Tecnicas de Obtencion de Grano Metalografico enel Rango Milimetrico y Centimetrico MedianteDiversos Tratamiento Termicos y Mecanicos

Proyecto Fin de Carrera

Mariola Roldan Galan

8 de julio de 2007

Indice general

1. El fallo por fatiga en el Aluminio 21.1. Mecanica de la fractura en aleaciones de Aluminio . . . . . . . . . . . 21.2. Resistencia a fatiga de las aleaciones de Aluminio . . . . . . . . . . . 3

1.2.1. Influencia del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2. Influencia de la solicitacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.3. Influencia del estado superficial y del ambiente . . . . . . . . . 61.2.4. Influencia de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3. Comportamiento a la rotura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

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Capıtulo 1

El fallo por fatiga en el Aluminio

1.1. Mecanica de la fractura en aleaciones de Alu-

minio

El parametro KIC aporta una medida de la tenacidad a la fractura basada en

el estado elastico. La mayorıa de aleaciones de aluminio tienen una gran capacidad

de deformacion, de forma que la zona plastica en el fondo de grieta es grande y el

valor de KIC para medir la tenacidad no tiene mucho significado. Se usa el valor de

la energıa de propagacion unitaria UPE (kJ/m2) obtenida en ensayos de desgarro.

Sin embargo, en las aleaciones de mayor resistencia (series 2XXX y 7XXX) la zona

plastica en fondo de grieta es menor y puede emplearse dicho parametro como me-

dida de la tenacidad.

En general se observa que un aumento del lımite elastico lleva aparejado una

disminucion de la tenacidad. Esto se puede explicar con dos hipotesis:

o Al aumentar el lımite elastico de una aleacion mediante un tratamiento termico

se produce una gran cantidad de intermetalicos (muy duros) por precipitacion, que

impiden la propagacion de las dislocaciones, por lo que no sera raro que aparezcan

tensiones muy altas. El propio intermetalico puede romperse debido a la alta tension

e inclusive puede llegar a despegarse de la matriz. Por ambos motivos van apare-

ciendo microhuecos alineados que pueden llegar a propagar por la matriz y formar

una grieta. En definitiva si se aumenta el lımite elastico, aumenta el numero de gri-

etas en la aleacion y como consecuencia disminuye la tenacidad a la fractura de esta.

o Tratamiento termico defectuoso. Si se lleva a cabo un temple (despues de la

homogeneizacion) lento, la nucleacion puede ser heterogenea, apareciendo segundas

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CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 3

fases en los lımites de grano o de subgrano. Esto puede hacer que las zonas adya-

centes se queden sin el elemento de endurecimiento, de modo que se tiene un nucleo

muy duro y las zonas de los lımites de grano muy blandas. Como consecuencia apare-

cen grietas en las zonas blandas que tenderan a propagarse.

Otros factores que influyen en la relacion inversa KIC−σE son:

Pureza de la aleacion: el Al disuelve a un pequeno numero de metales y el resto

forma intermetalicos. Se acumulan por tanto las dislocaciones aumentado la

propagacion de grietas por el material. Recordemos que la designacion de las

aleaciones de Aluminio puede contener un numero separado por un punto que

indica la pureza de la misma. Esta designacion da tambien una idea de la

tenacidad a la fractura.

Tamano de grano. Granos de tamano mas fino generan mejores valores de

tenacidad a la fractura. El grano fino obliga a la grieta a cambiar su direccion

de propagacion, exige mayor energıa y por tanto mayor sera el valor de KIC .

Este aspecto se tendra que considerar en aquellos tratamientos que puedan

producir recristalizacion, donde el tamano de grano se ve aumentado.

Tratamiento de hipertemple: temple lento y maduracion hasta alcanzar el

maximo de dureza. Implica un valor de tenacidad bajo.

En la grafica 2.1 se muestran los resultados obtenidos mediante ensayos que

relacionan la tenacidad y lımite elastico en diversas aleaciones de Aluminio.

1.2. Resistencia a fatiga de las aleaciones de Alu-

minio

Uno de los aspectos de mayor importancia en el mundo aeronautico consiste en

conocer las propiedades a fatiga de los materiales metalicos utilizados, particular-

mente las aleaciones de aluminio.La fatiga es una forma de rotura que ocurre en

estructuras sometidas a tensiones dinamicas y fluctuantes.Puede ocurrir a una ten-

sion menor que la resistencia a traccion o el lımite elastico para una carga estatica.

CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 4

Figura 1.1: relacion entre la tenacidad y lımite elastico en el Aluminio

Para el estudio a fatiga de un material hay que tener en cuenta la composicion,

el estado y el procedimiento de obtencion del mismo, hay que considerar la clase

y frecuencia de las solicitaciones. En las aleaciones de aluminio para laminacion y

forja existe una clara diferencia entre las no endurecibles y las endurecibles. Esto

se manifiesta en el siguiente grafico, donde la aleacion AlMg es la no endurecible

termicamente y la AlZnMgCu es la endurecible termicamente.

Figura 1.2: valoracion estadıstica de ensayos de fatiga por esfuerzos alternativos

El lımite de fatiga del Al es de aproximadamente 109 ciclos y esta muy por enci-

CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 5

ma del lımite del acero106 ciclos.En aviacion es mas interesante estudiar los casos

de bajos ciclos puesto que de esta forma se puede continuar aumentando la tension

ya que la vida util sera menor que el numero de ciclos . A diferencia de los aceros,

el lımite de fatiga y la resistencia a la fatiga tienen una relacion menos precisa con

la resistencia a la traccion (en aceros una es mas o menos la mitad de la otra) Los

factores que producen concentradores de deformacion en la microestructura favore-

ceran las roturas o agrietamientos locales:

Deformacion inhomogenea por rotura de partıculas cizallables (coherentes).

Las partıculas coherentes con la matriz son las que producen el endurecimien-

to; ademas provocan un deslizamiento partıcula-matriz, que si llega a la su-

perficie provocara una grieta de fatiga.

Deformacion intensa en lımites de grano con zona libre de precipitados. Es una

zona blanda en la que es facil que se produzca el deslizamiento.

El comportamiento a ciclos se mejora con:

o Sobremaduracion. La sobremaduracion produce partıculas no cizallables (in-

coherentes) frente al sub-envejecimiento que produce partıculas cizallables (coher-

entes). Por tanto, el sobre-envejecimiento dificulta la activacion de concentradores

de deformacion y la aparicion de microagrietamientos.

o Adicion de elementos formadores de precipitados finos. La adicion de elementos

como el Mn y el Cr permiten la formacion de partıculas de 0,1 a 0,2 µ incoherentes

(no cizallables) que ayudan a afinar el grano y producen una deformacion mas ho-

mogenea, sin bandas de deslizamiento.

o Disminucion del grado de recristalizacion de una matriz. Una estructura no

recristalizada contiene una subestructura de dislocaciones que dificulta la deforma-

cion inhomogenea, reduciendo la longitud de deslizamiento. Este efecto es menor o

nulo en materiales sobremadurados con precipitados no cizallables.

o Disminucion del tamano de grano (adicion de Zr). El tamano de grano fino

reduce la longitud de deslizamiento, el tamano de las estriaciones en la superficie y

obliga (Von Mises) a activar sistemas multiples de deslizamiento en la zona libre de

CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 6

precipitados.

En general, la velocidad de crecimiento de grietas en ambientes no agresivos, cae

dentro de una banda de dispersion relativamente estrecha, observandose un efecto

sistematico pequeno de la composicion, practicas de fabricacion o resistencia. Existen

pocos tratados significativos de los procedimientos para la mejora de la resistencia

al crecimiento de grietas por fatiga en estas aleaciones.

1.2.1. Influencia del material

La resistencia a la fatiga se aumenta mediante la formacion de soluciones cristali-

nas, la conformacion en frıo y el endurecimiento. Sin embargo, los dos ultimos meto-

dos no consiguen la misma proporcion comparados con la resistencia a la traccion o

el lımite elastico.

Numerosas investigaciones recientes, sobretodo en materiales altamente resistentes,

han demostrado que con la eleccion apropiada de composicion (en particular, la es-

tricta limitacion de constituyentes insolubles) y del proceso de fabricacion, se pueden

conseguir considerables mejoras frente a los materiales ordinarios.

En las aleaciones para laminacion y forja existe una clara diferencia entre las no

endurecibles y las endurecibles. Con frecuencia se observa un aumento en la resisten-

cia a la fatiga al disminuir el espesor de la probeta, especialmente en la solicitacion

a flexion. Ademas de esto, la rugosidad y los defectos superficiales tambien influyen

aunque menos en las probetas delgadas que en las gruesas.

1.2.2. Influencia de la solicitacion

Al juzgar los valores de resistencia a la fatiga se ha de tener en cuenta el tipo

de solicitacion: traccion, compresion, flexion alternativa o rotativa y, ante todo, la

posicion de la tension media o la relacion de tensiones R, respectivamente.

1.2.3. Influencia del estado superficial y del ambiente

Los puntos defectuosos, sobre todo las rayas de mecanizado, los aranazos, las

mellas, las huellas de corrosion por mordentado o picaduras de corrosion, facilitan

CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 7

Figura 1.3: curvas de Woler en flexion alternativa para un material endurecible yotro no endurecible

Figura 1.4: Influencia de la estructuracion superficial en la resistencia a la flexionalternativa de chapas de AlCuMg1 de diversos espesores

Figura 1.5: Resistencia a la flexion alternativa de algunas aleaciones de aluminiopara laminacion y forja

CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 8

el origen de rotura por fatiga y hacen descender, con ello, la resistencia a la fatiga.

Tambien puede disminuirse, en parte, considerablemente, la resistencia a la fati-

ga de todos los materiales metalicos mediante la accion de medios agresivos antes y,

sobretodo, durante la aplicacion de cargas oscilatorias.

1.2.4. Influencia de la temperatura

Ha de destacarse un descenso en la resistencia a la fatiga con el incremento de

temperatura. El efecto se refuerza, en las aleaciones endurecidas, por tratamiento

de sobreenvejecimiento, en el cual influye tambien notablemente la duracion de la

prueba, o la frecuencia de la alteracion de la carga. Al descender la temperatura

aumenta la resistencia a la fatiga de los materiales de aluminio.

Figura 1.6: Resistencia a la fatiga por flexion alternativa rotativa en funcion de latemperatura

Salvo que aparezcan comportamientos plasticos, puede tener lugar un aumento

muy pequeno de las fisuras ya producidas por la concentracion de tensiones en cuyo

caso, esos metodos de la mecanica de la rotura ya no son utilizables. A temperaturas

moderadamente altas la tenacidad a la rotura parece tener los mismos valores que

a temperatura ambiente. Al contrario que en los aceros y otros materiales cubicos

centrados en el cuerpo, en los materiales de aluminio aumenta ligeramente la tenaci-

dad a las fisuras con el descenso de la temperatura a bajas temperaturas.

CAPITULO 1. EL FALLO POR FATIGA EN EL ALUMINIO 9

1.3. Comportamiento a la rotura

El comportamiento en cuanto a la resistencia a la rotura de un material es impor-

tante. En los elementos de construccion se presupone que existen siempre fisuras de

un determinado tamano y que se dimensionan los elementos de tal modo que estas

fisuras no sobrepasan una magnitud crıtica, dentro de un perıodo de vida previsto

y sobre todo, que no aumenten de modo inestable. La carga puede ser monotona

estatica u oscilante. Tambien se puede tener en cuenta la carga de fluencia (metodo

mas apropiado para los materiales de aluminio) o las grietas de corrosion bajo ten-

sion.

Entre los valores de resistencia habituales obtenidos del ensayo de traccion y la

tenacidad a las fisuras no existe, en general, ninguna dependencia. Desde el punto

de vista cualitativo, la tenacidad a las fisuras desciende al aumentar la resistencia.

El objetivo de la investigacion de los materiales es desarrollar los que tengan mas

resistencia y al mismo tiempo mayor tenacidad a la rotura.

Salvo que aparezcan comportamientos plasticos, puede tener lugar un aumento

muy pequeno de las fisuras ya producidas por la concentracion de tensiones en cuyo

caso, esos metodos de la mecanica de la rotura ya no son utilizables. A temperaturas

moderadamente altas la tenacidad a la rotura parece tener los mismos valores que

a temperatura ambiente. Al contrario que en los aceros y otros materiales cubicos

centrados en el cuerpo, en los materiales de aluminio aumenta ligeramente la tenaci-

dad a las fisuras con el descenso de la temperatura a bajas temperaturas.

Figura 1.7: Influencia de la temperatura en la tenacidad a la rotura de AlCuSiMn.

Bibliografıa

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