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LAS ALEACIONES LIGERAS INTRODUCCIÓN No menos que 14 metales puros tienen densidades: 4.5 Magnesio m-3 (véase la tabla 10.1). De éstos, el titanio, el aluminio y el magnesio están en uso común como materiales estructurales. El berilio es difícil de trabajar y es tóxico, pero se utiliza en cantidades moderadas para los protectores de calor y los miembros estructurales en cohetes. El litio se utiliza como elemento de aleación en aluminio para bajar su densidad y para ahorrar el peso en las armaduras de avión. El itrio tiene un sistema excelente de características y, aunque es escaso, puede encontrar eventual usos en el proyecto de propulsión nuclear del avión. Pero la mayoría es inadecuada para el uso estructural porque son químicamente reactivos o tienen puntos de fusión bajos. * La tabla 10.2 demuestra que las aleaciones basadas en el aluminio, el magnesio y el titanio pueden tener una relación consistencia peso y una fuerza peso mejores de los cocientes que los que tiene el acero. *Hay, sin embargo, muchos usos no-estructurales para los metales ligeros. El sodio líquido se utiliza en las cantidades grandes para refrescar los reactores nucleares y en las cantidades pequeñas para refrescar las válvulas de los motores de alto rendimiento de i.c. (conduce calor 143 veces mejor que el agua pero es menos denso, ebulliciones en 883°C, y es seguro mientras se mantenga un sistema sellado). El berilio se utiliza en las ventanas para los tubos de radiografía. El magnesio es un catalizador para las reacciones orgánicas. Y la reactividad del calcio, del cesio y del litio los hace útiles como limpiadores residuales del gas en sistemas del vacío.

No sólo eso; son también resistentes a la corrosión (con el titanio como excepción); son no-tóxicos; y el titanio tiene buenas características de termofluencia. Aunque las aleaciones ligeras fueron desarrolladas originalmente para el uso en la industria aeroespacial, son mucho más ampliamente utilizadas ahora. El uso dominante de las aleaciones de aluminio está en el edificio y la construcción: paneles, tejados, y marcos. El segundo sector más consumidor es la industria del envase y de empaquetado; más abajo se encuentran en cuanto al uso los sistemas del transporte (el sector que más rápido está creciendo, con el aluminio substituyendo el acero y el hierro fundido en coches y sistemas de transporte de masas); y el uso del aluminio como conductor eléctrico. El magnesio es más ligero pero más costoso. Las aleaciones de Titanio son principalmente usadas en los usos aeroespaciales donde se trabaja a temperaturas demasiado altas para el aluminio o el magnesio; pero su resistencia a la corrosión extrema hace atractivo en la ingeniería química, la transformación de los alimentos y bioingeniería. El crecimiento en el uso de estas aleaciones es rápido: casi el 7% por año, más arriba que cualquier otro metal, y sobrepasado solamente por los polímeros. Las aleaciones ligeras derivan su fuerza del endurecimiento por solubilización de la base sólida, del endurecimiento por envejecimiento (o precipitación sólida) y del endurecimiento por medios mecánicos. Ahora examinamos los principales detrás de cada mecanismo que endurece, y los ilustramos dibujando ejemplos de nuestra gama de aleaciones genéricas.

ENDURECIMIENTO POR SOLUBILIZACIÓN DE LA BASE SÓLIDA Cuando otros elementos disuelven en un metal para formar una solución sólida hacen el metal más duro. Los átomos del soluto diferencian de tamaño, consistencia y carga de los átomos solventes. Debido a esto los átomos aleatoriamente distribuidos del soluto obran recíprocamente con las dislocaciones y hacen más difícil para que se muevan. La teoría de endurecimiento por solubilización es algo complicada, pero predice el resultado siguiente para el límite elástico: (10.1) donde C es la concentración del soluto. ξ es un término que representa el “desajuste” entre el soluto y los átomos del solvente. La forma de este resultado es justa qué esperaríamos: los átomos gravemente emparejados harán más duro para que las dislocaciones se muevan que los átomos bien-emparejados; y una población grande de los átomos del soluto obstruirá dislocaciones más que una población escasa. De las aleaciones de aluminio genéricas (véase el capítulo 1, la tabla 1.4), las 5000 series derivan la mayor parte de su fuerza de endurecer de la solución. La fase AIMagnesio el diagrama (higo 10.1) demuestra por qué: en la temperatura ambiente el aluminio puede disolver hasta 1.8 % peso de magnesio en el equilibrio. En la práctica, las aleaciones AI-Magnesio pueden contener tanto como 5.5 % peso de magnesio en la solución sólida en la sobresaturación de la temperatura-uno del sitio de 5 .5-1. 8 = 3.7 % peso. Para conseguir esta sobresaturación la aleación se da la siguiente lista de tratamientos térmicos.

(a) Mantener la Tª a 450Cº(Tratamiento de solubilización”) Esto pone la aleación 5.5% en el campo monofásico (α) y todo el magnesio disolverá en el Aluminio para dar una solución sólida sustitutiva al azar. (b) Enfriar moderadamente rápido hasta la temperatura ambiente El diagrama de fase nos dice que, debajo de 275°C, la aleación 5.5% tiene una estructura bifásica, α+ Mg5Al8 en equilibrio. Si, entonces, enfriamos la aleación lentamente debajo de 275°C, los átomos del magnesio y de aluminio difunden junto a los precipitados de la forma del compuesto intermetálico Mg5Al8 . Sin embargo, debajo de 275°C, la difusión es lenta y la curva de la C para la reacción de la precipitación bien encima a la derecha (fig 10.2). Por tanto si enfriamos la aleación 5.5% moderadamente rápido perderemos la nariz de la curva de la C. No se tomará magnesio de la solución como Mg5Al8, y terminaremos con una solución sólida sobresaturada a la temperatura ambiente. Como la tabla 10.3 demuestra, este magnesio sobresaturado da un aumento substancial en el límite elástico. El endurecimiento por solubilización no se confina a las aleaciones de aluminio de serie5000. Las otras series de la

Pag 95 la aleación tienen todas elementos disueltos en la solución sólida; y son toda la solución consolidada a un cierto grado. Pero la mayoría de las aleaciones de aluminio deben su fuerza a los precipitados finos de compuestos intermetálicos, y la solución que consolida no es tan dominante en la serie 5000. Volviendo a las otras aleaciones ligeras, la aleación de titanio más ampliamente utilizada (Ti-6 AI4V) es dominada por el endurecimiento por solubilización (el Ti disuelve con eficacia cerca de 7 % peso de Al, y tiene solubilidad completa para V). Finalmente, las aleaciones del magnesio pueden ser solución consolidada con Li, el Al, el AG y el Zn, que disuelven en el magnesio entre 2 y 5 % peso. EL ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO (PRECIPITACIÓN) Cuando el diagrama de fase para una aleación tiene la forma mostrada en la figura 10.3 (una solubilidad sólida que disminuye marcadamente conforme a la temperatura), entonces el potencial para el endurecimiento por envejecimiento (o precipitación) existe. El ejemplo clasico es el de los Duraluminios, ó de la serie 2000 aleaciones de aluminio, que contienen el cobre del cerca de 4%. Pag 96 El diagrama de fase del Al-Cu nos dice que, entre 500°C y 580°C, la aleación del Cu del 4% sea monofásico: el Cu disuelve en el Al para dar la solución sólida sustitutiva al azar α. Debajo de 500°C la aleación incorpora el campo bifásico de α + CuAl2. conforme la temperatura disminuye la cantidad CuAl2 y a temperatura ambiente la mezcla del equilibrio es 93 % peso a + 7 % peso de CuAl2. La figura lO.4 (a) demuestra la microestructura que conseguiríamos " enfriando una aleación del Cu de Al-4 % peso lentamente de 550°C a la temperatura ambiente. En enfriamiento lento la fuerza impulsora para la precipitación de CuAl2. es pequeño y la velocidad de nucleación es baja (véase la figura 8.3). Para conseguir el equilibrio de CuAl2. que los pocos núcleos que forma crecen en los precipitados grandes de CuAl2 bien espaciados. Las dislocaciones móviles evitan los precipitados y la aleación es algo más blanda. Si, por otra parte, enfriamos la aleación algo más rápidamente, nosotros producimos una estructura mucho más fina (fig. lO.4b). Porque la fuerza directriz es grande la velocidad o grado de nucleación es alto (véase la figura 8.3). Los precipitados, aunque pequeños, están muy poco espaciados: consiguen forma de dislocaciones móviles de manera que hacen la aleación más dura. Hay límites en el endurecimiento por precipitación que se puede producir por enfriamiento directo: ¡si la velocidad de enfriamiento es demasiado alta perderemos la nariz de la curva de la C para la reacción de la precipitación

Pag 97 fig 10.5. Diagrama del TIT para la precipitación de CuAl2 del Al de + solución del sólido del Cu 4 % peso. Observar que la solubilidad del equilibrio del Cu en Al ala temperatura ambiente es solamente 0.1 % peso (véase la figura 10.3). La solución

enfriada rapidamente por lo tanto está llevando 4/0.1 = 40 veces ḿas Cu del que se quiere

y no conseguiremos ningunos precipitados en absoluto! Pero los aumentos grandes en el límite elástico son posibles si endurecemos por envejecimiento la aleación. Para endurecer por envejecimiento nuestra aleación de Cu de AI-4 % peso utilizamos la siguiente lista de tratamientos térmicos en. (a) Calentamiento a la Tª de solución a 550°C. Esto emplea todo el Cu en la solución sólida. (c) Enfriar rápidamente a la temperatura ambiente enfriando en el agua o el aceite (“baño de enfriamiento rápido”). * perderemos la nariz de la curva de la C y terminaremos con una solución sólida altamente sobresaturada a la temperatura ambiente (fig. 10.5). (d) Mantener en 150°C por 100 horas (“envejecimiento”).Como la fig. 10.5 demuestra, la α sobresaturada transformarán a la mezcla del equilibrio de saturada α + CuAl2. Pero se hará bajo fuerza directriz muy alta y dará una estructura muy fina (y muy fuerte). Cuadro 10.5, como tenemos exhausto, está sobresimplificado. Porque la transformación está ocurriendo en una baja temperatura, donde no están muy móviles los átomos, no es forthe fácil CuAlz a separarse hacia fuera en uno va. En lugar, la transformación ocurre en cuatro etapas distintas. Éstos se demuestran en los higos 10.6 (a) - (e). La progresión puede aparecer algo implicada pero es una buena ilustración de mucho del material en los capítulos anteriores. Más importantIy, cada etapa de la transformación tiene un efecto directo en la fuerza de la producción.

Pag99 Fig. 10.6. Etapas en la precipitación de CuAl2. El GP con forma de disco por zonas (b) nuc1eación homogéneo en zonas de la solución sólida sobresaturada (a). Las caras del disco son perfectamente coherentes con la matriz. Los bordes del disco son también coherentes, pero con una tensión grande de la coherencia. (e) Algunas de las zonas del GP vienen los precipitados de la forma llamados θ’’. ¡(Las zonas restantes del GP disuelven y transfieren el Cu al creciente! por la difusión a través del disco de la matriz.) las caras son perfectamente coherentes. Los bordes del disco son coherentes, ¡pero el desajuste de los parámetros de red entre el θ’’ y la matriz del Al genera la tensión de la coherencia. (d) Los precipitados llamados θ’ forman núcleos en las dislocaciones de la matriz. ¡Los θ’’ precipitados son todos disueltos y transfieren el Cu al θ’ creciente '. Las caras del disco siguen siendo perfectamente coherentes con la matriz. Pero los bordes del disco son incoherentes ahora. Ninguno de los dos bordes nar de las caras demuestra la tensión de coherencia, pero por diversas razones. (e) El equilibrio CuAl2 (θ) forma núcleos en los límites de grano y en la matriz θ. Los

θ’precipitados son todos disueltos y transfieren el Cu al θ cada vez mayor. El CuAl2 es totalmente incoherente con la matriz (véase la estructura en la fig2.3). Debido a esto crece como redondeado más bien que las partículas con forma de disco.

Pag 100 Cuatro mecanismos de endurecimiento están presentes en el trabajo de envejecimiento: (a) Endurecimiento por solución sólida Al principio del envejecimiento la aleación es consolidada sobre todo por los 4 % peso del cobre que está atrapado en el α sobresaturado. Pero cuando el GP divide la forma en zonas, casi todo el Cu se quita de la solución y la solución que consolida desaparece virtualmente (fig.10.7). Fig. 10.7.El límite elástico de la aleación de 4%peso de Cu enfriada cambia bruscamente a la Tª de 150ºC

b) Endurecimiento por tensión de la coherencia. Las deformaciones de la coherencia alrededor de las zonas del GP y precipitados de θ’’ generan las tensiones que ayudan a prevenir el movimiento de la dislocación. Las zonas del GP dan el mayor endurecimiento.(Fig 10.7). (c) Endurecimiento por precipitación Los precipitados pueden obstruir las dislocaciones directamente. Pero su eficacia es limitada por dos cosas: las dislocaciones pueden o cortar a través los precipitados, o pueden rodear alrededor de ellos (Fig 10.8). La resistencia al corte depende de un número de factores, de los cuales la resistencia al cizallamiento de la red cristalina del precipitado es solamente una. De hecho la tensión del corte aumenta con el tiempo del envejecimiento (higo 10.7).

Pag101 El arqueado es más fácil cuando los precipitados están muy separados durante el envejecimiento el espaciamiento del precipitado aumentos a partir de 10 nm a 1 μm y más allá (Fig.10.9). La tensión de arqueamiento por lo tanto disminuye con el tiempo del envejecimiento (higo 10.7).

Los cuatro mecanismos endurecedores se agregan hasta conseguir una variación total del límite elástico demostrada en la figura 10.7.La fuerza máxima de la transformación es alcanzada cuando detenemos la transformación en θ’’.Si la aleación se envejece más que la fuerza disminuirá; y la única manera de recuperar la fuerza de la aleación sobreenvejecida es un tratamiento de solución a 550°C, enfriamiento, y comenzar otra vez! Si la aleación no se envejece durante el tiempo suficiente, después no alcanzará fuerza máxima; pero esto se puede arreglar aumentando el tiempo de envejecimiento. Aunque hemos elegido envejecer nuestra aleación a 150°C, habríamos podido, de hecho, envejecerlo en cualquier temperatura debajo de 180°C (véase la figura 10.10). Cuanto más baja es la temperatura del envejecimiento, más largo es el tiempo requerido para conseguir dureza máxima. En la práctica, el tiempo del envejecimiento debe ser suficientemente largo porque da buen control operación del tratamiento térmico sin ser demasiado largo (y costoso). Higo 10.9. El aumento gradual del espaciamiento de la partícula con tiempo del envejecimiento

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Higo 10.10. Diagrama detallado del TTT para la aleación del Cu de AI-4 % peso. Conseguimos fuerza máxima envejeciendo θ’’. Cuanto más baja es la temperatura del envejecimiento, más largo es el tiempo del envejecimiento. Observar que las zonas del GP no forman sobre 180°C: si envejecemos sobre esta temperatura no podremos conseguir el valor máximo de la fuerza de la producción. Finalmente la tabla 10.4 demuestra que el cobre no es el único elemento de aleación que puede endurecer por envejecimiento el aluminio. El magnesio y el titanio pueden ser endurecidos por envejecimiento, pero no tanto como el aluminio.

ENDURECIMIENTO POR MECANIZADO El aluminio puro de comercialización (serie 1000) y las aleaciones no tratables térmicamente del aluminio (series 3000 y 5000) son generalmente endurecidas por mecanizado. El endurecimiento por mecanizado se impone a cualquier método de endurecimiento, para dar la fuerza adicional considerable (tabla 10.5).

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El endurecimiento por mecanizado se consigue en la laminación en frío. Los aumentos de la fuerza de la producción con la tensión (reducción en grueso) según: σy = A·ξn donde A y n son constantes Para las aleaciones de aluminio, n oscila entre 1/6 y 1/3. ESTABILIDAD TÉRMICA El aluminio y el magnesio funden justo sobre temperatura de 900 K. La temperatura ambiente es 0.3· Tm, y 100°C corresponde a 0.4· Tm. La difusión substancial puede ocurrir en estas aleaciones que si se utilizan por períodos largos en las temperaturas que se acercan a 80-100°C. Varios procesos pueden ocurrir para reducir el límite elástico: pérdida de solutos de la solución sólida sobresaturada, sobre-envejecimiento de precipitados y recristalización de microestructuras de aleaciones laminadas en frío(endurecidas por mecanizado). Esta carencia de la estabilidad térmica tiene algunas consecuencias interesantes. Durante vuelo supersónico, el calentamiento por fricción puede calentar la capa exterior de un avión a 150°C. debido a esto, Rolls Royce tuvo que desarrollar una aleación de aluminio endurecida por envejecimiento especial (RR58) que no sobreenvejece durante el curso de la vida del Avión de pasajeros supersónico de Concorde. Cuando los cables del aluminio se sujetan a las barras de distribución de cobre el calentamiento de la resistencia del contacto de los circuitos conduce a la interdifusion del Cu y el Al., las placas frágiles de CuAl2 formadas, que pueden conducir a fallos en las juntas; y cuando se sueldan con las aleaciones ligeras, las características de la zona afectada por el calor están generalmente bien debajo de las del metal de padre.