¿Qué son los mecanismos de fortalecimiento de las aleaciones de aluminio? Definición

Las aleaciones de aluminio se basan en aluminio, en el que los principales elementos de aleación son Cu, Mn, Si, Mg, Mg + Si, Zn. Las aleaciones de aluminio que contienen elementos de aleación con una solubilidad sólida limitada a temperatura ambiente y con una fuerte dependencia de la solubilidad del sólido con la temperatura (por ejemplo, Cu) pueden reforzarse mediante un tratamiento térmico adecuado (endurecimiento por precipitación). La resistencia de las aleaciones comerciales de Al tratadas térmicamente supera los 550 MPa.

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio dependen en gran medida de su composición de fase y microestructura. Se puede lograr una alta resistencia, entre otras cosas, mediante la introducción de una fracción de gran volumen de partículas finas de segunda fase distribuidas homogéneamente y mediante un refinamiento del tamaño de grano. En general, las aleaciones de aluminio se caracterizan por una densidad relativamente baja (2,7 g/cm³ en comparación con 7,9 g/cm³ del acero), conductividades eléctricas y térmicas elevadas y resistencia a la corrosión en algunos entornos habituales, incluida la atmósfera ambiental. La principal limitación del aluminio es su baja temperatura de fusión (660°C), que restringe la temperatura máxima a la que se puede utilizar.

Fortalecimiento de los mecanismos de las aleaciones de aluminio

La resistencia de las aleaciones de aluminio se puede modificar mediante varias combinaciones de trabajo en frío, aleación y tratamiento térmico. Por ejemplo, una microestructura con granos más finos generalmente da como resultado una resistencia más alta y una tenacidad superior en comparación con la misma aleación con granos físicamente más grandes. En el caso del tamaño de grano, también puede haber una compensación entre las características de resistencia y fluencia. Se consiguen otros mecanismos de refuerzo a expensas de una menor ductilidad y tenacidad.

• Endurecimiento en solución sólida (aleación). Los átomos de diferentes elementos disueltos en la fase de matriz pueden conducir a su fortalecimiento mediante el fortalecimiento de la solución sólida. El soluto puede incorporarse en la red cristalina del disolvente de forma sustitutiva, sustituyendo una partícula de disolvente en la red, o intersticialmente, encajando en el espacio entre las partículas de disolvente. Esto impone deformaciones reticulares a los átomos circundantes, lo que da como resultado un campo de deformaciones reticulares. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del solvente. El manganeso y el magnesio son ejemplos de elementos que se agregan al aluminio con el propósito de fortalecerlo. El fortalecimiento de la solución sólida ocurre en las aleaciones 3xxx y 5xxx mediante la adición de manganeso (3xxx) y magnesio (5xxx) al aluminio.
• Endurecimiento por deformación (trabajo en frío). El endurecimiento por deformación también se denomina endurecimiento por trabajo o el trabajo en frío es un método de reforzamiento que se utiliza a menudo en materiales cuya resistencia no puede aumentarse mediante tratamiento térmico, por ejemplo, mediante cambios en su composición de fase. Se llama trabajo en frío porque la deformación plástica debe ocurrir a una temperatura lo suficientemente baja como para que los átomos no puedan reorganizarse. Es un proceso de hacer un metal más duro y más fuerte a través de la deformación plástica. Cuando un metal se deforma plásticamente, las dislocaciones se mueven y se generan dislocaciones adicionales. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. La densidad de la dislocación en un metal aumenta con la deformación o el trabajo en frío debido a la multiplicación de la dislocación o la formación de nuevas dislocaciones. Cuantas más dislocaciones haya dentro de un material, más interactuarán y se enredarán o enredarán. Esto dará como resultado una disminución de la movilidad de las dislocaciones y un fortalecimiento del material. El trabajo en frío implica la reducción del espesor de un material. La placa y la hoja de diferentes espesores se producen mediante laminación en frío. Los alambres y tubos de diferentes diámetros y espesores de pared se producen por trefilado. Todas las aleaciones de aluminio pueden reforzarse mediante trabajo en frío.
• Precipitación (edad) Endurecimiento. El endurecimiento por precipitación, también llamado endurecimiento por envejecimiento o endurecimiento por partículas, es una técnica de tratamiento térmico basada en la formación de partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas (precipitados) de una segunda fase dentro de la matriz de fase original para mejorar la resistencia y dureza de algunas aleaciones metálicas. Las partículas de la segunda fase presentan otro tipo de obstáculos para el movimiento de dislocación. La presencia de una partícula de segunda fase representa una distorsión en la red de la matriz. Por lo tanto, los obstáculos que impiden el movimiento de dislocación son el campo de deformación alrededor de las partículas de la segunda fase o las propias partículas de la segunda fase o ambas. El endurecimiento por precipitación se utiliza para aumentar el límite elástico de los materiales maleables, incluidas la mayoría de las aleaciones estructurales de aluminio, magnesio, níquel, titanio y algunos aceros yaceros inoxidables. En las superaleaciones, se sabe que provoca anomalías en el límite elástico, lo que proporciona una excelente resistencia a altas temperaturas. En el caso de las aleaciones de aluminio, el reforzamiento por precipitación puede incrementar el límite elástico del aluminio desde aproximadamente cinco hasta aproximadamente quince veces el del aluminio sin alear. Especialmente la serie 2xxx, que está aleada con cobre, puede endurecerse por precipitación hasta obtener resistencias comparables al acero. En términos de endurecimiento por envejecimiento, las aleaciones de aluminio-cobre recocidas en solución se pueden envejecer naturalmente a temperatura ambiente durante cuatro días o más para obtener propiedades máximas como dureza y resistencia. Este proceso se conoce como envejecimiento natural. El proceso de envejecimiento también puede acelerarse a cuestión de horas después del tratamiento de la solución y templado calentando la aleación sobresaturada a una temperatura específica y manteniéndola a esa temperatura durante un tiempo específico. Este proceso se llama envejecimiento artificial.
• Endurecimiento por dispersión. El endurecimiento por dispersión implica la inclusión de partículas pequeñas y duras en el metal, lo que restringe el movimiento de las dislocaciones y, por lo tanto, aumenta las propiedades de resistencia. Es, en muchos sentidos, muy similar al endurecimiento por envejecimiento. La diferencia radica en los propios precipitados: las partículas se eligen por su estabilidad térmica, es decir, su resistencia al engrosamiento o crecimiento de partículas a altas temperaturas. Las partículas dispersoides influyen en la estructura del grano. El aumento de resistencia se debe a la estructura de grano formada como resultado de la presencia de dispersoides.
• Refinamiento de grano (tamaño de grano pequeño). El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. La disminución del tamaño de grano también es una forma eficaz de aumentar la ductilidad. Cuando se reduce el tamaño de grano, hay más granos con un mayor número de planos de deslizamiento alineados arbitrariamente para las dislocaciones en los granos. Esto brinda más oportunidades para que se produzca algún deslizamiento en un material sometido a tensión. Por tanto, el refinamiento del grano proporciona un medio importante para mejorar no solo la resistencia, sino también la ductilidad y la tenacidad. Muchos otros mecanismos de fortalecimiento se logran a expensas de la ductilidad y la tenacidad.

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Aleaciones de aluminio