Micrografías de aluminio y titanio: tratamientos térmicos, fases y defectos

Micrografías de aluminio

La matriz α (zona clara): es la fase principal, rica en aluminio, que actúa como base.

Inclusiones e impurezas (manchas oscuras): observamos partículas negras dispersas por la matriz. Están alineadas en hileras en una dirección preferente. Esto indica que la pieza ha sufrido una deformación plástica previa (forja o laminación) que ha estirado y alineado las impurezas insolubles (sulfuros, silicatos) en la dirección del flujo del material. En la etapa inicial, tras un tratamiento térmico de solubilización, tendríamos una solución sólida sobresaturada (SSS) metaestable. Esto significa que todos los elementos aleantes que formarán la fase β están disueltos dentro de la matriz α, por lo que las manchas negras son, en su mayoría, impurezas que no se disuelven.

2. Tratamientos de envejecimiento: T4 vs. T6 y el mecanismo de endurecimiento

El objetivo no es tener los aleantes disueltos, sino que formen precipitados para endurecer. Al aportar tiempo y temperatura, se incrementa la difusión para que el sistema reduzca su energía.

Zonas Guinier-Preston (GP): los átomos aleantes empiezan a agruparse.

Precipitados coherentes y semicoherentes (β'): tienen tamaño mediano y mantienen continuidad con la red cristalina de la matriz. Cuando una dislocación (defecto lineal de deformación) se mueve por la matriz, puede «cortar» o atravesar estos precipitados con facilidad. Endurecen el material, pero no al máximo.

Precipitados incoherentes (β): más grandes y su estructura cristalográfica no encaja con la matriz. Son el obstáculo perfecto. Cuando una dislocación se encuentra con ellos, se produce el mecanismo de Orowan o el trepado. Que se doblen es ideal para maximizar la resistencia mecánica.

Diferencia entre tratamientos:

Estado T6 (artificial): temperatura en un horno. Aporta la energía térmica para alcanzar una alta densidad de precipitados incoherentes óptimos (Orowan), logrando la máxima dureza y resistencia.

Estado T4 (natural): temperatura ambiente. Hay menos energía térmica y la difusión es limitada. Los precipitados son pequeños (zonas GP y coherentes), por lo que el material es menos duro que en T6.

3. Proceso de recocido y sus defectos: Zonas Libres de Precipitado (PFZ)

Si aplicamos un recocido o dejamos enfriar la pieza lentamente, la microestructura cambiaría perjudicialmente. Los precipitados buscan bajar su energía nucleando en zonas desordenadas y de alta energía, siendo los bordes de grano (BG) el lugar ideal. Aparecen dos fenómenos graves:

1. Aglomeración en los BG: los precipitados crecen mucho en los BG.

2. Zonas Libres de Precipitado (PFZ): alrededor de los BG, la matriz queda vacía de aleantes, formando una zona de matriz de aluminio puro.

Consecuencias de las PFZ:

Mecánicas: se tiene una matriz muy blanda (sin precipitados) junto a un BG extremadamente duro. Al someter la pieza a esfuerzos, la deformación es heterogénea, concentrándose en las zonas blandas y provocando un fallo prematuro.

Químicas (corrosión): el contraste electroquímico (diferencia de potencial) entre la zona libre de precipitado y el borde de grano empobrecido o rico en precipitados crea una «pila galvánica». Esto resulta en un pésimo comportamiento frente a la oxidación y propicia una rápida corrosión intergranular.

4. Soluciones de ingeniería y el peligro térmico (quemado)

Como ingenieros, debemos evitar las Zonas Libres de Precipitado (PFZ).

La solución mediante acritud: se aplica deformación mecánica (martillazo o rodillos) a la pieza recién salida de la solubilización. Esto introduce acritud, generando una red de dislocaciones (defectos) por el interior de los granos. Al tener ahora zonas de alta energía distribuidas por el interior del grano, obligamos a que los precipitados se formen allí de manera homogénea y no migren masivamente a los BG, reduciendo así las PFZ.

El peligro del quemado: si intentáramos generar defectos (vacantes) subiendo excesivamente la temperatura del tratamiento térmico, arruinaríamos la pieza. Debido a que la aleación no es 100% homogénea, los BG tienen una composición distinta y, por tanto, una temperatura de fusión más baja. Si nos pasamos de temperatura, los BG se vuelven líquidos (se «queman»). Al enfriarse, el metal se contrae y se generan microrroturas internas.

Micrografías de titanio

Mill annealing: realmente quiere decir recocido. Es un tratamiento térmico que se suele dar a bajas temperaturas (unos 700 ºC). Estamos en una zona de α+β y se le da a nuestra pieza de titanio una deformación plástica a esa temperatura. Con este tratamiento buscamos mejorar las propiedades mecánicas.

Dos colores: el color más claro pertenece a la fase α. Tenemos una aleación de titanio 6-4 que tiene más fase α, por tanto hay más zona clara. Tenemos granos más o menos equiaxiales de fase α rodeados de fase β.

¿Qué pasará cuando damos deformación plástica?

Se alargan por la cara que ha sufrido la deformación (dirección longitudinal/transversal).

Recocido en β: se calienta la pieza hasta una temperatura lo suficientemente alta como para tener solo fase β y se enfría poco a poco. Al enfriar lentamente, al pasar la línea de β transus, empieza a formarse la fase α en los bordes de grano. Según la temperatura vaya siendo más baja, habrá cada vez mayor cantidad de fase α. La fase α va a coger los elementos aleantes de la fase β y los irá apartando a los laterales a medida que crece (a los laterales de la fase α habrá un exceso de betágenos). La microestructura crece laminarmente, de forma igual a la perlita de los aceros (toda la estructura estará formada por láminas de α y β).

Solución en β: se calienta la pieza hasta una temperatura lo suficientemente alta como para tener solo β y se enfría mediante un templado rápido.

Recocido α+β: no se aumenta tanto la temperatura de calentamiento y se obtiene una microestructura con granos tanto de α como de β. Se enfría lentamente. Cuando empieza a bajar la temperatura, en los BG empieza a ganar la fase α y esta se cuela, al igual que en el recocido en β, entre los granos de β (se tendrá una microestructura de granos de α y otros con mezcla de β con α en láminas).

Solución α+β: no se aumenta tanto la temperatura de calentamiento y se obtiene una microestructura con granos tanto de α como de β. Se enfría rápidamente.

Cuando metemos la pieza al horno, el aire se introduce en el titanio (O₂, alfágeno). El oxígeno penetra en el titanio formando más fase α de lo normal en la superficie. Esto endurece mucho, pero fragiliza la pieza: en caso de empezar una grieta, viajará directa por toda la pieza. Para corregir esto, se debe cortar un poco la superficie para poder medir bien la dureza de la pieza.

A la fase α que ha sobrevivido al calentamiento se le llama α primaria, y la α que está en láminas se llama α a secas.

Si enfriamos rápido, toda la fase β va a querer ser fase α, porque la fase β a bajas temperaturas no es estable. La fase β no está «cómoda» y acaba formando una fase martensítica en forma de agujas (martensita del titanio).

Las distintas temperaturas del tratamiento térmico solo afectarán a la cantidad de fase α primaria que tenga (mayor cuanto menor sea la temperatura del horno).