influencia del tratamiento térmico de homogenización y

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INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE
HOMOGENIZACIÓN Y REENVEJECIMIENTO (RRA) EN LAS
PROPIEDADES DE TENSIÓN, DUREZA, IMPACTO EN EL
ALUMINIO 7075 T6511
Cesar Augusto Hernández2
Yeniree Perez Amortegui3
Resumen
Por su bajo peso y buenas propiedades mecánicas, las aleaciones de aluminio se
han empleado en la fabricación de diferentes componentes estructurales. La serie de
Aluminio 7XXX, puede ser tratada térmicamente con las técnicas de homogenización
y envejecimiento (RRA), varia su relación esfuerzo/peso, satisfaciendo las
demandas requeridas en la industria. Para esta investigación se seleccionó la
aleación aluminio 7075 T651; empleando la secuencia de tratamientos térmicos de
homogenización a 500°C por 2 horas y otra 210°C durante una hora, ambas
enfriadas en agua, luego se aplicó un envejecimiento a 150°C y 180°C con un
intervalo de tiempos de 2,4,8,12,18, horas respectivamente. Para analizar el
comportamiento del material se realizó un diseño experimental, estableciendo el
número adecuado de probetas y estudiar el comportamiento de las propiedades de
tensión, dureza e impacto, con relación a la condición inicial de la aleación de
Aluminio 7075 T651. Los resultados son plasmados por medio de graficas de
comportamiento, mostrando la relación tiempo vs temperatura en las propiedades
mecánicas. El tratamiento térmico de envejecimiento, afecta significativamente las
propiedades de la aleación, disminuyendo las propiedades de dureza e impacto a
180°C entre 8 y 12 horas. Por otra parte las propiedades de tensión también
disminuyeron a 150°C a 18 horas.
1
2
3
VI Conferência brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico.
Estudiante de Ingeniería Mecánica (Universidad Libre de Colombia).
Estudiante de Ingeniería Mecánica (Universidad Libre de Colombia).
201
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Palabras-clave:
Rehomogenizacion,
Reenvejecimiento,
aluminio
7075-T651,
tratamientos térmicos.
INFLUENCE OF HEAT TREATMENT TO RETROGRESSION AND REAGING
(RRA) IN THE PROPERTIES OF TENSION, HARDNESS, AND IMPACT IN THE
7075-T651 ALUMINUM
Abstract
Because of its low weight and good mechanical properties, aluminum alloys have
been used in the manufacture of various structural components. 7XXX aluminum
alloy can be heat treated with the techniques of blending and aging (RRA), thus
changing their relationship to weight effort required to meet the demands in the
industry. For this investigation were selected T651 7075 aluminum alloy, using the
sequence homogenization heat treatments at 500 ° C for 2 hours and another 210 °
C for one hour, cooled both in water, then applied aging at 150 ° C and 180 ° C with
a time interval of 2,4,8,12,18, hours respectively. To analyze the behavior of the
experimental design was carried out by setting the appropriate number of samples
and study the behavior of the tensile properties, hardness and impact, relative to the
initial condition of the aluminum alloy 7075 T651. The results are embodied through
behavior graphs showing the relationship between time versus temperature on the
mechanical properties. Aging heat treatment significantly affects the properties of the
alloy, where the highest test score for investigations of this material was found at 180
° C between 12 and 18 hours. The change in tensile strength properties in the alloy
selected, is consistent with the theory, the precipitation and dissolution of zinc
compounds directly affects the material properties, and for each type of alloy this
peak occurs at different times but at the same temperature of 180 ° C.
Key Words: Retrogression, Reaging, Aluminum 7075-T651, Heat Treatment.
202
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1. INTRODUCCIÓN
La aleación de Aluminio serie 7XXX (Zinc-Resistencia de moderada a muy alta;
tratada térmicamente), empleada en fabricación de componentes estructurales de
aviones, diferentes tipos de construcciones, equipo marino, industria automotriz,
llaves y acoplamientos hidráulicos. Los autores del texto el Aluminio y aleaciones de
aluminio1 enuncian que en sus componentes estructurales (que soportan carga), el
82% de una aeronave Boeing 747 (y el 79% de una aeronave Boeing 757) es
aluminio.
Tomando
así
como
factor
de
importancia
la
elevada
relación
resistencia/peso, su resistencia a la corrosión frente a muchos productos químicos,
su no toxicidad, su apariencia y su facilidad de conformado y de maquinabilidad:
también son antimagnéticos. Además de tan grandes propiedades es tratada
térmicamente con las técnicas de homogenización y envejecimiento (RRA) como
método para la corrosión bajo tensión y dureza, sabiendo que el mecanismo de
refuerzo principal de estas aleaciones es el envejecimiento artificial, comúnmente
conocido como el endurecimiento T6. Por la gran fuerza especifica que brinda.
Desde 1974 se han propuesto varios procesos para mejorar las propiedades de la
aleación de aluminio 7075, publicando varios artículos con respecto a la mejora en
las propiedades mecánicas, consecuente a ello grandes entidades industriales, R.J.
Bucci and C.J. Warren2 toman como ejemplo Alcoa Inc. (Uno de los productores
líderes de Aluminio en el mundo) han patentado diferentes procedimientos, como el
tratamiento térmico basado en RRA en el año de 1980 para aleaciones 7050, 7055,
7150, para ser utilizadas en aplicaciones de fuselajes estructurales que requieren
una combinación de fuerza y gran tenacidad con una mayor resistencia a la
corrosión.
La investigación pretende; Analizar la influencia de los tratamientos térmicos de
homogenización y reenvejecimiento en las propiedades mecánicas de tensión,
dureza, impacto y corrosión en el aluminio 7075 T651.
Además; desarrollar un análisis experimental para establecer el número de probetas
a fabricar, teniendo en cuenta las variables de tiempo y temperatura que influyen en
las propiedades del material. Preparar probetas de la aleación aluminio 7075 T651
de acuerdo a la norma ASTM E83 y ASTM E234, para la realización de los ensayos
203
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mecánicos de tensión e impacto Charpy. Implementación de los tratamientos
térmicos de homogenización a la temperatura de 500 °C por 2 horas, otra a 210 °C
por una hora, un reenvejecimiento a las temperaturas de 150 °C y 180°C para unos
tiempos de 2, 4, 8, 12, 18, horas (cada una de las secuencias de tratamientos
térmicos se enfriara en agua). Por otro lado
realizar los ensayos
de tensión,
impacto y dureza. Finalizando con el análisis de resultados, de los ensayos
mecánicos, registrando las variaciones en las propiedades de tensión, impacto y
dureza en la aleación de aluminio 7075 T651, antes y después de implementar los
tratamientos de homogenización, y reenvejecido para cada una de las temperaturas
y tiempos.
2 MATERIALES Y METODO
2.1 MATERIALES
El material empleado en esta investigación es la ya mencionada aleación de
Aluminio 7075 -T651, muy utilizada en situaciones en las que se requiera una gran
resistencia mecánica y ligereza la composición química se muestra en la tabla 1 (en
% en peso), en la tabla 2 las Propiedades Mecánicas en Tracción. La aleación tiene
un límite elástico y de rotura muy superior al resto de las aleaciones basadas en
aluminio por lo cual tiene una resistencia a durezas y fatiga superiores.
Tabla 1. Composición Quimia (en % peso) de la Aleación de Aluminio 7075-T6.
%
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Zr+Ti
Otros
1,20
2,10
0,18
5,10
Min
0,40
0,50
2,00
0,30
2,90
0,28
6,10
0,20
0,15
Max
Al
Resto
Fuente: El Aluminio y sus Aleaciones.
Tabla 2. Propiedades Mecánicas en Tracción.
Aleación
(MPa)
(Mpa)
7075-T6
570
505
Alargamiento
50mm (%)
11
E
(Gpa)
71
/
(
)
25
Fuente: Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, Santiago de Chile.
Las dimensiones originales del material para las probetas se encontraban en forma
de bloque con medidas en pulgadas de; 3 in de ancho, 4 in de alto y 10 in de
profundidad, posteriormente mecanizadas para los ensayos de tensión e impacto.
Las probetas de sección rectangular para el ensayo de Tensión, fueron mecanizadas
dentro de lo admisible de la Norma ASTM E8-00, con las dimensiones que se
muestran en la Figura 1, longitud total de 9 in, longitud de prueba de 2 in, Ancho de
204
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½ in, Radio
R
del filete de ½ in,
i Longitud de la sec
cción reducida de 2 in y anchura de la
sección
n de agarre
e de 1 in.
Figura
a 1. Dimensio
ones Probeta
a de Tensión
n sección Rectangular
Fuente: Autores
A
del Prroyecto. 2012
Las pro
obetas parra el ensayyo de impa
acto, fueron
n mecanizadas dentrro de lo ad
dmisible
de la Norma
N
AST
TM E 23-02
2a, con lass dimensio
ones que se muestran en la Fig
gura 2 y
4, tom
mando com
mo entalla
a la tipo A (entalla en V) utilizando
o como medidas
m
represe
entadas en
n la Tabla 4.
4
Figu
ura 2. Dimensiones Probe
eta Ensayo Charpy.
C
Fuen
nte: ASTM E 23-02ª.
2
Ta
abla 4. Medid
das Probetas
s Impacto Ch
harpy.
ME
EDIDA
D
DIMENSIÓN
MilÍmetros
Pulgadass
Longitud
55
5
2,16
65
A
Ancho
10
0
0,39
94
A
Alto
1
0,03
39
E
Entalla
2
0,07
79
Fu
uente: ASTM E 23-02ª.
205
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2.2 METODO
Para conocer cómo influye la Homegenizacion y Reenvejecimiento en el material
seleccionado, se lleva a cabo los distintos tratamientos térmicos, Medición de
Dureza, Ensayos de Impacto y Ensayos de Tensión.
2.2.1 TRATAMIENTO TERMICO
Los tiempos se escogieron de acuerdo a las gráficas de envejecimiento del ASM
metals handbook Volumen 4, las cuales trabajan de 12 a 72 horas y con
temperaturas comprendidas entre los 150°C y 210°C. Para cada Aluminio se diseñó
una prueba experimental que arrojó como resultado tres probetas por cada tiempo y
temperatura para un total de 45 por aluminio, probetas fabricadas de acuerdo a la
norma ASTM E-8-03. Luego de mantenerlo en el horno a las temperaturas y tiempos
mencionados se enfriaron en agua.
El tratamiento térmico se realiza en una mufla Thermolyne ThermoScientific, primero
aplicando la Homegenizacion, seguida de una rehomegenizacion a todas las
probetas de análisis, como se muestra en la Figura 3. Secuencia de Tratamientos
Térmicos Aleación Aluminio 7075-T651. Luego con las temperaturas y tiempos que
se muestran en la Tabla 5. Se realizan los respectivos envejecimientos.
Figura 3. Secuencia de Tratamientos Térmicos Aleación Aluminio 7075-T651.
Fuente: Autores del Proyecto. 2012
Tabla 5. Cronograma Tratamiento Térmico.
Cantidad
Probeta
150ºC
180ºC
6
6
Tiempo Exposición 2 Horas
4
6
Tiempo Exposición 4 Horas
4
4
Tiempo Exposición 8 Horas
6
6
Tiempo Exposición 12 Horas
6
4
Tiempo Exposición 18 Horas
Fuente: Autores del Proyecto. 2012
206
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2.2.2 PRUEBA
P
D IMPACT
DE
TO
La prue
eba de imp
pacto se re
ealizó de acuerdo
a
a la norma ASTM E 2
23-02ª. Por medio
de un masa-pénd
m
dulo mostra
ado en la Figura
F
4.
La figu
ura muesttra el esq
quema y la ubicac
ción de la
a probeta
a con enttalla, el
procedimiento se
e lleva acabo elevand
do el pénd
dulo, asegu
urándolo y con el árrea libre
uelta para romper la probeta co
omo se mu
uestra en la
a figura 4.
de perssonal se su
Figura 4.
4 Prueba de
e Impacto
Fuente: Au
utores del Proy
yecto. 2012
2.2.3 PRUEBA
P
D TENSIO
DE
ON
La prue
eba de tensión se re
ealizó de acuerdo a la
a Norma ASTM
A
E8-0
00, por med
dio de
la maquina Unive
ersal de en
nsayos com
mo se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Maquina Universal de
e Ensayos Sh
himidzu.
Fuente: Au
utores del Proy
yecto. 2012
3 RES
SUTADOS
3.1 Pro
opiedades
s Dureza y Resisten
ncia al Imp
pacto
Los resultados de
d la prue
eba de du
ureza indic
can la varriación que
e experim
mento el
al con los envejecimientos a la
as tempera
aturas de 150°C y 180°. Tenie
endo un
materia
valor mínimo
m
parra ambas temperatu
uras en el envejecim
miento de 8 horas. Con
C
los
envejeccimientos realizados no se logrró aumenta
ar el porce
entaje de d
dureza resp
pecto al
207
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que presenta el material sin las rehomogenizaciones y el reenvejecimiento realizado,
observado en las Figuras 6 y 7.
Figura 6. Variación de la dureza HR-A para el aluminio 7075 T651, envejecido a 150°C y 180°C
durante 2, 4, 8, 12, 18 horas enfriado en agua.
60
Dureza (HR-A)
50
40
HR-A
150
30
20
10
0
0
2h
4h
8h
12 h
18 h Tiempo (h)
Fuente: Autores del Proyecto 2012
Figura 7. Variación Porcentual de la dureza HR-A para el aluminio 7075 T651, compara con la dureza
del material sin tratamientos térmicos.
-5%
2h
4h
8h
12 h
18 h
-15%
150 °C
-25%
180 °C
-35%
-45%
-55%
Fuente: Autores del Proyecto 2012
Los resultados de la prueba de impacto para cada envejecimiento se muestran en
las Tabla 6 y la Figura 8.
La Tabla 6 muestra los resultados de la energía absorbida para cada uno de los
envejecimientos con sus respectivos tiempos, se observa un aumento significativo
de la energía absorbida, comparado con el material en estado de entrega.
Tabla 6 Variación porcentual de la energía absorbida (Joules), para el aluminio 7075 T651 envejecido
a 150 °C y 180°C durante 2, 4, 8, 12, 18 horas enfriado en agua.
208
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Vaariacion Porccentual - Ene
ergia Absorbida
Horas
Ener gia Prom.
1
150°C
% 150°C
Energia Prom..
180°C
% 180°C
0
11
1,7175
0,00%
11,7175
0,00%
2h
25
113,36%
14,6875
25,35%
4h
3
33,125
182,70%
18,125
54,68%
8h
31
164,56%
32
173,10%
%
12h
1
17,125
46,15%
34,5
194,43%
%
18h
18
8,3425
56,54%
19,375
65,35%
Fuente: Autores
A
del Pro
oyecto 2012
En la Figura
F
9 se
e observa la variació
ón porcenttual de la energía absorbida para
p
las
temperraturas de 150 °C y 180°C, pa
ara cada uno de los tiempos de envejeciimiento,
teniend
do el valor máximo a 12 horass con una variación
v
d 194% e
del
en la temp
peratura
de 180°C.
Figura 9.
9 Variación Porcentual de
d la energía
a absorbida para el alum
minio 7075 T
T651, compa
ara con la
dureza del
d material sin
s tratamien
ntos térmicoss.
% Variacion - Energia
Absorbida
200%
150%
100%
50%
0%
2h
4h
8h
12h
h
18h
46,15
5%
56,54%
%
173
3,10% 194,4
43%
65,35%
%
150°C (%)) 113,36% 182,70%
1
164
4,56%
180 °C (%)) 25,35%
54,68%
Fuente: Autores
A
del Pro
oyecto 2012
3.2 Ens
sayo de Tension
T
En las Figuras 10
1 y 11 se
s detallan
n los diagramas esffuerzo-defo
ormación para el
651, con cada
c
uno de los tratamientos y horas d
de envejec
cimiento
aluminiio 7075 T6
150° - 180°C, ob
bservando la significa
ativa variac
ción de la deformación total en
e cada
uno de los tiempo
os.
209
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Figura 10.Diagramas esfuerzo-deformación para el aluminio 7075 T651, envejecido a 150°C durante
2, 4, 8, 12, 12 horas enfriados en agua.
600
550
500
450
σ (Esfuerzo Mpa)
400
350
Sin TT
2h
300
4h
8h
250
12h
200
18h
150
100
50
0
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0,01
0,011
0,012
0,013
ɛ (m)
Fuente: Autores del Proyecto 2012
Figura 11 Diagramas esfuerzo-deformación para el aluminio 7075 T651, envejecido a 180°C durante
2, 4, 8, 12, 12 horas enfriados en agua.
600
550
500
450
Sin
TT
2h
σ (Esfuerzo Mpa)
400
350
300
4h
250
200
8h
150
100
50
0
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0,01
0,011
0,012
0,013
ɛ(m)
Fuente: Autores del Proyecto 2012
En la Figura 12, se muestra el porcentaje de elongación, para los tiempos de
envejecimiento a 150°C y 180°C.
Figura 12.Porcentaje de Elongación para el aluminio 7075 T651, envejecido a 180°C durante 2, 4, 8,
12, 12 horas enfriados en agua.
210
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9%
8%
% ɛ (Elongacion)
7%
6%
5%
4%
3%
2%
1%
0%
2h
4h
8h
12h
18h
% E - 180 °C
8,50%
7,91%
8,08%
8,25%
7,95%
% E - 150 °C
5,13%
7,31%
8,29%
6,67%
7,65%
Fuente: Autores del Proyecto 2012
4 DISCUSIÓN
Como se observa en la Figura 6, los valores de dureza disminuyeron para ambas
temperaturas, comparándolos con el valor del material sin tratamiento térmico (53,36
HP-A), para los tiempos de envejecimiento de 2h, 12h, 18h los valores de dureza no
estuvieron tan alejados del valor inicial, para esta temperatura el valor más lejano
estuvo para el tiempo de 8 horas con una dureza de 29,60 HR-A.
Para la
temperatura de 180°C el pico más bajo se presentó también para el tiempo de 8
horas con una dureza de 25,43 HR-A, esto comparado con el comportamiento de los
valores de dureza según los autores Ning Ai-Lin y 172, LIU Zhi-yi, los cuales
demuestran un aumento en la dureza para el tiempo de 10 min.
En el caso de la propiedad de la resistencia al impacto, parara todos los tiempos
aumento la energía absorbida, teniendo un aumento del 182 %, para el tiempo de 8h
y 150°C como valor más alto, para la temperatura de 180°C el aumento fue de 194
% en el tiempo de exposición de 12h, como valor más alto.
Como se muestra en las Figuras 10 y 11, se evidencia que las propiedades en el
ensayo de tensión disminuyeron comparadas con las propiedades del material sin
tratamientos térmicos, disminuyo el esfuerzo de fluencia para todas temperaturas y
tiempos. En la Figura 12 se observa el porcentaje de elongación para todas las
temperaturas y tiempos de exposición, presentando un mayor porcentaje de
elongación el tiempo de 2h a la temperatura de 180°C con un 8,5% y un minimo de
5,13%, para un T=150°C y t=2h.
211
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5 CONCLUSION
El tratamiento térmico de envejecimiento en aleaciones de aluminio afecta
significativamente las propiedades del material, encontrando que para el aluminio
7075-T651 todas sus propiedades disminuyeron en Tension, dureza y aumentando
el de impacto. Llevando al material a un comportamiento de mayor ductilidad. Se
recomienda realizar los envejecimientos a tiempos menores 2 horas y tomar las
durezas antes de realizar los envejecimientos.
Agradecimientos
Los autores expresan sus agradecimientos a:
Mg. Carlos Arturo Bohórquez, por el proceso la colaboración durante todo el proceso
que llevo el proyecto al igual como docente en el transcurso de nuestra carrera
formándonos como ingenieros y guiándonos a culminar con éxito nuestro proyecto.
Y a nuestros padres por su apoyo incondicional.
REFERENCIAS
1
SEROPE, KALPAKJIAN.; STEVEN., SCHMID. Manufactura, ingeniería y
tecnología. V. 4,n.6,p. 157-159. 2001.
2
R.J. BUCCI AND C.J. WARREN: J. Aircraft. 2000 vol 37 (1), pp 122-29.
3
ASTM E8 / E8M - 11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials
4
ASTM E23 - 07ae1 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of
Metallic Materials
212