ENDURECIMIENTO


-Los metales son blandos y deformables a causa del movimiento de las dislocaciones en la estructura cristalina y el endurecimiento de los mismos se produce cuando se dificulta este movimiento.

Línea de dislocación forzada a través de partículas de una segunda fase o microconstituyente situadas en su plano de deslizamiento

 

-El endurecimiento máximo de los metales puros se obtiene por deformación en frío. En este caso, se produce un sistema de dislocaciones complejo que hace extremadamente difícil cualquier movimiento posterior.
Los procedimientos utilizados para el endurecimiento de los metales puros pueden emplearse también para las aleaciones, sinembargo, existen otros métodos para aumentar su resistencia mecánica:

-Los que se basan en reacciones en el estado sólido, halladas en un número relativamente pequeño de sistemas de aleación.

-Los que se basan en el endurecimiento por aleación (formación de soluciones sólidas o presencia de una segunda fase) que se produce en todas las aleaciones. Este método es el más común.

Endurecimiento por aleación

Los elementos de aleación en solución sólida endurecen siempre el metal solvente. El endurecimiento producido por un determinado elemento de aleación parece depender de las diferencias en tamaño y la estructura electrónica que existen entre este elemento y el metal solvente.

Endurecimento del cobre al ser aleado con elementos de diferente tamaño atómico

Endurecimiento por aleación del cobre con níquel

Si los átomos solutos se reúnen preferentemente alrededor de las dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocación puede aumentar considerablemente. Puesto que la matriz está en tensión en la región por abajo de la dislocación de borde, la energía del sistema disminuye cuando los átomos solutos se mueven desde posiciones al azar en la red a posiciones de esta región. Entonces se dice que la dislocación está bloqueada por una "atmósfera" de átomos del soluto.


Formación de una atmósfera de Cottrell de átomos de soluto alrededor de una dislocación, los grandes átomos de soluto en posiciones al azar crean una energía de deformación y el movimiento de los átomos solutos hacia posiciones bajo la dislocación, disminuye esta energía.

Cuando existe una segunda fase, se produce otro tipo de endurecimiento por aleación. Aunque una dislocación puede pasar a través de un conjunto de átomos de soluto separados, no puede hacer esto en el caso de partículas de una segunda fase. Por el contrario, la dislocación ha de ser forzada a pasar entre las partículas adyacentes dejando un anillo de dislocación alrededor de cada partícula.

Reacciones en el estado sólido.

El endurecimiento por aleación y la deformación en frío se aplican ampliamente, pero en ciertos sistemas de aleación es posible sustituirlos o aumentarlos por medio de las reacciones especiales de endurecimiento que se producen en el estado sólido.
Estas reacciones en el estado sólido son especialmente significativas por las siguientes razones:

-Aumentan la dureza muy por encima del grado posible conseguido en el endurecimiento por aleación.

-No precisan que la pieza se deforme plásticamente.

-Permiten realizar el endurecimiento en el momento más conveniente del proceso de fabricación.

Sin embargo, este tipo de endurecimiento tiene algunos inconvenientes:
-No en todos los sistemas de aleación pueden producirse reacciones en el estado sólido.

-Una reacción en el estado sólido en condiciones de equilibrio no conduce a un endurecimiento apreciable. Para producir el endurecimiento es necesario formar una estructura fuera de equilibrio

-El grado de endurecimiento producido por una reacción determinada en el estado sólida varía de sistema a sistema y puede ser insignificante en algunos casos. La aparición de una reacción dada debe considerarse condición necesaria pero no suficiente para el endurecimiento.

Reacciones en el estado sólido capaces de producir aumentos útiles de dureza:

a) Descomposición eutectoide.
b) Precipitación en una solución sólida
c) Ordenación de una solución sólida al azar.
d) Reacción de difusión.


Forma de diagrama de equilibrio, necesaria para cada una de las cuatro reacciones en estado sólido. a) Descomposición eutectoide. b) Precipitación en la solución sólida.
c) Ordenación de una solución sólida desordenada. d) Reacción de difusión.

En la figura se presenta esquemáticamente la forma necesaria de las relaciones de fase para estas reacciones. Para producir la descomposición eutectoide se requieren condiciones como las que se representan en (a), un diagrama eutectoide típico. Si el límite entre una región monofásica y otra bifásica (la línea de solvus), se inclina en la forma indicada en (b), puede producirse la precipitación. Para que la ordenación sea posible, debe poder realizarse en la fase sólida del sistema de aleación en cuestión, una reacción del tipo de la figura (c). Las condiciones necesarias para una reacción de difusión se indican en (d). La composición de una aleación endurecible (un metal B en un metal A) debe variar de una región de una fase a otra de dos fases, como resultado de la difusión de un tercer componente (metal C) hacia la aleación inicial.


ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO (PRECIPITACIÓN)

Sólo hay dos métodos principales para aumentar la resistencia y la dureza de una aleación dada: trabajo en frío o tratamiento térmico. El proceso de tratamiento térmico más importante para aleaciones no ferrosas es el de endurecido por envejecimiento o por precipitación.

OBJETIVOS DEL ENVEJECIMIENTO

-Aumentar la resistencia de muchas aleaciones de aluminio y otros metales.
-Crear, en una aleación tratada térmicamente, una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una matriz de metal deformable. Las partículas precipitadas actúan como obstáculos del movimiento de las dislocaciones y, así, refuerzan la aleación tratada térmicamente.

Para aplicar este tratamiento térmico, el diagrama de equilibrio debe mostrar solubilidad sólida parcial, y la pendiente de la línea de solvus debe ser tal que haya mayor solubilidad a una temperatura mayor que a una menor.


La condición necesaria para que se produzca la precipitación en una solución sólida es, sencillamente, la existencia de una línea de solvus. Por consiguiente, se produce cierto grado de precipitación en la mayor parte de los sistemas de aleación y un grado notable en cientos de casos conocidos. Cualquier metal puede endurecerse por precipitación, mediante la adición de un elemento de aleación correctamente elegido. El endurecimiento sería aún mayor en el caso de aleaciones ternarias o de un número de componentes más elevado.

Proceso de envejecimiento (Tratamiento térmico).

El proceso para obtener una aleación endurecida por precipitación puede dividirse en tres partes:

1. Elección de la composición.
2. Tratamiento térmico de la solución.
3. Tratamiento térmico de precipitación.


1. Elección de la composición: El diagrama de equilibrio de la figura anterior es un sistema que puede mostrar endurecimiento como resultado de la precipitación de la fase (b) a partir de la solución sólida (a) sobresaturada. Aún cuando el efecto máximo de endurecimiento se produce, en este caso, con un contenido del 6% de metal B límite de solubilidad de este en el metal A, puede producirse cierto endurecimiento en todo el intervalo de composiciones en el que pueden existir en equilibrio las fases (a) y (b). En la práctica, se usan otras composiciones además de la que produce el máximo endurecimiento.

2. El tratamiento térmico de la solución (solubilización): El objeto de esta etapa, es disolver un máximo de la segunda fase en la solución sólida (a) y después, retener esta solución hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto se efectúa así:

-Calentando la aleación hasta una temperatura elevada, pero inferior a la que produciría un crecimiento excesivo de grano o la fusión de uno de los constituyentes.

-Manteniendo esta temperatura desde una hasta varias horas, dependiendo dl espesor de la pieza para que pueda producirse la solución.

-Templado en agua hasta obtener una solución sólida sobresaturada (a) a la temperatura ambiente. Después del tratamiento de disolución la dureza es relativamente baja, pero superior a la del material enfriado lentamente y revenido.

3. Tratamiento de precipitación: Es necesario un tratamiento de precipitación de la aleación para la formación de un precipitado finamente disperso. La formación de dicho precipitado en la aleación es el objetivo del envejecimiento. El precipitado fino en la aleación impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, forzando a que éstas pasen a través de las partículas de precipitado cortándolas o rodeándolas. La aleación resulta reforzada mediante esta restricción del movimiento de las dislocaciones durante la deformación. En esta etapa se obtiene la dureza máxima de estas aleaciones, la solución sobresaturada sufre cambios que conducen a la formación de la segunda fase.

Las aleaciones en que la precipitación tiene lugar a temperatura ambiente, de modo que obtienen su resistencia total después de 4 ó 5 días de estar a temperatura ambiente, se conocen como aleaciones de envejecimiento natural, en tanto que las que necesitan recalentamiento a elevadas temperaturas para alcanzar su máxima resistencia, se conocen como aleaciones de envejecimiento artificial. Sin embargo, estas aleaciones también envejecen en forma limitada a temperatura ambiente, dependiendo de la rapidez y extensión del fortalecimiento de las características de las aleaciones.

Curso del endurecimiento durante el tratamiento térmico de precipitación a dos temperaturas diferentes

Efecto del tiempo de envejecimiento sobre las propiedades mecánicas.


Efecto del tiempo de envejecimiento sobre la resistencia y dureza de una aleación endurecible por precipitación que ha sido termotratada en solución y templada.

A medida que se incrementa el tiempo de envejecimiento, se van formando las zonas de precipitación y su tamaño se incrementa; además, la aleación se hace más fuerte, dura y menos dúctil.
Estas propiedades mecánicas alcanzan un valor máximo durante la precipitación a una temperatura dada y, después, disminuyen gradualmente como consecuencia del sobreenvejecimiento. Este ablandamiento es consecuencia natural de la aproximación de la aleación al estado de equilibrio, al aumentar el tiempo durante el que la aleación se mantiene a temperatura. En efecto, una aleación muy sobreenvejecida sería esencialmente idéntica a una aleación recocida, es decir una aleación en la que la estructura de equilibrio se produce por medio de un enfriamiento lento desde la temperatura del tratamiento de solución.

 

Curva esquemática de envejecimiento a una temperatura determinada para una aleación endurecible por precipitación.

Una aleación endurecible por precipitación en la condición de solución sólida supersaturada se encuentra en un estado de alta energía. Este estado de energía es relativamente inestable y la aleación tiende a buscar un estado menor de energía por la descomposición espontánea de la solución sólida supersaturada en fases metaestables o fases de equilibrio. Cuando la solución sólida supersaturada de la aleación endurecida por precipitación se envejece a una temperatura relativamente baja, para la que sólo se dispone de una pequeña cantidad de energía de activación, se forman unas agrupaciones de átomos segregados llamadas zonas de precipitación.


El nivel energético superior es para la solución sólida sobresaturada, y el nivel inferior para el precipitado en equilibrio. La aleación puede ir espontáneamente de un nivel energético superior a uno inferior si hay suficiente energía de activación para la transformación y si las condiciones cinéticas son favorables.

APLICACIONES DEL ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN (ENVEJECIMIENTO)

-El endurecimiento por precipitación es el método más importante para aumentar la resistencia mecánica de los metales no ferrosos por reacción en el estado sólido. Es especialmente útil para el aluminio, el metal principal de esta clase, y tanto las aleaciones de aluminio de fundición como las de forja son endurecibles por precipitación.


-Como la refrigeración retarda la razón de envejecimiento natural; en la industria aeronáutica se utiliza este hecho cuando los remaches de aluminio aleado, que suelen envejecer a temperatura ambiente, se mantienen dentro de refrigeradores con un alto grado de congelación hasta que se remachan. Los remaches se han tratado previamente con un tratamiento de solución, y como tienen una fase única son muy dúctiles. Después de ser remachados, tendrá lugar el envejecimiento a temperatura ambiente, lo cual dará como resultado un incremento en la resistencia y en la dureza.


-Como la adición de aleantes y el tratamiento térmico de precipitación disminuyen la resistencia a la corrosión del aluminio, algunas de las aleaciones de resistencia mecánica más elevada están protegidas con
una capa de aluminio puro firmemente unida a la superficie por medio de un proceso de laminación en caliente.


-El envejecimiento en los aceros es de interés secundario comparado con el endurecimiento por temple, pero existen algunos aspectos a los que se debe prestar atención. Los aceros con bajo contenido de carbono son susceptibles a un fenómeno de envejecimiento (natural) que puede tener dos efectos perjudiciales:


1. Deformación no uniforme durante el trabajo plástico en frío.
2. Ductilidad del acero y hacerlo inadecuado para aplicaciones difíciles de embutido de chapas.


Puesto que estas dificultades son producidas por una reacción de envejecimiento, se les puede evitar si el acero se deforma antes de que pueda producirse esta reacción.

-El níquel es otro metal cuyas aleaciones se endurecen principalmente por precipitación. El níquel es muy parecido al hierro en cuanto a sus propiedades mecánicas pero, debido a que sus propiedades de resistencia a la tensión son muy superiores, se usa en muchas aplicaciones a pesar de que su costo es unas diez veces mayor.

 

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BIBLIOGRAFIA

ASKELAND, Donald. La ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial Iberoamérica.

AVNER- SIDNEY. Introducción a la metalurgia física. Mc Graw Hill.GUY, Albert. Elementos de metalurgia física. Ed. Addison-Wesley.

SMITH, William. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Mc Graw Hill. 3° Edición. 1999.
VLACK, Van. Materiales para ingeniería. Editorial continental.