Estructura cristalina y comportamiento de deformación del aluminio.
El aluminio cristaliza en la red cúbica centrada en la cara-. Esa estructura proporciona doce sistemas de deslizamiento independientes - cuatro planos -compactos {111}, cada uno de los cuales contiene tres direcciones -compactas -, que es la razón fundamental por la que el aluminio se deforma de forma dúctil y homogénea en lugar de fallar abruptamente. La densidad de la red de 2,70 g/cm3 es aproximadamente un tercio de la del acero, por lo que una sección de igual volumen de aluminio pesa aproximadamente un 65 % menos, y esta es la propiedad que gobierna la selección del material siempre que la masa sea el factor determinante del diseño.
El aluminio también tiene una alta energía de falla de apilamiento, por lo que las dislocaciones parciales se recombinan fácilmente y las dislocaciones de los tornillos-se deslizan fácilmente a temperatura ambiente. De ello se derivan dos consecuencias prácticas: la recuperación es rápida, por lo que el metal trabajado en frío se ablanda rápidamente durante el recocido, y el deslizamiento es ondulado en lugar de plano, lo que produce una estructura celular de dislocación y un rápido aumento de la tensión de flujo a medida que se acumula la tensión.
Tamaño de grano, dislocaciones y fuentes de resistencia
El aluminio forjado nunca se refuerza con un solo mecanismo. El diseño de la aleación consiste en combinar los mecanismos disponibles para que se alcance la resistencia requerida sin destruir la conformabilidad ni la resistencia a la corrosión:
Fortalecimiento de solución sólida.- magnesio, manganeso, cobre y silicio disueltos en la matriz distorsionan la red e impiden el movimiento de dislocación. Este es el mecanismo principal de la familia 5xxx.
Endurecimiento por trabajo- la única ruta práctica de fortalecimiento para aleaciones 1xxx, 3xxx y 5xxx no-tratables térmicamente-, controladas mediante designaciones de temple.
Endurecimiento por precipitación- la ruta principal para las aleaciones 2xxx, 6xxx y 7xxx, donde partículas coherentes o semi-coherentes bloquean el deslizamiento.
Fortalecimiento de la dispersión- partículas incoherentes como Al20Cu2Mn3, Al6Mn y Al12Mg2Cr fijan los límites de grano y subgrano y controlan la recristalización.
Refinamiento de granos- un tamaño de grano más fino aumenta el límite elástico a través de la relación Hall-Petch y mejora la tenacidad; El tamaño del grano se mide de acuerdo con ASTM E112.
Endurecimiento por precipitación en las aleaciones 7xxx
La familia Al-Zn-Mg-Cu proporciona la mayor resistencia de cualquier aleación de aluminio forjado comercial, y su comportamiento se comprende mejor a través de la secuencia de precipitación: solución sólida sobresaturada, luego zonas de Guinier-Preston, luego la fase primaria eta-metaestable y, finalmente, la fase eta estable (MgZn2).
zonas GPse forman durante el envejecimiento natural a temperatura ambiente y proporcionan un aumento temprano de la resistencia.
Eta-principalEs la fase coherente que produce la fuerza máxima. El envejecimiento hasta el temple T6 en una aleación tipo 7075 alcanza resistencias a la tracción de aproximadamente 570 MPa.
sobreenvejecimientoa T73 o T76 aumenta la fase eta estable y sacrifica aproximadamente entre un 10 y un 15 % de la resistencia, a cambio de una resistencia notablemente mejor al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Ese comercio es esencial para piezas críticas en servicio húmedo o dinámico y se evalúa utilizando métodos como ASTM G47.
Retrogresión y re-envejecimientodisuelve brevemente los precipitados de los límites de grano y luego re-reenvejece el material, restaurando la mayor parte de la resistencia máxima y al mismo tiempo reteniendo la estructura discontinua de los límites de grano que brinda resistencia a la corrosión.
Las adiciones de circonio y cromo forman dispersoides Al3Zr y Al18Mg3Cr2 durante la homogeneización. Estas partículas son incoherentes o semi-coherentes y evitan la recristalización, por lo que la textura forjada y la dureza asociada se conservan mediante el tratamiento con solución.
Escandio y circonio: diseño dispersoide coherente
La adición de aproximadamente un 0,2 % de escandio a una masa fundida de aluminio forma partículas de Al3Sc al solidificarse. Al3Sc tiene la estructura L12, es coherente con la matriz de aluminio y es un refinador de grano extremadamente eficaz: el tamaño del grano fundido cae a unos pocos micrómetros y la recristalización se suprime fuertemente porque las partículas marcan los límites durante el trabajo en caliente.
El circonio se sustituye en la red de Al3Sc para formar un precipitado de núcleo-al3(Sc,Zr) que resiste el engrosamiento hasta aproximadamente 300-350 C, lo que extiende la temperatura de servicio útil muy por encima de la de las aleaciones convencionales 2xxx y 7xxx. Los productos forjados de Al-Mg-Sc y Al-Zn-Mg-Sc alcanzan límites elásticos desde aproximadamente 300 MPa hasta aproximadamente 550 MPa dependiendo de la matriz y el temperamento, al tiempo que conservan una buena soldabilidad y mantienen la mayoría de sus propiedades en toda la zona afectada por el calor. Esa combinación explica su uso en estructuras aeroespaciales y en polvos de fabricación aditiva, donde una estructura de grano fina y térmicamente estable es esencial para un comportamiento consistente en el baño de fusión.
Comportamiento a temperaturas elevadas y aleaciones de fundición
El diseño de aluminio a alta-temperatura es esencialmente una batalla contra el engrosamiento de las partículas. Los dispersoides como Al3(Sc,Zr) y Al20Cu2Mn3 permanecen estables muy por encima de la temperatura de envejecimiento y continúan marcando límites; los refinadores de granos de boruro de titanio y carburo de titanio suprimen el crecimiento de granos durante la solidificación y el tratamiento de solución; y en las aleaciones de fundición de Al-Si, la modificación con estroncio refina el silicio eutéctico de plaquetas gruesas a una morfología fibrosa fina, lo que aumenta considerablemente la ductilidad y la resistencia a la fatiga. La resistencia a la fluencia a temperaturas más altas depende de intermetálicos térmicamente estables formados con adiciones de manganeso, níquel, circonio o tierras raras en lugar de la morfología del silicio, y el comportamiento de fluencia y ruptura por tensión se caracteriza con los métodos de prueba ASTM e ISO aplicables.
Diseño de aleación computacional
El desarrollo de aleaciones modernas se guía por la simulación antes de fundir un lingote. Las bases de datos termodinámicas de CALPHAD predicen los equilibrios de fases, las rutas de solidificación y las ventanas de temperatura para el tratamiento de la solución; Los cálculos de los primeros-principios basados en la teoría funcional de la densidad proporcionan las energías de formación y unión que alimentan los modelos de precipitación; y los modelos-basados en datos experimentales e industriales ahora guían las decisiones de composición, como la proporción de magnesio-a-silicio en aleaciones 6xxx, donde un pequeño cambio cambia el equilibrio entre resistencia, extrudabilidad y calidad de la superficie. La simulación del proceso cierra el círculo, porque el conformado y el tratamiento térmico se modelan numéricamente y se validan frente a la distorsión medida y la tensión residual, por lo que los ciclos de tratamiento térmico-pueden ajustarse con muchas menos pruebas físicas de las que requeriría un programa puramente experimental.
Preguntas frecuentes
P: ¿Por qué el aluminio es tan dúctil?
La red cúbica centrada en la cara-ofrece doce sistemas de deslizamiento independientes, por lo que la deformación se puede distribuir en muchos planos y direcciones. La alta energía de falla de apilamiento permite además un fácil deslizamiento cruzado, lo que evita la concentración de tensiones y retrasa la fractura.
P: ¿Qué determina la resistencia de una aleación de aluminio forjado?
La resistencia es la suma del fortalecimiento de la solución sólida, el endurecimiento por trabajo, el endurecimiento por precipitación, el fortalecimiento por dispersión y el fortalecimiento de los límites de grano. Los diseñadores de aleaciones combinan estos mecanismos para alcanzar la resistencia requerida sin sacrificar la conformabilidad ni la resistencia a la corrosión.
P: ¿Por qué se agrega escandio al aluminio?
El escandio forma precipitados coherentes de Al3Sc que refinan la estructura del grano fundido a unos pocos micrómetros y bloquean la recristalización. Con circonio añadido, las partículas de Al3(Sc,Zr) resisten el engrosamiento hasta aproximadamente 300-350 C, lo que proporciona una alta resistencia con buena soldabilidad.
P: ¿Cuál es la diferencia entre los temples T6 y T73 en una aleación 7xxx?
T6 es el temperamento más-envejecido y proporciona la máxima fuerza. T73 es un templado sobreenvejecido que cede aproximadamente entre un 10 y un 15 % de resistencia para obtener una resistencia mucho mejor al agrietamiento por corrosión bajo tensión, por lo que se especifica para piezas críticas en servicio húmedo.
P: ¿Cómo afecta el tamaño del grano a las propiedades mecánicas?
Un tamaño de grano más fino aumenta el límite elástico a través de la relación Hall-Petch y normalmente mejora la tenacidad y el rendimiento ante la fatiga. El tamaño del grano se mide según ASTM E112 y se controla mediante prácticas de fundición, refinadores de grano y procesamiento termomecánico.
P: ¿Para qué se utiliza CALPHAD en el diseño de aleaciones?
CALPHAD construye modelos termodinámicos que predicen los equilibrios de fases y el comportamiento de solidificación en un rango de composición y temperatura. Se utiliza para seleccionar niveles de aleación y ventanas de tratamiento-térmico, lo que reduce la cantidad de pruebas experimentales necesarias para calificar una nueva aleación.
