modelamiento del endurecimiento por precipitación en aleaciones

MODELAMIENTO DEL ENDURECIMIENTO POR
PRECIPITACIÓN EN ALEACIONES DE ALUMINIO
TRATABLES TÉRMICAMENTE
RESUMEN
ABSTRACT
Este artículo presenta diferentes modelos matemáticos
desarrollados para predecir el endurecimiento por
precipitación en aleaciones de aluminio. Se realiza una
introducción al envejecimiento en dichos materiales, se
describe el proceso de endurecimiento por
precipitación y los tipos de modelo desarrollados. El
acoplamiento de estos modelos con los elementos
finitos es esencial para la simulación del
comportamiento termomecánico del aluminio
envejecido.
This article presents different mathematical models
developed for predicting the precipitation hardening of
heat-treatable aluminum alloys. The aging of these
materials id introduced, followed by a description of the
precipitation hardening process and the types of
models developed. The coupling of these models with
finite elements is essential for thermo-mechanical
simulation of aged aluminum.
PALABRAS CLAVE
KEY WORDS
Aluminio, difusión, endurecimiento por precipitación,
envejecimiento, modelamiento matemático.
aluminum, aging, diffusion, precipitation hardening,
mathematical modeling.
1
Mag. en Materiales y Procesos, profesor Facultad de Ingeniería Mecánica, Grupo GEAMEC, Universidad Santo Tomás.
2
Doctor en Mecánica Computacional, profesor Departamento de Mecánica y Mecatrónica, Grupo GNUM, Universidad Nacional.
3
Mag. en Materiales y Procesos, profesor Programa de Ingeniería Mecánica, Grupo DETECAL, Universidad Libre.
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2009 No. 10
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
GRUPO DE INVESTIGACIÓN: DETECAL
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: MODELAMIENTO NUMÉRICO
1
INVESTIGADOR: CARLOS A. NARVÁEZ
2
3
COINVESTIGADORES: DIEGO GARZÓN , CARLOS A. BOHÓRQUEZ
15
INTRODUCCIÓN
De acuerdo a los planteamientos de Fang (1996: 213216), el envejecimiento puede definirse como el cambio
en las propiedades que sufren los materiales a través
del tiempo por su interacción con diferentes ambientes
durante su manufactura, almacenamiento, ensamblaje
y/o funcionamiento.
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
Estos cambios pueden llegar a generar fallas en los
componentes mecánicos fabricados en dichas
aleaciones, por lo tanto su predicción es de interés para
industrias como la aeronáutica (National Research
Council 1996), donde se presentan diversas fallas por
envejecimiento en los fuselajes fabricados con aluminio
(Australian Transport Safety Bureau 2007). Durante
varios años la industria aeronáutica se ha basado en la
observación y la proyección estadística para mantener
con suficiente seguridad los aviones actuales pero esto
ha generado un alto costo económico e ingenieril que
disminuye su capacidad de compra de nuevas
aeronaves e incrementa la edad promedio de la flota
actual (Young y et al, 2008).
16
La predicción determinista del envejecimiento, al
contrario de la proyección estadística, busca entender
los principios fundamentales de los cambios en las
propiedades de los materiales y por lo tanto requiere de
modelos computacionales sofisticados alimentados
con datos experimentales exactos y precisos (Yuang y
et tal . 2009: 387-395).
Existen varios mecanismos de envejecimiento
identificados en las aleaciones de aluminio, entre ellos
el cambio de propiedades mecánicas debido a los
procesos difusivos por formación de precipitados y
engrosamiento de granos activados por la exposición a
altas temperaturas y la disminución de la resistencia a
la fatiga debido por la nucleación, crecimiento y
engrosamiento de vacantes y microgrietas (National
Research Council 1996). Uno de los modelos de
envejecimiento más desarrollados en los últimos años
es por endurecimiento por precipitación, el cual
pretende predecir el incremento en las propiedades
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2009 No. 10
mecánicas de una aleación particular debido a la
formación de precipitados (Shercliff y et al 1990: 18031812).
El objetivo de este artículo de revisión es recopilar,
analizar y discutir diversos modelos computacionales
desarrollados para predecir el endurecimiento por
precipitación en aleaciones de aluminio tratables
térmicamente.
1. EL ENDURECIMIENTO POR
PRECIPITACIÓN
El tratamiento térmico de endurecimiento por
precipitación pretende aumentar la resistencia y dureza
de aleación mediante la formación de precipitados finos
a partir de una solución sólida (Smith 2006). El cambio
de las propiedades mecánicas se debe generalmente a
cambios de fases que se evidencian en la formación de
precipitados; pero nunca involucran el cambio en la
composición química del material (ASM 1991).
Este tratamiento térmico consiste en tres etapas, como
se ilustra en la primera etapa, conocida como
solubilización, se realiza un
calentamiento para
producir una solución sólida homogénea que contenga
la máxima cantidad práctica de elementos solubles
endurecedores en la aleación.
La segunda etapa, llamada templado, es un
enfriamiento rápido de la aleación para preservar una
solución sólida sobresaturada que retenga los átomos
de soluto y mantenga un cierto número de vacantes en la
red cristalina que favorezcan el proceso de difusión
durante el envejecimiento (ASM 1991).
Finalmente, la etapa de envejecimiento consiste en un
proceso difusivo activado a una temperatura
determinada, en que los átomos de soluto difunden
formando precipitados endurecedores. Cuando el
proceso de precipitación se realiza a temperatura
ambiente se denomina envejecimiento natural, y
cuando se emplea una temperatura superior a la del
ambiente, pero inferior a la de solubilización sólida, se
conoce como envejecimiento artificial. De acuerdo a
Cuniberti y et al (2006):
2. MODELOS DE ENDURECMIENTO
POR PRECIPITACIÓN
“Dado que el envejecimiento natural es inevitable en
los procesos industriales, resulta de interés
determinar su influencia en las propiedades finales del
material”.
Figura 1
Tratamiento de endurecimiento por precipitación. 1
Solubilización. 2 Templado. 3a envejecimiento
natural. 3b envejecimiento artificial.
s
s
s
s
Y =
i +
ppt +
ss
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2009 No. 10
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
Como requisito básico, una aleación endurecible por
precipitación debe presentar en su diagrama de fases
una línea de solubilidad sólida directamente
proporcional con la temperatura. Aunque la mayoría
de sistemas binarios de aleaciones de aluminio
presentan dicha curva, sólo algunos presentan un
aumento significativo en la dureza y resistencia por la
formación de precipitados, entre ellos los sistemas de
Aluminio-Cobre (serie 2xxx), Aluminio-Magnesio-Silicio
(serie 6xxxx) y Aluminio-Zinc-Magnesio (serie 7xxxx)
(ASM 1991).
17
s
GP / ss
s
A()
l
GP / ss =
GP / ss
2/3
l
GP / ss
f
(5)
l
=
l
GP / ss
0
3
l
0
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
f
s
s
s
s
Y =
i +
ppt +
GP / ss
s
ppt
s
GP / ss
s
ppt
s
Mt
ppt =
q
t
q
4
5
18
GP Zone
Critical Resolved Shear Stress
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2009 No. 10
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2009 No. 10
19
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
20
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2009 No. 10