estudio de propiedades mecánicas de aleaciones en base a cobre

ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS DE
ALEACIONES EN BASE A COBRE EVALUANDO SU
USO COMO MATERIAL PARA FABRICACIÓN DE
REVESTIMIENTO DE TECHUMBRES
Tesis para optar al título de:
Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesores patrocinantes:
Claudio Aguilar R.
Doctor en ciencias de la ingeniería
Rolando Ríos R.
M.Sc. Ing. Mecánica
LEONARDO PASCUAL CELEDÓN GALÁN
Valdivia-Chile
2012
ÍNDICE
1
INTRODUCCIÓN............................................................................................... 1
1.1 Planteamiento del problema ..............................................................................1
1.2 Objetivos ..........................................................................................................2
1.2.1 Objetivo general ................................................................................... 2
1.2.2 Objetivos específicos ...........................................................................2
1.3 Hipótesis............................................................................................................2
2
DESARROLLO TEÓRICO ................................................................................ 3
2.1 Reseña histórica del aleado mecánico (AM) ..................................................... 3
2.2 Definición de AM ............................................................................................... 3
2.2.1 Tipos de molinos para realizar AM....................................................... 3
2.2.2 Descripción del proceso de AM ........................................................... 4
2.3 Técnicas de análisis .......................................................................................... 5
2.3.1 Difracción de rayos X (DRX) ................................................................ 5
2.3.2 Microscopía electrónica de barrido (MEB). ..........................................5
2.4 Densidad verde .................................................................................................7
2.5 Dureza ...............................................................................................................7
3
DESARROLLO EXPERIMENTAL ....................................................................9
3.1 Obtención de aleaciones por AM ......................................................................9
3.1.1 Características de los materiales y equipos.........................................9
3.1.2 Fabricación de aleaciones .................................................................11
3.1.3 Variables consideradas......................................................................12
3.2 Técnicas de análisis ........................................................................................ 12
3.2.1 Difracción de rayos X (DRX) .............................................................. 12
3.2.2 Microscopia electrónica de barrido (MEB) .........................................13
3.3 Elaboración de probetas.................................................................................. 13
3.3.1 Características de los materiales y equipos.......................................13
3.3.2 Compactación de aleaciones ............................................................. 14
3.3.3 Normalización de probetas ................................................................ 16
3.3.4 Dureza ............................................................................................... 17
3.4 Ensayo a compresión de probetas ..................................................................17
3.4.1 Variables consideradas......................................................................18
3.5 Modelación de probetas en Pro-Engineer ....................................................... 18
4
RESULTADOS Y ANÁLISIS ...........................................................................21
4.1 Difracción de rayos X (DRX) ...........................................................................21
4.1.1 Parámetro de red (a)..........................................................................21
4.1.2 Difractogramas................................................................................... 22
4.2 Microscopia electrónica de barrido (MEB) ....................................................... 25
4.3 Densidad .........................................................................................................26
4.4 Dureza .............................................................................................................28
4.5 Propiedades mecánicas obtenidas empíricamente .........................................30
4.5.1 Modulo elástico .................................................................................. 31
4.5.2 Esfuerzo de fluencia ..........................................................................33
4.5.3 Esfuerzo máximo ...............................................................................36
4.5.4 Esfuerzo de rotura .............................................................................39
4.5.5 Porcentaje de elongación ..................................................................43
4.6 Propiedades mecánicas obtenidas en Pro-Engineer.......................................46
4.7 Revestimiento de techumbres en base a cobre ..............................................49
4.7.1 Comparación de propiedades mecánicas de cobre DHP frente
a aleaciones estudiadas ............................................................................50
5
CONCLUSIONES............................................................................................ 54
6
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 56
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Esquema Molino Attritor ..................................................................... 4
Figura 2. Cámara de guantes ............................................................................ 9
Figura 3. Bolas de acero inoxidable ................................................................ 10
Figura 4. Molino Atritor de bolas ...................................................................... 10
Figura 5. Molino attritor-Camara de guantes (Purga) ...................................... 11
Figura 6. Matriz para fabricación de probetas ................................................. 13
Figura 7. Prensa hidráulica Mohr and Federhaff AG ....................................... 14
Figura 8. Compactación de polvos .................................................................. 15
Figura 9. Extracción de la probeta ................................................................... 16
Figura 10. a) Probeta verde. b) Normalización de probeta. ............................. 17
Figura 11. Durómetro “Integrated Hardness tester” modelo TH 170................ 17
Figura 12. Máquina de ensayos Instron Modelo 4469. .................................... 18
Figura 13. Probeta normalizada. ..................................................................... 19
Figura 14. Propiedades del material de la probeta. ......................................... 19
Figura 15. Sistema de Cargas externas aplicadas a la probeta. ..................... 20
Figura 16. Variación del parámetro “a” de red cristalina FCC de la aleación
Cu-10Cr-10Mo en función del tiempo de molienda…………………………… 22
Figura 17. a) Evolución de los difractogramas para aleación Cu-10%
peso Cr. b) evolución de difractogramas de los picos más intensos de
cobre {111}, en función del tiempo de molienda. .............................................. 24
Figura 18. Imágenes MEB. a) Cu-10Cr-10Mo a 10 horas. b) Cu-10Cr-10Mo
a 25 horas de molienda. ................................................................................... 25
Figura 19. Variación de la densidad en función del tiempo de molienda. ........ 28
Figura 20. Variación de la dureza en función del tiempo de molienda. ........... 30
Figura 21. Diagrama esquemático tensión-deformación con deformación
elástica lineal. ................................................................................................... 31
Figura 22. Variación del módulo de Young en función del tiempo
de molienda. ..................................................................................................... 33
Figura 23. Esfuerzo de fluencia arbitrario, determinado por el método
de desplazamiento. .......................................................................................... 34
Figura 24. Variación del Esfuerzo de Fluencia en función del tiempo
de molienda. ..................................................................................................... 36
Figura 25. Variación del Esfuerzo máximo en función del tiempo de
molienda. .......................................................................................................... 38
Figura 26. Diagrama típico de Esfuerzo-deformación unitaria para
un material frágil, mostrando el límite de proporcionalidad (A) y el
esfuerzo de fractura (B) ................................................................................... .39
Figura 27. a) Variación del Esfuerzo de Rotura en función del tiempo de
molienda. b) Diagrama Tensión-Deformación para aleación Cu (25h)-P1
según ensayo a compresión............................................................................. 42
Figura 28. Variación del Porcentaje de elongación en función del
tiempo de molienda. ......................................................................................... 45
Figura 29. a) Gráfico de colores, desplazamiento (mm).
b) Probeta ensayada. ....................................................................................... 46
Figura 30. Concentración de Esfuerzos........................................................... 47
Figura 31. Deformación mm/mm ..................................................................... 48
Figura 32. Diagrama Tensión-Deformación para aleación Cu (10h)-P1
según ensayo a compresión............................................................................. 48
Figura 33. Efecto del trabajo en frío en las propiedades mecánicas
del cobre........................................................................................................... 52
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Dimensiones y densidades probetas verdes de aleaciones
según el tiempo de molienda…………………………………………………….. 27
Tabla 2. Dureza en escala Brinell (HB) de caras laterales y extremos
de las probetas ................................................................................................. 29
Tabla 3. Modulo de Young (MPa) de probetas verdes..................................... 32
Tabla 4. Esfuerzo de fluencia desplazado 0,1% de la deformación ................. 34
Tabla 5. Esfuerzo máximo (MPa) de probetas verdes ..................................... 37
Tabla 6. Esfuerzo de rotura (MPa) de probetas verdes ................................... 40
Tabla 7. Porcentaje de elongación (%) de probetas verdes............................. 43
Tabla 8. Propiedades probeta P1 obtenidas en ensayo compresión ............... 46
Tabla 9. Propiedades físicas de CU-DHP ........................................................ 49
Tabla 10. Propiedades mecánicas de CU-DHP para el estado medio
duro R240......................................................................................................... 50
Tabla 11. Equivalencia entre Dureza Brinell y resistencia a la Tensión ........... 50
RESUMEN
El objetivo general de esta tesis es estudiar las propiedades mecánicas de
aleaciones Cu-Cr y Cu-Cr-Mo con estructuras nanométricas obtenidas a través de
un molino Atritor, comparándolas con las propiedades de materiales en base a
cobre actualmente utilizados en revestimiento de techumbres.
Las aleaciones fabricadas fueron Cu-10%Cr y Cu-10%Cr-10%Mo con tiempos de
molienda de 10, 15 y 25 horas, y con una razón de carga bolas/polvo de 10/1, las
cuales fueron caracterizadas mediante difracción de rayos X y microscopía
electrónica de barrido.
Para medir las propiedades mecánicas como desplazamientos, esfuerzos y
deformaciones de estas aleaciones, se compactaron los polvos obteniendo
probetas verdes normalizas, las cuales fueron ensayadas a compresión. Las
propiedades mecánicas obtenidas de este ensayo fueron modeladas por medio
del software Pro-Engineer.
Finalmente se compararon las propiedades mecánicas de las aleaciones
obtenidas por AM, con las propiedades de los materiales en base a cobre
utilizados actualmente como revestimiento para techumbres, encontrándose que
las aleaciones estudiadas presentan mejores propiedades mecánicas (dureza,
resistencia) que el cobre utilizado para revestimiento de techumbres.
SUMMARY
The main objective of this work is to study the mechanical properties of the
nanostructures alloys Cu-10Cr and CU-10Cr-10Mo which were obtained through a
mill Attritor and compared with the properties of the copper materials currently used
in coating roofs.
The alloys manufactured were Cu-10%Cr and Cu-10%Cr-10%Mo with milling times
of 10, 15 and 25 hours, and with a loading ratio balls/powder of 10/1, which were
characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM).
For measuring mechanical properties like displacements, strain and stress of these
alloys, the powders were compacted obtaining green standard specimens, which
were tested in compression. The mechanical properties obtained in this study were
modeled using Pro-Engineer software.
Finally, the mechanical properties of the alloys obtained by PM were compared with
the properties of the copper materials currently used in coating roofs. Finding that
the studied alloys have better mechanical properties (hardness, resistance) that the
copper used for coating of roofs.
1
INTRODUCCIÓN
1.1
Planteamiento del problema
La construcción de casas y edificios ha tenido un crecimiento importante y como
consecuencia de ello ha aumentado la demanda de cobre. Así mismo, ha habido
un mayor interés en el uso arquitectónico del cobre, como por ejemplo, en las
techumbres y en canaletas de agua. Debido a esto se están buscando las mejores
aleaciones posibles que en conjunto con el cobre proporcionen
un material
compuesto que entregue seguridad, estabilidad y economía en el ámbito de la
construcción, en especial para ser utilizado como revestimiento para techumbres.
Sin embargo, el cobre puro no puede servir para todos los usos, sobre todo para
los que requieren gran resistencia mecánica, buena maquinabilidad, resistencia a
la corrosión y al desgaste. Por lo tanto, se desea obtener aleaciones en base a
cobre que cumplan con estas exigencias, para lo cual se aleará con cromo y
molibdeno comparando así las propiedades de estas aleaciones con las
propiedades de materiales en base a cobre actualmente utilizados en
revestimiento de techumbres.
1
1.2
Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Estudiar las propiedades mecánicas de aleaciones Cu-Cr y Cu-Cr-Mo con
estructuras nanométricas obtenidas a través de un molino Atritor, comparándolas
con las propiedades de materiales en base a cobre actualmente utilizados en
revestimiento de techumbres.
1.2.2 Objetivos específicos
1)
Sintetizar aleaciones Cu-Cr y Cu-Cr-Mo usando un molino tipo Atritor con
diferentes porcentajes de Cr, Mo, y tiempos de molienda.
2)
Compactar las aleaciones Cu-Cr y Cu-Cr-Mo, obteniendo probetas
normalizadas, las cuales serán ensayadas a compresión para medir las
propiedades mecánicas.
3)
Obtener propiedades mecánicas de las probetas mediante modelación por
medio del software Pro-Engineer.
4)
Comparar las propiedades mecánicas de las aleaciones obtenidas por AM,
con las propiedades de los materiales en base a cobre utilizados actualmente
como revestimiento para techumbres.
1.3
Hipótesis
1)
Es posible fabricar aleaciones en base cobre mediante un molino Atritor,
con mejores propiedades mecánicas, tales como dureza, resistencia, ductilidad,
entre otras, para uso como revestimiento de techumbres.
2)
El software Pro/Engineer, basado en el método de elementos finitos,
permitirá el modelamiento adecuado del problema, bajo las condiciones de diseño
específicas.
2
2
DESARROLLO TEÓRICO
2.1
Reseña histórica del aleado mecánico (AM)
El proceso de aleación mecánica fue estudiado y desarrollado por primera vez a
mediados de los 60 por John S. Benjamín [4] en el laboratorio de investigación de
INCO en un esfuerzo por encontrar el modo de combinar el endurecimiento por
dispersión de óxidos con el endurecimiento por precipitación de la fase γ en
superaleaciones base níquel para aplicaciones en turbinas de gas.
El término “aleación mecánica” o “mechanical alloying” (MA) fue introducido por
E.C.McQueen a finales de los 60 y la primera producción comercial de un material
endurecido por dispersión obtenido por este método se realizó a principios de la
década de los 70 con la aleación INCONEL MA754, seguida de las MA 758 y MA
6000; todas ellas, superaleaciones base níquel. El endurecimiento producido por
la dispersión de óxidos dio lugar a que estas aleaciones recibieran también el
nombre de superaleaciones ODS, acrónimo de “Oxide Dispersion Strengthened”
[1].
2.2
Definición de Aleado mecánico (AM)
Se entiende por AM un proceso de no-equilibrio en seco, principalmente, de
molienda de alta energía, donde dos o más clases de polvos (pueden ser metales,
aleaciones o compuestos) son mezclados, deformados, fracturados y soldados
repetidamente, para lograr, como resultado, polvos aleados, con una composición
química homogénea de fases estables o metaestables y una microestructura fina
que contiene una elevada densidad de defectos cristalinos [2].
2.2.1 Tipos de molinos para realizar AM
Actualmente son tres los tipos de molinos que son utilizados para realizar aleado
mecánico, la diferencia en ellos radica en la capacidad del molino o el aporte de
energía a la molienda. Estos son: SPEX, planetario y atritor. Este último es el tipo
de molino utilizado para esta investigación.
3
El molino Attritor (figura 1) también se denomina Szegvari, puede procesar entre
0.5 y 100 kg de polvos y consiste en un eje central con paletas (impeler) que gira a
velocidades cercanas a 250 r.p.m. Al girar el impeler las bolas dentro del molino
entran en movimiento generándose energía de colisión entre ellas y los polvos [3].
Figura 1. Esquema Molino Attritor [4].
2.2.2 Descripción del proceso de AM
El proceso de AM consiste en la carga de polvos en contenedores, generalmente
de acero inoxidable, sellados con una atmósfera protectora de un gas inerte
(argón) para evitar la oxidación. La carga es molida mediante bolas de acero
inoxidable en un periodo de tiempo, que puede ir desde unos minutos hasta unos
ciento de horas. El desgaste de estas bolas debido a la colisión entre ellas y el
contenedor, ocasionan contaminación pudiendo altera las condiciones de
moliendas ya que la razón bola/polvo disminuye debido a que las bolas
erosionadas dejan de ser eficientes, la superficie erosionada atrapa menor
cantidad de partículas y parte de la energía cinética de la bola es usada en seguir
la erosión de la misma, por otra parte, elementos contaminantes provenientes de
4
las partículas de Fe se mezclan con los polvos de Cu, Cr o Mo, pudiendo entrar en
solución [25].
Según SURYANARAYANA [4] el proceso de AM es una técnica de procesamiento
de polvos en estado sólido que involucra la repetida soldadura, fractura y
resoldadura de las partículas de polvo en un molino de alta energía.
2.3
Técnicas de análisis
Mediante diversas técnicas de caracterización es posible obtener información
sobre la morfología y microestructura de las aleaciones.
2.3.1 Difracción de rayos X (DRX)
Se puede obtener información sobre la estructura cristalina de un material
utilizando difracción de rayos X. Cuando un haz monocromático (de una sola
longitud de onda) del mismo orden de magnitud que el espacio atómico del
material lo golpea, los rayos X se dispersan en todas direcciones. La mayor parte
de la radiación dispersa por un átomo anula la dispersada por otros átomos. Sin
embargo, los rayos X que golpean ciertos planos cristalográficos en ángulos
específicos se ven reforzados en vez de eliminados. Este fenómeno se conoce
como difracción [5].
La técnica de difracción de rayos X es una poderosa e importante herramienta en
el campo de la caracterización de materiales. Permite determinar los parámetros
de las estructuras cristalinas y las fases presentes en un material, obteniendo
información a escala atómica tanto de materiales cristalinos como no cristalinos [6].
2.3.2 Microscopia electrónica de barrido (MEB)
La microscopía electrónica de barrido (MEB), también conocida como SEM
(Scanning Electron Microscopy), es una herramienta de gran utilidad para estudiar
materiales a una escala muy pequeña, siendo un instrumento adecuado para
5
estudiar la morfología de los materiales cerámicos, metálicos, plásticos, materiales
compuestos, etcétera.
La MEB mediante un rastreo programado, barre la superficie de una muestra con
un haz de electrones de alta energía, dando como consecuencia diversos tipos de
señales. La primera de ellas se refiere a electrones arrancados de la propia
muestra por la acción del haz incidente, dándonos así una señal que nos
proporciona una imagen real de la superficie que estemos estudiando. La segunda
señal, se refiere a los rayos X los cuales capturan la señal producida cuando un
electrón es arrancado de una capa electrónica interna por efecto de la interacción
con el haz incidente de electrones. Esta radiación constituye el fundamento de la
microsonda de electrones, obteniéndose así un espectro de elementos, es decir un
análisis químico elemental de la muestra. Se considera un electrón secundario
aquel que emerge de la superficie de la muestra con una energía inferior a 50 eV,
y un electrón retrodispersado (tercer señal) el que lo hace con una energía mayor.
Estos electrones retrodispersados proceden en su mayoría del haz incidente que
rebota en el material después de diferentes interacciones con energía superior a
50 eV [7].
La imagen de los electrones secundarios es una fotografía de la muestra en tres
dimensiones, este tipo de imágenes permite estudiar tamaños y formas de granos
o partículas, recubrimientos o poros en cualquier tipo de material, estudio de
segregaciones y defectos microscópicos, identificaciones de materiales a través de
su forma y tamaño, estudios de corrosión, degradación por fatiga, o cualquier otro
deterioro que suponga una pérdida de material o desarrollo de microgrietas, por
mencionar algunas de las aplicaciones [8].
La preparación de muestras es, en general, sencilla. Los requisitos indispensables
que deben cumplir son ausencia de líquidos, es decir, la muestra tiene que estar
seca y además debe ser conductora de la corriente eléctrica. Este último requisito
se cumple en los metales pero no así en otro tipo de materiales, por lo que para
hacer la muestra conductora se la recubre de una capa de algún material
conductor como el carbón o el oro. Este recubrimiento ha de ser suficientemente
6
grueso como para que circule la corriente eléctrica que se deposita en la muestra y
suficientemente delgado para que no enmascare o tape las características
superficiales de interés.
2.4
Densidad verde
Según la norma ASTM B243-10 “Standart Terminology of Powder Metallurgy” [9]
densidad verde se define como la masa por unidad de volumen de una probeta
compactada no sinterizada.
Esta densidad viene dada por la ec. (1) donde:
Dg = es la densidad verde de una probeta cilíndrica compactada, g/cm3.
M = es la masa verde de la probeta compactada, g.
D = es el diámetro de la probeta, cm.
h = altura de la probeta, cm.
Esta ecuación está dada en la norma ASTM B331-10 “Standart Test Method for
Compressibility of Metal Powders in Uniaxial Compaction” [10]:
=
2.5
4
(1)
ℎ
Dureza
Según CALLISTER [11] la dureza se define como la medida de la resistencia de un
material a la deformación plástica localizada, ya sea por abolladura o ralladura.
Por lo tanto la dureza se relaciona con la resistencia al desgaste de los materiales,
lo cual la hace una propiedad mecánica interesante a considerar. Los índices de
dureza se utilizan principalmente como base de comparación de materiales; de sus
especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de
calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. Por
7
ejemplo, la dureza Brinell está relacionada estrechamente con la resistencia a la
tracción del acero mediante la relación siguiente:
Resistencia a la tracción (MPa) = 3,4475 HB
Se puede obtener un índice de dureza Brinell en pocos minutos sin destruir el
componente, y obteniendo una buena aproximación de su resistencia a la tensión
[5].
8
3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1
Obtención de aleaciones por AM
3.1.1 Características de los materiales y equipos
(a)
Polvos: Se emplearon polvos fabricados en la empresa Equilab. Los polvos
de cobre poseían una granulometría <74µm y 99% de pureza (el 1% restante
corresponde a elementos como Oxigeno y Nitrógeno). Los polvos de cromo una
granulometría <44µm y 99% de pureza. Y los polvos de molibdeno una
granulometría <150µm y 99.99% de pureza.
(b)
Balanza: Se usó una balanza de marca Acculab Sartorius Group, con una
precisión de 0.01 gr y una capacidad máxima de 610 gr.
(c)
Cámara de guantes: Se utilizó una cámara modelo Nitrogen Dry Box 850-
NB (figura 2), bajo una atmosfera controlada por gas argón, perteneciente al
laboratorio del Instituto de materiales y procesos termodinámicos de la
Universidad Austral.
Figura 2. Cámara de guantes.
(d)
Medio de molienda: Se usaron bolas de acero inoxidable Austenitico
(figura 3); 10 bolas de 19mm, 50 bolas de 12mm, 100 bolas de 8mm y 200 bolas
de 6.4mm.
9
Figura 3. Bolas de acero inoxidable.
(e)
Molino: Las aleaciones fueron realizadas en un molino tipo Atrittor (figura
4), con velocidad de rotación de 530rpm y una capacidad de 2Lt. perteneciente al
laboratorio del Instituto de materiales y procesos termodinámicos de la
Universidad Austral.
Figura 4. Molino Atritor de bolas.
(f)
Gas inerte: Se usó argón con una pureza comercial cuya composición es
de 99.9% Ar, 0.02% O2 y 0.08% N2.
(g)
Agente controlador: A cada aleación se agregó un 1% en peso (polvos) de
ácido esteárico, pues se encontró que para procesar polvos de Cu esa
10
cantidad era lo óptimo. El ácido esteárico cambia la tensión superficial de los
polvos durante la molienda evitando de este modo la soldadura en frío de las
partículas.
3.1.2 Fabricación de aleaciones
(a)
Carga del contenedor
Para cada aleación se pesa en la balanza; los medios de molienda (1127g aprox.),
la cantidad de polvos (10% en peso de los medios de molienda) y el ácido
esteárico (0.1% en peso de los medios de molienda). Luego se carga el recipiente
del molino con los polvos, se cierra y se conecta al motor del molino.
(b)
Purgas en el contenedor
El procedimiento para realizar la purga es el siguiente:
1)
Se conecta el recipiente del molino a la cámara de guantes y se hace vacío
hasta 25 in Hg.
2)
Se cierra la válvula de vacío y se abre el estanque de argón (gas inerte).
3)
Se repite este proceso 3 veces.
4)
El estanque de argón queda conectado al molino de manera de evitar el
ingreso de aire.
Figura 5. Molino attritor-Camara de guantes (Purga).
11
(c)
Aleado mecánico en molino Atritor
Se programa el sistema de control de tiempo, considerando el tiempo de
funcionamiento, tiempo de pausa y tiempo total de molienda.
(d)
Recuperación de polvos
Una vez finalizado el proceso de AM, los polvos son recolectados por medio de
pinceles e introducidos en bolsas plásticas con cierre hermético para
posteriormente ser analizados y compactados para la elaboración de probetas
normalizadas.
3.1.3 Variables consideradas
En investigaciones previas [3] se ha encontrado que para sistemas binarios
la máxima solubilidad de Cr o Mo en Cu está alrededor de 10Cr o 10Mo
para tiempos de molienda menores a 100 h. Por este motivo, es que l as
variables consideradas para este proyecto fueron las siguientes:
(a)
Tiempo de molienda: 10, 15 y 25 horas.
(b)
Porcentaje de soluto: Se consideraron los siguientes sistemas en
porcentaje en peso: Cu, Cu-10 % Cr y Cu-10 % Cr-10 % Mo.
(c)
Razón carga bola/polvo: Se mantuvo constante en 10/1.
3.2
Técnicas de análisis
Para el análisis de los polvos se utilizaron las siguientes técnicas:
3.2.1 Difracción de rayos X (DRX)
El difractómetro utilizado fue un modelo Siemens D5000 perteneciente al
Departamento de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Santiago de Chile.
Las difracciones fueron realizadas en un rango de barrido de ángulo 2θ entre 38º y
120º con un ángulo por paso de 0.02º y un tiempo de 1 segundo en cada paso. Se
12
utilizó un ánodo de Cu para producir los rayos con una longitud de onda de
0,154056 nm.
3.2.2 Microscopia electrónica de barrido (MEB)
El tamaño y la forma de las partículas del polvo se determinaron por medio de
Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Se utilizó el equipo del Departamento
de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Santiago de Chile. El microscopio
usado corresponde a un Modelo Jeol 5410.
3.3
Elaboración de probetas
3.3.1 Características de los materiales y equipos
(a)
Matriz: Provista de un material de acero inoxidable 316L, la matriz
mostrada en la figura 6 posee una perforación interior de 13.33mm de diámetro,
permitiendo así obtener probetas normalizadas.
Figura 6. Matriz para fabricación de probetas
(b)
Punzón: Fabricado con acero AISI 3043, posee un diámetro de 13.03mm
que permite penetrar de manera ajustada a la matriz, lográndose un
desplazamiento adecuado.
(c)
Dado inferior: Fabricado también con acero AISI 3043, y diámetro
13.03mm, que permite que el dado sea removido una vez terminada la
compactación para proceder a la eyección de la probeta.
13
(d)
Lubricante: Como lubricante se utilizó estearato de zinc en polvo, con el fin
de disminuir el roce entre las partículas y de estas con las paredes de la matriz.
(e)
Máquina de ensayos: Prensa hidráulica marca Mohr and Federhaff AG
(figura 7) fabricada en Mannheim Alemania, perteneciente al laboratorio de ensaye
de materiales de la Escuela de Ingeniería Naval. La capacidad de carga máxima
es de 40 toneladas.
Figura 7. Prensa hidráulica Mohr and Federhaff AG.
3.3.2 Compactación de aleaciones
En la compactación se obtiene la forma deseada de la pieza, con dimensiones
muy aproximadas, para su posterior ensayo a compresión. El proceso requiere
que la pieza en verde tenga la suficiente resistencia que permita su manipulación
aunque cuidadosa. Si bien casi la totalidad de los compactos obtenidos no
presentaron problemas de compactación, en una ocasión se obtuvieron probetas
que se fracturaban al ser manipuladas, por lo que se descartaron para el siguiente
ensayo de compresión haciéndose necesario repetir la compactación. El proceso
descrito a continuación está basado en la Norma ASTM B925-08 “Standard
14
Practices for Production and Preparation of Powder Metallurgy (PM) Test
Specimens” [12].
(1)
La matriz debe estar limpia y libre de cualquier elemento abrasivo que
pueda interferir en la compactación.
(2)
Impregnar la matriz y los punzones con lubricantes sólidos como estearato
de zinc. En este trabajo no se aplicó lubricante debido a problemas que este
produjo en el conformado de las probetas en el proceso de compactación.
(3)
Colocar el punzón más pequeño en el soporte de prensa de compactación y
luego llenar la matriz con el material metálico con una cantidad aproximadamente
de 22 g para una matriz de 13 mm de diámetro. Golpear la matriz suavemente
para que el polvo se asiente un poco y colocar el punzón de la parte superior.
(4)
Un vez colocado el punzón en la parte superior, realizar una precarga de 35
MPa con el embolo de la prensa de compactación para asegurar el alineamiento
del sistema punzón matriz (figura 8). Una vez asegurada la alineación proceder a
realizar la carga hasta la presión de compactación final.
Figura 8. Compactación de polvos.
(5)
Descargar suavemente la carga aplicada para evitar que la concentración
de tensiones en el material no genere defectos o grietas que puedan afectar la
resistencia en verde del compacto.
(6)
Retirar el punzón inferior y colocar unos soporte que eviten el contacto del
compacto o del punzón superior con la parte inferior de la prensa de
15
compactación, asegurándose de tener la altura correcta para la eyección del
compacto, se pone en contacto el embolo superior de la prensa con el punzón
superior y se aplica la carga que permite la eyección del compacto, se recomienda
colocar un trozo de papel en la salida del compacto para evitar que se dañe o
deforme al momento de salir de la matriz de compactación, tal como se muestra
en la figura 9.
Figura 9. Extracción de la probeta.
3.3.3 Normalización de probetas
Una vez finalizado el proceso de compactación se obtiene como producto
probetas verdes o no sinterizadas (figura 10a). Estas probetas deben variar ciertas
dimensiones para así obtener probetas estandarizadas. Para lograr estas medidas
se procedió a reducir el largo de las probetas en rangos de 1-3mm para lograr una
altura de 25mm (ASTM E9-09 “Standard Test Methods of Compression Testing of
Metallic Materials at Room Temperature” [13]). Se realizó utilizando una pulidora
(figura 10b) perteneciente al Instituto de Materiales y Procesos Termomecánicos.
El diámetro no es necesario modificarlo ya que la probeta en verde ya posee la
dimensión especificada por la norma.
16
a)
b)
Figura 10. a) Probeta verde. b) Normalización de probeta.
3.3.4 Dureza
Para medir la dureza de las probetas, se utilizó un durómetro (Integrated Hardness
tester) modelo TH 170, perteneciente al laboratorio de Sólidos de la Universidad
Austral.
Figura 11. Durómetro “Integrated Hardness tester” modelo TH 170.
3.4
Ensayo a compresión de probetas
A partir del ensayo de compresión se puede obtener información relacionada con
la resistencia, rigidez y ductilidad de un material. Datos que son directamente
entregados por el software Instron conectado a la máquina de ensayos.
Los ensayos de compresión de las probetas normalizadas fueron realizados en la
máquina Instron Modelo 4469 cuya capacidad máxima es de 5 KN. Dichos
ensayos fueron realizados basándose en la Norma ASTM E9-09 “Standard Test
Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature” [13].
17
Figura 12. Máquina de ensayos Instron Modelo 4469.
3.4.1 Variables consideradas
Las variables consideradas para el ensayo de compresión fueron las siguientes:
(a)
Dimensiones probeta: Probeta sólida de forma cilíndrica, altura=25mm,
diámetro=13mm.
(b)
Velocidad de ensayo: 1 mm/min.
(c)
Umbral de carga: El ensayo finaliza con la ruptura de la probeta.
(d)
Cantidad de probetas: Se consideraron 3 probetas para cada aleación.
3.5
Modelación de probetas en Pro-Engineer
El software Pro/Engineer empleado en los análisis de este estudio, se basa en el
método de elementos finitos. Entre la variedad de análisis que se pueden realizar
mediante el MEF destaca el análisis estático. Este tipo de análisis permite
determinar esfuerzos, desplazamientos y deformaciones que se manifestarán en
la pieza en estudio, en donde se puede observar zonas altamente solicitadas o
zonas de menores solicitaciones, que permitirá realizar una comparación con los
resultados obtenidos del ensayo empírico.
A continuación se presentan las etapas del proceso de modelamiento en
Pro/Engineer, específicamente el módulo Pro/Mechanica Structure.

Forma geométrica del modelo: Se considera una probeta estandarizada
según [13], esto es altura h=25mm y diámetro d=13mm.
18
Figura 13. Probeta normalizada [13].

Datos de entrada característicos, como especificación del tipo de material a
usar y las propiedades de los elementos que componen el modelo.
Figura 14. Propiedades del material de la probeta.

Aplicar condiciones de contorno o restricciones de movimiento según
corresponda: Se considera un extremo fijo de la probeta y el otro móvil en la
dirección de la carga. Importante es destacar que también se modeló un
extremo empotrado de la probeta, sin observarse diferencias en los
resultados obtenidos.
19

Sistema de cargas equivalentes que simulen la fuerza externa aplicada al
sistema: Se aplica una carga uniformemente distribuida en el extremo libre
superior de la probeta.
Figura 15. Sistema de Cargas externas aplicadas a la probeta.
El software Pro/Engineer genera una malla automáticamente, en el cual el número
de elementos y nodos depende de la aproximación polinomial utilizada. Con el fin
de obtener resultados más exactos se utilizó la máxima convergencia posible, a
través de una aproximación polinomial de grado 9.
Una vez finalizadas todas las etapas, los resultados se presentan en listados y
también se pueden visualizar las zonas críticas con sus respectivos esfuerzos,
desplazamientos y deformaciones cuyas magnitudes se muestran con distintos
niveles colores.
20
4
RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1
Difracción de rayos X (DRX)
A continuación se darán a conocer los resultados de los análisis de Difracción de
rayos X, específicamente se analizará como varía el parámetro de red cristalina en
función del tiempo de molienda y se analizarán los máximos de intensidad de los
perfiles de difracción para las aleaciones de Cu-10Cr y Cu-10Cr-10Mo.
4.1.1 Parámetro de red (a)
El parámetro de red cristalina del cobre se calculó desde el análisis de los perfiles
de difracción, utilizando el método propuesto por Cohen [18] y los resultados se
presentan en la figura 16, en la cual se consideró el promedio de la familia de
planos basales. En ella se aprecia una disminución del parámetro de red del cobre
a medida que aumenta el tiempo de molienda hasta 15h. Sin embargo,
posteriormente a esto el parámetro “a” de la estructura FCC de aleación de cobre
aumenta su dimensión. Esta variación no es constante debido a que varía la
cantidad de átomos de cromo y molibdeno que ingresan sustitucionalmente en la
estructura cristalina del cobre. El radio atómico del cromo (0.127nm) [19] es menor
que el radio atómico del cobre (0.128nm) [19] y, a su vez, el radio atómico del
molibdeno (0.145nm) [19] es mayor que el del cobre. Por tanto, al entrar átomos de
cromo en cobre, disminuye el parámetro de red y al entrar átomos de molibdeno, el
parámetro de red del cobre experimenta una expansión. Así, durante la aleación,
se producen ambos efectos en conjunto. Si se considera, por una parte, que el
cobre y el cromo tienen una menor diferencia de radios atómicos que el cobremolibdeno, se puede concluir que los átomos de cromo presentan condiciones más
favorables para entrar en solución en cobre que los de molibdeno.
21
Figura 16. Variación del parámetro “a” de red cristalina FCC de la aleación Cu-10Cr-10Mo
en función del tiempo de molienda.
4.1.2 Difractogramas
La figura 17 muestra la evolución de los difractogramas para la aleación de Cu10Cr, así como también la evolución de difractogramas de los picos más intensos
de cobre en función del tiempo de molienda. A modo de describir cualitativamente
los máximos de intensidad, se puede decir que estos no disminuyen en intensidad
en forma regular con el tiempo. Como podemos ver en la figura 17a, se observa
que para la aleación Cu-10Cr (15h) el máximo de intensidad del cobre es menor en
relación al mostrado a 10 horas de molienda, lo que en un principio significaría que
átomos de Cr han entrado en solución sólida. Pero podemos apreciar también que
hay un incremento del máximo de intensidad del cobre para la aleación Cu-10Cr
(25h) respecto a las aleaciones de menor tiempo de molienda, lo que contradice la
apreciación anterior.
Sin embargo la intensidad de los máximos de intensidad depende de aspectos
experimentales tales como, tamaño y distribución de partículas, cantidad de polvo
de la muestra, calidad de la superficie expuesta a los rayos X, curvatura de la
22
superficie expuesta y sobre todo es importante destacar que el coeficiente de
absorción de los elementos es muy diferente. Es por esta razón que se debe tener
cuidado al momento de comparar las intensidades de distintas muestras. Debido a
lo anterior la intensidad de los perfiles de difracción sólo entrega información
cualitativa, poco relevante. Uno de los aspectos que entrega información
importante sobre los rasgos microestructurales de los materiales en los perfiles de
difracción, está relacionada con el ensanchamiento del máximo de las
intensidades.
Según MARTINEZ. et al. [22] la disminución del tamaño de granos o cristalitas, así
como también acumulación de inhomogeneidades de la estructura cristalina, entre
otros factores, causa un ensanchamiento de los picos de difracción. En las
aleaciones de cobre este ensanchamiento puede calcularse de forma aproximada
como la mitad de la intensidad de los máximos de intensidad. Según esta
apreciación y apoyándonos en la figura 17b, se puede observar que para la
aleación de 25h aumenta el ancho del máximo de intensidad con respecto a las
aleaciones de menores tiempos de molienda. Y según lo mencionado
anteriormente esto se debe a una disminución en el tamaño del dominio cristalino.
A modo de análisis general, podemos mencionar que cuando los átomos de soluto
(Cr) entran en solución sólida, las aleaciones son más duras y resistentes en
comparación con el metal puro en que se basan, así hay un aumento en la
tendencia a la fragmentación, favoreciendo la disminución del tamaño del dominio
cristalino.
23
(a)
(b)
Figura 17. a) Evolución de los difractogramas para aleación Cu-10% peso Cr. b) evolución
de difractogramas de los picos más intensos de cobre {111}, en función del tiempo de
molienda.
24
4.2
Microscopia electrónica de barrido (MEB)
A través de Microscopía Electrónica de Barrido se puede determinar directamente
el tamaño y morfología de las partículas de las aleaciones estudiadas. En este
caso analizaremos la evolución de las partículas de la aleación Cu-10Cr-10Mo
para tiempos de molienda de 10 y 25h.
En la figura 18 a) y b), se puede apreciar cómo evoluciona la morfología de las
partículas de la aleación Cu-10Cr-10Mo en función del tiempo de molienda. En a)
se observan partículas aplanadas con una morfología en forma de hojuelas que
están conformadas por una serie de capas de los componentes metálicos. Este
hecho se explica ya que en etapas iniciales de AM los componentes dúctiles son
aplanados [20]. En b) ya no se manifiestan las partículas aplanadas, sino que en
los polvos predominan morfologías de partículas más redondeadas con superficies
irregulares y anguladas.
a)
b)
Figura 18. Imágenes MEB. a) Cu-10Cr-10Mo a 10 horas. b) Cu-10Cr-10Mo a 25 horas de
molienda.
A través de estas imágenes obtenidas por MEB (figura 18) se midió directamente
el tamaño de las partículas. Si bien se debe tener mucho cuidado al determinar el
tamaño de las partículas debido a que generalmente están aglomeradas, se puede
realizar una aproximación de dicho tamaño. Para 10 horas de molienda (figura
25
18a.) el tamaño es de 45µm, por el contrario al aumentar el tiempo de molienda a
25h (figura 18.b) el tamaño disminuye a 35µm aproximadamente.
En general las aleaciones estudiadas presentaron comportamientos similares en la
evolución del tamaño y distribución de partículas. A medida que aumenta el tiempo
de molienda las partículas tienden a reducir su tamaño, esto puede asociarse a
varios factores, como por ejemplo, que la razón de fractura es mayor que la razón
de soldadura. O también al incremento de defectos internos de la estructura,
paralelamente con un posible aumento de solubilidad de Cr y Mo en Cobre. Dando
con ello un aumento de dureza en las partículas y fragilidad de las mismas con
tendencia a fracturarse.
4.3
Densidad
Luego de normalizar las probetas, se procedió a calcular la densidad según la
ecuación (1). En algunos casos no se logró obtener la altura de 25mm como indica
la norma, ya que luego del proceso de compactación aparecen grietas que no
permiten variar la longitud debido a que sufren desprendimiento de material. Si
bien la resistencia mecánica obtenida en los ensayos depende de la altura de las
probetas [13], en este caso no fue un factor determinante ya que la longitud solo
varió en rangos de 1-3mm.
En la tabla 1 se pueden observar los valores para las densidades verdes, así como
también el porcentaje que relaciona esta densidad con la densidad real del
material. En este caso se consideró un valor de 8,9g/cm3 como la densidad real del
material [21], la cual corresponde a la densidad del cobre recocido.
26
Tabla 1. Dimensiones y densidades probetas verdes de aleaciones según el tiempo de
molienda.
Aleación
Cu(10h)
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Cu-10Cr-10Mo(25)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
h(mm)
25,20
25,00
25,00
25,07
26,80
26,50
25,00
26,10
26,80
25,00
25,00
25,60
25,20
24,80
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
29,00
26,33
25,10
25,00
25,20
25,10
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
29,20
26,40
m(g)
21,28
20,86
20,85
21,00
22,42
22,36
22,14
22,31
21,93
20,63
20,77
21,11
21,13
21,73
20,96
21,27
20,93
20,94
21,05
20,97
20,58
20,56
23,55
21,56
21,19
21,14
21,27
21,20
21,06
21,09
21,04
21,06
20,81
21,02
23,67
21,83
p(g/cc)
6,36
6,29
6,28
6,31
6,30
6,36
6,67
6,44
6,16
6,22
6,26
6,21
6,32
6,60
6,32
6,41
6,31
6,31
6,34
6,32
6,20
6,20
6,12
6,17
6,36
6,37
6,36
6,36
6,35
6,36
6,34
6,35
6,27
6,33
6,11
6,24
p/pr(%)
71,48
70,63
70,60
70,91
70,82
71,43
74,97
72,40
69,27
69,85
70,33
69,82
70,98
74,17
70,97
72,04
70,87
70,90
71,28
71,02
69,68
69,62
68,74
69,35
71,46
71,58
71,45
71,50
71,31
71,41
71,24
71,32
70,46
71,17
68,62
70,09
27
En el gráfico de la figura 19 mostrada a continuación se observa que en general
para el cobre y las dos aleaciones la densidad tiende a disminuir su valor a medida
que aumenta el tiempo de molienda. Este hecho se debe a que a medida que
transcurre el AM las partículas se van endureciendo, fenómeno que analizaremos
más adelante. Este aumento de la dureza trae consigo que sea más difícil que se
acomoden las partículas entre ellas, dejando más espacios vacíos (disminución de
la masa). Debido a que el volumen es constante (tamaño probeta estándar) es que
disminuye la densidad según la expresión ρ=M/V.
Figura 19. Variación de la densidad en función del tiempo de molienda.
4.4
Dureza
Se midió la dureza Brinell (HB) en las superficies laterales y extremos de las
probetas, teniendo el cuidado de no superponer las mediciones en las huellas
dejadas por el instrumento, ya que se alteran los resultados. Se registraron tres
mediciones en los extremos y 12 en la superficie lateral, para luego obtener un
promedio de la dureza.
Estos resultados se muestran en la tabla siguiente:
28
Tabla 2. Dureza en escala Brinell (HB) de caras laterales y extremos de las probetas.
Aleación
Cu(10h)
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Cu-10Cr-10Mo(25)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
Extremo (HB)
97
99
97
98
*Nota
91
91
91
95
110
107
104
98
88
98
95
94
101
90
95
98
101
97
99
91
91
95
92
96
90
98
95
97
104
99
100
Cara lateral (HB)
145
140
158
148
102
125
132
120
173
130
146
150
122
118
126
122
119
144
114
126
124
131
138
131
124
134
116
125
129
124
139
131
*Nota
123
*Nota
123
Promedio
121
120
128
123
102
108
112
105
134
120
127
127
110
103
112
108
107
123
102
110
111
116
118
115
108
113
106
109
113
107
119
113
97
114
99
112
*Nota: Valores imposibles de medir debido a fragilidad de probeta.
29
Como se puede observar en la figura 20 a medida que aumenta el tiempo de
molienda la dureza de las aleaciones aumenta también. El hecho de que el cobre
puro aleado posea mayor dureza que el resto de las aleaciones para 25 horas de
molienda se explica porque el cobre posee una estructura de 4 átomos por celda
unitaria. Este tipo de estructuras poseen un coeficiente de endurecimiento por
deformación muy alto, a diferencia del cromo y molibdeno, los cuales poseen una
estructura de 2 átomos por celda unitaria, que tienen un coeficiente de
endurecimiento por deformación más bajo que el del cobre.
Figura 20. Variación de la dureza en función del tiempo de molienda.
4.5
Propiedades mecánicas obtenidas empíricamente
A partir del ensayo de compresión se puede obtener información relacionada con
la resistencia, rigidez y ductilidad de un material.
Según la norma ASTM B312-09 “Standart Test Method for Green Strength of
Specimen Compacted from Metal Powders” [14] la resistencia en verde del
material ensayado se calcula como el promedio aritmético de las resistencias de
tres probetas individuales. Debido a esto, a continuación se presentan los
30
resultados entregados por el software Instron obtenidos del ensayo a compresión,
incluyendo el cálculo de dichos promedios para cada aleación.
4.5.1 Modulo elástico
Muchos materiales estructurales, como la mayor parte de los metales se
comportan en forma tanto elástica como lineal cuando se comienzan a cargar. En
consecuencia, sus curvas de esfuerzo-deformación unitaria comienzan con una
recta que pasa por el origen. Cuando un material se comporta en forma elástica y
también presenta una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación unitaria, se
llama linealmente elástico. Esta clase de comportamiento tiene extrema
importancia en ingeniería, por una razón obvia: al diseñar estructuras que
funcionen en esta región se evita deformaciones permanentes debidas a la
fluencia [15].
El módulo elástico o módulo de Young es la pendiente del diagrama esfuerzodeformación unitaria en la región linealmente elástica.
Figura 21. Diagrama esquemático tensión-deformación con deformación elástica lineal
[11].
En la tabla 3 se observa los valores para el módulo de elástico de las probetas,
obtenidos en el ensayo de compresión.
31
Tabla 3. Modulo de Young (MPa) de probetas verdes.
Aleación
Cu(10h)
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Cu-10Cr-10Mo(25)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
Modulo de Young (MPa)
2217
2080
2059
2119
895
948
1212
1018
1508
1734
1759
1667
1358
1663
1148
1390
1734
1839
1856
1810
1638
1530
1470
1546
1834
1834
1768
1812
1606
1594
1544
1581
1282
1821
*Nota
1552
*Nota: Valores imposibles de medir debido a fragilidad de probeta.
32
En la figura 22, que representa la variación del módulo de elasticidad en función
del tiempo de molienda para el cobre y las dos aleaciones en estudio, no se
aprecia una tendencia clara en la variación de esta propiedad. A 10 horas de
molienda el cobre posee un mayor módulo elástico que el resto de las aleaciones,
pero a 15 horas ocurre todo lo contrario. Esta variación del parámetro analizado
está relacionada con el endurecimiento por deformación que sufren las partículas a
lo largo de la molienda. Sin embargo se puede observar que para el tiempo de 25
horas de molienda las dos aleaciones y el cobre alcanzan prácticamente el mismo
valor para este parámetro (1546-1667 MPa). En otras palabras poseen una rigidez
(resistencia del material a la deformación elástica) bastante cercana.
Figura 22. Variación del módulo de Young en función del tiempo de molienda.
4.5.2 Esfuerzo de fluencia
Cuando un material no tiene un punto de fluencia bien definido, se puede
determinar un esfuerzo arbitrario de fluencia llamado esfuerzo de fluencia
desplazado [15]. En el diagrama de esfuerzo-deformación unitaria se traza una
recta paralela a la parte inicial lineal de la curva pero desplazada cierta
deformación unitaria normalizada. El cruce de la línea desplazada con la curva
33
esfuerzo-deformación unitaria (punto A en la figura 23) define el esfuerzo de
fluencia. Como este esfuerzo se determina con una regla arbitraria y no es una
propiedad física propia del material, se debe diferenciar de una resistencia real de
fluencia, llamándolo esfuerzo de fluencia desplazado [15].
Figura 23. Esfuerzo de fluencia arbitrario, determinado por el método de desplazamiento
[15].
Los valores de desplazamiento más comunes son el 0,2% y 0,5% de la
deformación [15]. Para este análisis se consideró un desplazamiento de 0,1% de la
deformación ya que para los valores 0,2% y 0,5% el software Instron de la
máquina de ensayos no entrega valores, ya que no se produce la intersección de
las curvas antes mencionadas.
En la tabla 4 se observa los valores de esfuerzos de fluencia desplazados 0,1% de
las probetas obtenidos en el ensayo de compresión. Estos valores difieren
bastante del valor teórico del esfuerzo de fluencia del cobre y sus aleaciones, el
cual bordea los 180 MPa [21]. Según esta tabla los valores solo se aproximan en
un 29% (si se considera un promedio general de las aleaciones y el Cu) al valor
antes mencionado.
Tabla 4. Esfuerzo de fluencia desplazado 0,1% de la deformación.
Aleación
Cu(10h)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
Tensión fluencia 0.1% (MPa)
128,70
99,44
90,86
106,33
34
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Cu-10Cr-10Mo(25)
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
20,64
*Nota
37,82
29,23
*Nota
6,84
46,88
26,86
34,04
51,51
27,21
37,59
68,95
68,06
73,27
70,09
53,64
42,76
33,27
43,22
70,79
67,61
63,04
67,15
54,04
49,47
44,33
49,28
25,50
65,53
**Nota
45,52
*Nota: No existe valor entregado por gráfico.
**Nota: Valores imposibles de medir debido a fragilidad de probeta.
A continuación en la figura 24 se observa como varía el esfuerzo de fluencia en
función del tiempo de molienda para el cobre y las dos aleaciones en estudio.
Tanto para el cobre puro como la aleación Cu-10Cr-10Mo se aprecia que el
esfuerzo de fluencia disminuye su valor a las 25 horas respecto a las 10 horas de
35
molienda. Esta disminución se explica debido a que la densidad también ha
disminuido su valor a 25h. Ya que hay una directa relación entre la resistencia de
un material y su densidad [26].
Figura 24. Variación del Esfuerzo de Fluencia en función del tiempo de molienda.
4.5.3 Esfuerzo máximo
La resistencia máxima a compresión es la tensión en el máximo del diagrama
esfuerzo-deformación nominales. Esto corresponde a la máxima tensión que
puede soportar una estructura sometida a compresión.
El esfuerzo nominal o ingenieril se puede calcular según la fórmula (2) dividiendo
la carga F aplicada entre el área Ao de la sección transversal original del
espécimen. Este cálculo supone que el esfuerzo es constante en la sección
transversal [16].
=
(2)
En la tabla 5 podemos observar los valores de esfuerzo máximo de las probetas
obtenidos en el ensayo de compresión. Si se comparan estos valores con los de la
36
tabla 4 (esfuerzo de fluencia) se puede afirmar que son bastante cercanos,
variando solo un 3,7% los valores entre ellos. Esta similitud se explica porque al
aumentar el tiempo de molienda se va perdiendo la ductilidad de las partículas
haciéndose más frágiles (debido a endurecimiento por deformación) lo que trae
consigo que el esfuerzo de fluencia coincida con el esfuerzo máximo ya que el
material prácticamente no fluye.
Tabla 5. Esfuerzo máximo (MPa) de probetas verdes.
Aleación
Cu(10h)
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
Esfuerzo máximo (MPa)
130,90
103,10
96,51
110,17
22,07
26,79
37,86
28,91
41,69
45,95
46,88
44,84
34,54
51,51
28,28
38,11
68,95
69,43
73,27
70,55
55,64
43,69
33,30
44,21
71,45
67,92
63,10
67,49
54,43
37
Cu-10Cr-10Mo(25)
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
49,47
46,07
49,99
27,07
65,77
*Nota
46,42
*Nota: Valores imposibles de medir debido a fragilidad de probeta.
A continuación en la figura 25 se observa como varía el esfuerzo máximo en
función del tiempo de molienda para el cobre y las dos aleaciones en estudio. Al
igual que el esfuerzo de fluencia, tanto para el cobre puro como la aleación Cu10Cr-10Mo se aprecia que el esfuerzo máximo disminuye su valor a las 25 horas
respecto a las 10 horas de molienda, alcanzándose un valor de 44 MPa
aproximadamente para ambas aleaciones. Si bien la aleación de Cu-10Cr no
presenta la misma variación que las otras aleaciones, también alcanza este mismo
valor para el esfuerzo máximo a 25 horas de molienda. Este hecho se explica
porque a las 25h de molienda las partículas se han endurecido lo suficiente como
para que les sea muy difícil acomodarse entre ellas. Por lo tanto, independiente de
la aleación que se trate, las partículas se acomodan de la misma forma y los
resultados para la resistencia máxima es igual.
Figura 25. Variación del Esfuerzo máximo en función del tiempo de molienda.
38
4.5.4 Esfuerzo de rotura
Los materiales que exhiben poca o ninguna fluencia antes de la rotura se llaman
materiales frágiles. Así para estos materiales no hay diferencias entre la
resistencia última y la resistencia a la fractura o rotura (figura 26). Además, la
deformación unitaria al momento de la fractura es mucho menor para los
materiales frágiles que para los materiales dúctiles [17].
Figura 26. Diagrama típico de Esfuerzo-deformación unitaria para un material frágil,
mostrando el límite de proporcionalidad (A) y el esfuerzo de fractura (B) [16].
El esfuerzo de rotura se puede calcular a partir de la ecuación (2) al igual que el
esfuerzo máximo.
En la tabla 6 podemos observar los valores de esfuerzo de rotura de las probetas
obtenidos en el ensayo de compresión. Si se comparan estos valores con los de
las tablas 4 y tabla 5(esfuerzos de fluencia y máximo) se puede afirmar que son
bastante cercanos, variando solo un 3,7% los valores entre ellos. Esta similitud se
explica porque al aumentar el tiempo de molienda se va perdiendo la ductilidad de
las partículas haciéndose más frágiles (debido a endurecimiento por deformación)
lo que trae consigo que el esfuerzo de rotura coincida con los esfuerzos de fluencia
y máximo, ya que el material prácticamente no fluye y colapsa (revienta) al llegar a
su resistencia máxima.
39
Tabla 6. Esfuerzo de rotura (MPa) de probetas verdes.
Aleación
Cu(10h)
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Cu-10Cr-10Mo(25)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
Tensión rotura (MPa)
127,70
97,87
95,15
106,91
21,36
26,79
37,86
28,67
41,64
45,87
46,45
44,65
33,82
51,23
25,96
37,00
68,18
69,35
71,39
69,64
55,64
42,05
32,94
43,54
70,06
67,15
61,61
66,27
53,92
48,82
43,40
48,71
24,00
63,50
*Nota
43,75
*Nota: Valores imposibles de medir debido a fragilidad de probeta.
40
A continuación en la figura 27a se observa como varía el esfuerzo de rotura en
función del tiempo de molienda para las tres aleaciones en estudio. Al igual que los
esfuerzos de fluencia y máximo, tanto para el cobre puro como la aleación Cu10Cr-10Mo se aprecia que el esfuerzo de rotura disminuye su valor a las 25 horas
respecto a las 10 horas de molienda, alcanzándose un valor de 44 MPa
aproximadamente para ambas aleaciones. Si bien la aleación de Cu-10Cr no
presenta la misma variación que las otras aleaciones, también alcanza este mismo
valor para el esfuerzo de rotura a 25 horas de molienda. Este hecho se explica (al
igual que el esfuerzo máximo) porque a las 25h de molienda las partículas se han
endurecido lo suficiente como para que les sea muy difícil acomodarse entre ellas.
Por lo tanto, independiente de la aleación que se trate, las partículas se acomodan
de la misma forma y los resultados para la resistencia de rotura es prácticamente
la misma.
El hecho de que el esfuerzo máximo alcance el mismo valor que el esfuerzo de
rotura se debe a que estamos en presencia de probetas verdes (no sinterizadas)
las cuales se comportan como material frágil como se mencionó en el apartado
4.5.4. En este tipo de materiales el esfuerzo máximo, ultimo y de fractura es
prácticamente el mismo, lo cual se puede comprobar con la figura 27b que
representa un gráfico (entregado por software Instron) Tensión-Deformación para
aleación Cu(25h)-P1 según ensayo a compresión.
41
a)
b)
Figura 27. a) Variación del Esfuerzo de Rotura en función del tiempo de molienda. b)
Diagrama Tensión-Deformación para aleación Cu (25h)-P1 según ensayo a compresión.
42
4.5.5 Porcentaje de elongación
Una manera de especificar la ductilidad de un material es reportar su porcentaje de
elongación. Este porcentaje es la deformación unitaria del espécimen en la fractura
expresada en porcentaje. Así, si la longitud original es Lo y la longitud durante la
ruptura es Lf, entonces:
%
ó =
(
)
(3)
En la tabla 7 podemos observar los valores de porcentaje de elongación de las
probetas obtenidos en el ensayo de compresión. Se aprecia que el porcentaje de
elongación fluctúa entre 2,79-7,36%. Estos valores tan pequeños de deformación
se explican porque al aumentar el tiempo de molienda se va perdiendo la ductilidad
de las partículas haciéndose más frágiles debido a endurecimiento por solución
solida y deformación.
Tabla 7. Porcentaje de elongación (%) de probetas verdes.
.
Aleación
Cu(10h)
Cu(15h)
Cu(25h)
Cu-10Cr(10)
Cu-10Cr(15)
Probeta
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
Deformación en rotura (%)
7,36
6,52
6,08
6,65
3,72
4,12
4,60
4,15
3,84
3,64
3,52
3,67
3,76
4,20
3,52
3,83
5,24
5,32
43
Cu-10Cr(25)
Cu-10Cr-10Mo(10)
Cu-10Cr-10Mo(15)
Cu-10Cr-10Mo(25)
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
P1
P2
P3
Promedio
5,16
5,24
4,76
4,08
2,79
3,88
5,04
4,76
4,76
4,85
4,84
4,52
4,40
4,59
3,28
5,16
*Nota
4,22
*Nota: Valores imposibles de medir debido a fragilidad de probeta.
En la figura 28 se observa como varía el porcentaje de elongación en función del
tiempo de molienda para las tres aleaciones en estudio. Al igual que las
propiedades mecánicas anteriores tanto para el cobre puro como la aleación Cu10Cr-10Mo se aprecia que el porcentaje de elongación disminuye su valor a las 25
horas respecto a las 10 horas de molienda, alcanzándose valores entre 3,674,22%. Esta disminución en la ductilidad de los materiales tiene relación con el
aumento de dureza debido al endurecimiento por deformación de los polvos, ya
que, como se vio en el apartado 4.4, a medida que aumenta el tiempo de molienda
aumenta también la resistencia y con ello la fragilidad de las aleaciones en estudio.
Cabe destacar además, que estos valores obtenidos de porcentaje de elongación
tan bajos (<5% aprox.), reafirman la apreciación realizada en 4.5.4 respecto a que
se está en presencia de un material muy frágil.
44
Figura 28. Variación del Porcentaje de elongación en función del tiempo de molienda.
A modo de análisis general, se puede afirmar que se obtuvo ciertas conclusiones
respecto a las propiedades mecánicas de las probetas para las distintas
aleaciones, como por ejemplo que para las aleaciones Cu y Cu-10Cr-10Mo los
esfuerzos de fluencia, máximos y de rotura disminuyen a 25 horas de molienda
respecto a 10 horas, al igual que el porcentaje de elongación. Sin embargo estos
valores solo alcanzan un 30% de los parámetros reales del Cobre y sus aleaciones
[21]. Es por esta razón que los ensayos de probetas verdes sin sinterizar no son
concluyentes, haciéndose necesario realizar un proceso de sinterizacion asistida
por corriente de plasma llamado SPS (Spark Plasma Sintering) con el fin de
obtener cuerpos densos en tiempos muy cortos, lo que limita el crecimiento de
grano, dando lugar a microestructuras que no se pueden obtener por otros
métodos de sinterización. Este proceso se está llevando a cabo por un grupo de
investigación de la Universidad Federico Santa María como una continuación de
este trabajo.
45
4.6
Propiedades mecánicas obtenidas en Pro-Engineer
Para la simulación en Pro/Engineer (módulo Mechanica) se consideró la probeta
P1 de la aleación Cu (10h), especificando las propiedades mecánicas obtenidas en
el ensayo empírico a compresión, estos datos aparecen en la tabla 8.
Tabla 8. Propiedades probeta P1 obtenidas en ensayo compresión.
Aleación
Pobreta
Cu(10h)
P1
Densidad (g/cc) Modulo de Young (MPA) Tensión fluencia 0.1% (MPA)
6,40
2217
128,70
Los resultados obtenidos del análisis estático se analizan a continuación:
Desplazamientos:
Observando el gráfico de colores (figura 29), se aprecia claramente un
desplazamiento en la parte superior de la probeta donde se aplica la fuerza. Aquí
se alcanza el valor máximo de desplazamiento, en este caso es 1,46mm. lo que se
aproxima al resultado obtenido en el ensayo empírico(1,84mm) con una variación
de 0,38mm lo que equivale a 21%.
a)
b)
Figura 29. a) Gráfico de colores, desplazamiento (mm). b) Probeta ensayada.
46
Esfuerzos:
En el gráfico de colores de la figura 30 se observa la misma condición observada
en las probetas ensayadas empíricamente (figura 29b). Las zonas principales de
concentración de esfuerzos se encuentran en la parte inferior de la probeta, y sus
valores de esfuerzos se encuentran entre 126-138 MPa. Si comparamos este
resultado con el valor obtenido del ensayo a compresión 129 MPa según tabla 8,
se observa una similitud en los valores variando solo en un 6.5% los resultados.
Figura 30. Concentración de Esfuerzos.
Deformaciones:
En el gráfico de colores de la figura 31 se observa una mayor deformación en la
parte central e inferior de la probeta (indicado en color celeste). El valor para la
deformación máxima es aproximadamente 6%. Si se compara este resultado con
el valor obtenido del ensayo a compresión 7,32% (tabla 7) es bastante similar,
variando en un 18% los resultados. En los resultados de los ensayos de
compresión se puede apreciar que las probetas se comportan como un material
frágil y no dúctil, esto se debe a que es un material compactado en verde, sin
sinterizar. Esta apreciación se observa en el gráfico de la figura 32, donde la
probeta llega a su resistencia máxima y colapsa (revienta). Además se observa
que la fluencia es prácticamente nula.
47
Figura 31. Deformación mm/mm
Figura 32. Diagrama Tensión-Deformación para aleación Cu (10h)-P1 según ensayo a
compresión.
Si bien el software Pro/Engineer permite una modelación adecuada de las
probetas ensayadas a compresión, hay diferencias en los resultados debido a que
en este último ensayo se presentan distintos factores que afectan la resistencia del
material. Entre esos factores destacan la presencia de pequeñas grietas
transversales en las probetas, además de la variación de la densidad a lo largo de
los compactos debido al ensayo de compactación aplicado.
48
4.7 Revestimiento de techumbres en base a cobre
El cobre tiene muy buenas características para ser utilizado como revestimiento
de techumbres, tiene muy buena resistencia a la corrosión y una durabilidad
excelente, se estima 80 años en zonas costeras e industriales y más de 100 años
en zonas urbanas y rurales, no requiere mantenimiento alguno, no requiere
limpieza, es muy maleable y fácil de manipular aún en temperaturas bajas, es
reciclable cien por ciento si límites de ciclos, no es toxico y acepta muy bien la
soldadura.
Entre las empresas más importantes que se dedican a la producción y
comercialización de revestimiento de techumbres en base a Cobre en Chile y el
mundo destacan NIELOL, CUPRUM CHILE, CODELCO, LUVATA Y QUINTA
METÁLICA. Es a esta última a la cual haremos referencia debido a su amplia
experiencia en el rubro, proporcionando asesoría completa para el diseño, puesta
en servicio y mantención de los revestimientos en base a cobre. Esta empresa
fabrica sus revestimientos con materiales TECU, proporcionados por la empresa
KM Europa Metal AG (KME), productora del material con que se fabrican los
revestimientos.
El material TECU que se utiliza en edificación se basa en cobre DHP, esto es
cobre libre de oxígeno, desoxidado al fósforo, con una cantidad residual de fósforo.
Debido a su resistencia al hidrógeno, este cobre es especialmente apto para
aplicaciones con estañosoldeo y electrosoldeo [21].
A continuación se señalan las propiedades físicas (tabla 9) y mecánicas (tabla 10)
del cobre DHP.
Tabla 9. Propiedades físicas de CU-DHP.
Densidad
8,93g/cm3
Punto de fusión
1083⁰ C
Modulo de Elasticidad a 20⁰ C
132GPa
Coeficiente de dilatación térmica
1,7mm/m
49
Tabla 10. Propiedades mecánicas de CU-DHP para el estado medio duro R240.
Resistencia a la tracción
240-300 MPa
Límite Elástico 0.2%
180 MPa
Porcentaje de Elongación
8% min.
Dureza
65-95 HV (35 HB)
4.7.1 Comparación de propiedades mecánicas de cobre DHP frente a
aleaciones estudiadas
Debido a que los resultados obtenidos en los ensayos de compresión para las
propiedades mecánicas de las probetas verdes no son concluyentes, es que se
hace necesario realizar una comparación cuantitativa basándonos en la dureza de
estas probetas, ya que como mencionamos anteriormente (sección 2.5) esta
propiedad tiene directa relación con la resistencia a la tensión de los metales.
Una estimación de los valores de esta resistencia para distintos valores de dureza
Brinell se muestra en la tabla 11. En la tabla 2 podemos observar que la dureza de
las aleaciones estudiadas fluctúa entre 108-115 HB para la aleación Cu-10Cr y
109-113 HB para Cu-10Cr-10Mo para los diferentes tiempos de molienda. En
términos de resistencia a la tensión, según la tabla 11 esta dureza equivale a 367391 MPa para la aleación Cu-10Cr y 370-384 MPa para la aleación Cu-10Cr-10Mo.
Comparando estos valores con el del cobre DHP, cuya resistencia máxima a la
tensión es de 300 MPa, podemos concluir que las aleaciones estudiadas alcanzan
resistencias superiores.
Tabla 11. Equivalencia entre Dureza Brinell y resistencia a la Tensión [23].
Dureza Brinell Resistencia a las tensión
HB
Mpa
76
255
80,7
270
85,5
285
90,2
305
95
320
Dureza Brinell
HB
209
214
219
223
228
Resistencia a las tensión
Mpa
705
720
740
755
770
50
99,8
105
109
114
119
124
128
133
138
143
147
152
156
335
350
370
385
400
415
430
450
465
480
495
510
530
233
238
242
247
252
257
261
266
271
276
280
285
295
785
800
820
835
850
865
880
900
915
930
950
965
995
Como ya mencionamos, el AM involucra procesos de soldadura en frío, fractura,
deformación plástica y resoldadura de las partículas de polvo [4, 24]. Al controlar
estos procesos de deformación de las partículas, se pueden intervenir y por ende
mejorar las propiedades de los materiales.
El endurecimiento por deformación, en un metal, se obtiene mediante el trabajo en
frío. En la figura 33 podemos observar el efecto de este trabajo sobre las
propiedades mecánicas del cobre puro comercial. Como se aprecia, tanto la
resistencia a la tensión como el límite elástico aumentan al aumentar el trabajo en
frío. Sin embargo la ductilidad del material tiende a reducirse a cero. Es por esta
razón que existe un máximo de trabajo en frío que debemos limitar, para que no se
pierda la ductilidad del material en un 100%.
51
Figura 33. Efecto del trabajo en frío en las propiedades mecánicas del cobre [5].
La estructura cristalina de los polvos es otro factor que influye en el endurecimiento
de los metales. La estructura de los átomos de soluto del cobre son FCC, este tipo
de estructuras poseen un coeficiente de endurecimiento por deformación muy alto.
Si se analizan las estructuras de los átomos de soluto del cromo y molibdeno, se
puede concluir que poseen la misma estructura, la de tipo BCC, la cual posee un
coeficiente de endurecimiento por deformación más bajo que el del cobre. Es por
esta razón que en las aleaciones estudiadas se ve favorecido el endurecimiento
por deformación, debido a la gran cantidad de cobre que en ellas predomina.
Por último cabe mencionar que en AM se espera que los átomos de soluto entren
en solución sólida con los átomos de solvente, produciendo un endurecimiento por
solución sólida. Este endurecimiento depende de dos factores, pequeña diferencia
entre radios atómicos del soluto y solvente, y cantidad del elemento aleante.
El material se endurece debido a que las diferencias en los radios atómicos del
soluto y solvente producen una distorsión en el arreglo atómico de la red del
solvente. Es por esta razón, que las aleaciones tienen mayor resistencia que los
metales puros.
52
El endurecimiento por solución sólida tiene diferentes efectos sobre las
propiedades de un metal, entre los cuales destacan aumento de la dureza, del
esfuerzo de fluencia, y resistencia a la tensión, y disminución de la ductilidad
respecto al metal puro. Todos estos efectos se pudieron observar en las
aleaciones estudiadas. Aumentó la dureza y por ende la resistencia a la tensión
respecto al cobre DHP, pero también disminuyo la ductilidad, lo que no es
favorable, ya que es esta propiedad de los metales la que les otorga la capacidad
de desarrollar grandes deformaciones plásticas, como es el caso del acero
estructural.
53
5
CONCLUSIONES
Luego de los análisis realizados a través de DRX para la aleación Cu-10Cr-10Mo,
se aprecia una disminución del parámetro de red cristalina del cobre en función del
tiempo de molienda. Esta variación no es constante debido a que varía la cantidad
de átomos de cromo y molibdeno que ingresan sustitucionalmente en la estructura
cristalina del cobre. Por tanto, al entrar átomos de cromo en cobre, disminuye el
parámetro de red y al entrar átomos de molibdeno, el parámetro de red del cobre
experimenta una expansión. Así, durante la aleación, se producen ambos efectos
en conjunto. Si se considera, por una parte, que el cobre y el cromo tienen una
menor diferencia de radios atómicos que el cobre-molibdeno, se puede concluir
que los átomos de cromo presentan condiciones más favorables para entrar en
solución en cobre que los de molibdeno.
En los perfiles de difracción para la aleación Cu-10Cr, se concluye que se produjo
un ensanchamiento de los picos de difracción debido a una disminución en el
tamaño del dominio cristalino. Esta disminución indica que átomos de soluto (Cr)
entraron en solución sólida dentro de la estructura cristalina del cobre.
Luego de los análisis realizados a través de MEB para la molienda Cu-10Cr-10Mo,
se concluyó que a medida que aumenta el tiempo de molienda las partículas
tienden a reducir su tamaño, debido a que la razón de fractura es mayor que la
razón de soldadura.
A medida que aumenta el tiempo de molienda la dureza de las aleaciones también
aumenta. El hecho de que el cobre puro aleado logre una mayor dureza que el
resto de las aleaciones es porque el cobre posee una estructura de átomos cuyo
coeficiente de endurecimiento por deformación es muy alto respecto al cromo y
molibdeno.
Para las tres aleaciones en estudio, la densidad disminuye a medida que aumenta
el tiempo de molienda. Este hecho se debe a que a medida que transcurre el AM
54
las partículas se van endureciendo, provocando que sea más difícil que se
acomoden las partículas entre ellas, desencadenando que disminuya la densidad.
Respecto a las propiedades mecánicas obtenidas del ensayo de compresión de las
probetas verdes se puede concluir que para las aleaciones Cu y Cu-10Cr-10Mo los
esfuerzos de fluencia, máximos y de rotura disminuyen a 25 horas de molienda
respecto a 10 horas, al igual que el porcentaje de elongación. Sin embargo, los
ensayos de probetas verdes, sin sinterizar, y los propios resultados que alcanzan
solo un 30% de los parámetros reales del Cobre y sus aleaciones, no son
concluyentes debido a la delicadeza de las probetas.
A través del software Pro/Engineer fue posible obtener propiedades mecánicas
como desplazamientos, esfuerzos y deformaciones de las probetas, lográndose
una similitud con los resultados obtenidos de los ensayos de compresión, en los
cuales se presentan diferencias de 21, 6.5 y 18% respectivamente.
Las aleaciones obtenidas presentan valores de dureza superiores a los materiales
en base a cobre empleados en revestimiento de techumbres, alcanzando valores
que fluctúan entre 108-115 HB para la aleación Cu-10Cr y 109-113 HB para Cu10Cr-10Mo para los diferentes tiempos de molienda. En términos de resistencia a
la tensión, esta dureza equivale a 367-391 MPa y 370-384 MPa respectivamente.
Comparando los valores de resistencia obtenidos de las aleaciones en estudio, con
el del cobre DHP, cuya resistencia máxima a la tensión es de 300 MPa, podemos
concluir que las aleaciones estudiadas alcanzan resistencias superiores. Sin
embargo disminuyó la ductilidad, lo que no es favorable ya que es esta propiedad
de los metales la que les otorga la capacidad de desarrollar grandes
deformaciones plásticas, como es el caso del acero estructural.
55
6
BIBLIOGRAFIA
[1] RUÍZ D. 2003. Caracterización y optimización del proceso de aleación
mecánica
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