ε La condición necesaria para la formación de un núcleo estable es: ∂∆G (r ) ≤0 ∂r Supongamos el crecimiento de un núcleo esférico: ∆G (r ) = − A1 r 3 + A2 r 2
- 18. Energía libre de una partícula de precipitado en función de su radio
- 19. Efecto de la temperatura de precipitación sobre la energía libre de una partícula de precipitado en función de su radio
- 20. Zonas de Guinier-Preston Una aleación en la condición de solución sólida sobresaturada se encuentra en un estado de energía elevado. Este estado de energía es relativamente inestable y la aleación tiende a buscar un estado de menor energía por la descomposición espontánea de la solución sobresaturada en fases metaestables o en fases de equilibrio.
- 21. Precipitación en aleaciones Al – 4% Cu La secuencia del tratamiento térmico para el endurecimiento de la aleación es: Tratamiento térmico de solubilización: la aleación se solubiliza aproximadamente a 515 ºC. Temple: la aleación se enfría rápidamente en agua. Envejecimiento: se envejece artificialmente en el intervalo de temperatura entre 130 y 190 ºC
- 22. En esta aleación se pueden identificar cuatro estructuras secuenciales: α 0 → α1 + zonas GP → α 2 + θ " → α 3 + θ ` → α 4 + θ
- 23. Zonas GP: precipitados tetragonales coherentes que se forman a bajas temperaturas y se crean por la segregación de átomos de Cu en la solución sobresaturada α. Consisten en regiones segregadas en forma de discos de pocos átomos de espesor (0,4 – 0,6 nm) y de 8 a 10 nm de diámetro Zonas GP2 (fase θ”): estructuras tretragonal, coherentes con la familia de planos 100 de la matriz. Su tamaño varía entre 1 4 nm de espesor y un diámetro entre 10 y 100 nm. Fase θ` : esta fase tretagonal nuclea heterogéneamente, especialmente en las dislocaciones y es incoherente con la matriz. El espesor es de 10 a 50 nm Fase θ: la fase de equilibrio es incoherente con la matriz y tiene una composición CuAl2 Esta fase tiene una estructura BCT (a = 0,607 nm, c = 0,487 nm) y se forma a partir de θ` o directamente de la matriz.
- 24. Comparación esquemática de (a) un precipitado coherente y (b) un precipitado incoherente. El precipitado coherente va asociado a una elevada energía de deformación y baja energía superficial y el incoherente va asociado a una baja energía de deformación y una elevada energía superficial
- 26. (a) La barrera de energía de activación para la formación de cada fase de transición es menor comparada con la energía de activación necesaria para formar directamente el precipitado estable (b) Diagrama esquemático de la energía libre de la aleación en función del tiempo
- 27. Micrografías mostrando los sitios de nucleación en en aleaciones Al – Cu (α)θ” θ`, θ` nuclea en las dislocaciones (x 70000) (b) θ nuclea en los borde de grano de las zonas GP (x 56000) (c) θ` θ, θ nuclea in la interfase θ`/matriz (x 70000)
- 28. (a) Líneas solvus metaestables el aleaciones Al – Cu (b) Tiempo para comenzar la precipitación a diferentes temperaturas de la aleación X
- 29. Endurecimiento versus tiempo para varias aleaciones Al-Cu (a)130 ºC (b) 190 ºC
- 30. Mecanismos de endurecimientos la dureza es inversamente proporcional al espacio medio entre precipitados. La dureza disminuye si el precipitado crece durante el envejecimiento La dureza aumenta cuando aumenta el porcentaje de soluto en la aleación y el volumen del precipitado. En general, puede decirse que el aumento en la dureza es sinónimo del aumento en la dificultad de mover las dislocaciones.
- 31. Se puede dividir la interacción partícula dislocación: - Enlazar partículas - Cortar Partículas Enlazar partículas
- 32. Cortar Partículas Energía intercaras Energía de antifase: 100-300 ergs/cm2 Energía de fase coherente: 10-30 ergs/cm2 1 erg dina por centímetro 1 erg = 10−7 joule
- 33. Ejercicio 1: ¿Cómo se explican los siguientes gráficos?
- 34. Densidad Al = 2,7 g/cm3 ACERO SAE 1020 ACERO SAE 1040 Esfuerzo de fluencia = 294 Mpa (42750 psi) Esfuerzo de fluencia = 353 Mpa (51250 psi) Esfuerzo Máximo = 394 Mpa (57200 psi) Esfuerzo Máximo = 519 Mpa (75250 psi) Densidad = 7.87 g/cm3 Densidad = 7.87 g/cm3
- 35. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN Son un tipo especial de materiales los cuales contienen sólidos en dispersión (dispersoides). DISPERSOIDE: partículas que bloquean el movimiento de las dislocaciones. Aumentan el endurecimiento. (óxidos metálicos). Característica: Baja solubilidad en la matriz no reaccione químicamente. No existe redisolución de los precipitados 20μm. Microstructures of Al2O3/Cu composite with different contents of Al2O3 (a) 0.4 wt% Documento a revisar: http://cabierta.uchile.cl/revista/6/al2o3-of.htm
- 37. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA La introducción de un átomo dentro de la estructura cristalina (intersticial o subsitucionalmente) invariantemente produce una aleación la cual presenta mayor resistencia que el metal puro. Efectos: Efecto de la diferencia de tamaños atómicos. La dureza varía directamente con la diferencia de tamaños entre el átomo solvente y soluto. Distribución de los átomos en solución. Cluster Si el deslizamiento produce un incremento en la energía superficial, se requerirá un 2 Dislocaciones mayor esfuerzo para realizar este deslizamiento.
- 38. Distribución de los átomos en solución. Strain Aging Atmósferas de Cotrell
- 40. ENDURECIMIENTO POR TAMAÑO DE GRANO La mayoría de los materiales siguen la relación de Hall-Petch, dada por la ecuación siguiente, donde σys es el esfuerzo de fluencia con un tamaño de grano pequeño, σ0 el esfuerzo de fluencia con un tamaño de grano grande, d el tamaño de grano y K una constante. σ ys = σ 0 + Kd −1 / 2 1. E.O.Hall, Proc. Phys. Soc., Ser. B, Vol. 64, pp. 747-753, (1951). 2. N.J.Petch, J. Iron and Steel Institute, pp. 25-28, May 1953.
- 41. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN Endurecimiento por deformación es un importante proceso industrial que es usado para endurecer metales o aleaciones que no responden a tratamientos térmicos. Ao = área inicial Af = área final