informe final envejecimiento
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Informe de laboratorio N° 1
Facultad de Ingeniería Mecánica
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”
CIENCIA DE LOS MATERIALES IIINFORME N° 4
“ENVEJECIMIENTO”
Alumno Código Firma
Huerta Cuevas Renzo Javier 20120033H
Gonzales Huaranga Jhancarlos 20120145K
Curso: Ciencia de los Materiales II
Código: MC115
Docente: Zamora Ramos Luciano
Sección: “A”
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ÍNDICE
1. INTRODUCCION2. OBJETIVOS3. FUNDAMENTO TEORICO4. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS 5. CÁLCULOS Y RESULTADOS6. PROCEDIMIENTOS7. CUESTIONARIO8. CONCLUSIONES9. RECOMENDACIONES10. OBSERVACIONES11. BIBLIOGRAFIA
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INTRODUCION
Los mecanismos de endurecimiento son muy importantes para que los materiales
alcancen su dureza y resistencia mecánica adecuada para poder desempeñar su
función de la mejor manera.
Dentro de estos mecanismos tenemos al Endurecimiento por Precipitación que,
básicamente, consiste en el mejoramiento de sus propiedades mecánicas a medida de
que pasa un tiempo luego de realizarse un tratamiento térmico. Es muy importante el
estudio de este mecanismo para poder determinar los mejores procesos a practicar a
los materiales para que obtengan sus propiedades óptimas.
En el presente informe se abordara un enfoque general de cómo se realiza este
proceso, los factores de los que depende y la interrelación que tienen estos factores.
Finalmente se brindara el procedimiento para obtener los datos y con estos se realizara
la gráfica correspondiente, para así poder sacar las conclusiones pertinentes.
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OBJETIVOS
Objetivo General:
Aplicar y verificar los conocimientos obtenidos en los cursos Ciencias de los
Materiales I y Ciencias de los Materiales II.
Objetivo Particular:
Definir como ocurre el fenómeno de Endurecimiento por Precipitación.
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FUNDAMENTO TEÓRICO
Mecanismos de Endurecimiento:
Desde el punto de vista mecánico, se necesitan materiales con elevadas resistencia y
ductilidad. Existen múltiples mecanismos para aumentar la resistencia mecánica de los
materiales, entre los cuales se tiene:
Por disminución del tamaño de grano.
Por solución sólida.
Por deformación.
Por dispersión de partículas en segunda fase:
o Por dispersión.
o Por precipitación.
Endurecimiento por precipitación:
Es un mecanismo de endurecimiento que puede desarrollarse solo en las aleaciones.
Inicialmente se definirá que significa un proceso de precipitación: Es el proceso por el
cual se produce un sólido (precipitado) en una solución como resultado de una
cristalización o de una reacción química.
Condiciones necesarias para que se produzca el endurecimiento por precipitación:
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Las principales condiciones necesarias para que se produzca este mecanismo de
endurecimiento son las tres siguientes:
1. Que dos fases sólidas de una aleación sean solubles una en otra en una amplia zona de temperaturas y
que se genere una apreciable disminución de la solubilidad de una de ellas en la otra al disminuir la
temperatura.
Figura 1Diagrama de equilibrio de las aleaciones binario.
La disposición de la línea BC es característica de las aleaciones que endurecen por precipitación.
2. Elección de una composición adecuada de una aleación, es decir, que sea de fácil elaboración industrial y
que pueda adquirir elevadas propiedades mecánicas; y del tratamiento térmico más conveniente de esta
aleación, pues este tratamiento depende de la composición anterior, del tamaño y forma de la pieza y de
los trabajos de conformado en caliente o frio que se haya aplicado al material, y de esta manera
conseguir las propiedades mecánicas deseadas.
Figura 2
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Influencia de la temperatura y del tiempo sobre la resistencia que alcanza una aleación que endurece por precipitación durante la segunda fase de este
proceso (envejecimiento).3. Tamaño crítico de las partículas precipitadas. Los máximos valores de dureza y
resistencia mecánica se alcanzan, para cada aleación y para cada tratamiento térmico,
cuando las partícula alcanzan un determinado tamaño, conocido como tamaño crítico,
que por lo general es del orden de 5x10-5 mm, es decir, solo observables con microscopios
especiales.
Figura 3Influencia del tamaño y del número de partículas sobre la dureza que adquieren las aleaciones que endurecen por precipitación durante la segunda fase de este
proceso.
Esta condición está muy ligada a la concentración del soluto en la aleación. Puesto que
si la concentración es pequeña, la dureza alcanzada será también pequeña. Sin
embargo, si la concentración es apreciable la dureza también será menor. Vale recalcar
que su dureza alcanzada depende del tamaño crítico y de la concentración de sus
partículas, que para cada aleación existe un valor específico.
Resumen del tratamiento (proceso):
Básicamente el proceso de envejecimiento de las aleaciones consta de dos fases
principales, las cuales son:
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1. Tratamiento de solubilización: Consiste en uno o vario tratamientos térmicos, es
decir, se calienta y mantiene a la aleación a la temperatura adecuada de manera que se
consiga la completa solubilización y homogeneización de la misma. Luego se procede a
realizar un enfriamiento rápido, normalmente en agua o aceite, con la finalidad de
conseguir, a temperaturas bajas, una solución sólida sobresaturada inicialmente
inestable.
2. Tratamiento de precipitación: Para que la aleación sobresaturada pase de un estado
inestable a uno estable, se procede a realizar un tratamiento de precipitación a
temperaturas bajas o moderadas de manera que se consiga un tamaño y número de
partículas adecuadas y así la aleación adquiera las propiedades que necesita para
cumplir su función. Este proceso también se conoce como “maduración” o
“envejecimiento”.
Las propiedades que adquiere la aleación se logran porque las partículas
submicroscópicas sobresaturadas actúan como cuñas que impiden el desplazamiento
de los planos cristalográficos, es decir, evitan la formación de nuevos defectos
cristalinos consiguiéndose de esta forma una mayor dureza y resistencia mecánica.
Esta segunda fase consta de dos procesos muy ligados al tamaño y cantidad de
partículas de la fase precipitada. Estos procesos son los que siguen y pueden
presentarse simultáneamente:
i. Nucleación: Consiste en la formación de núcleos de precipitado finamente dispersos a partir del
soluto sobresaturado.
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Figura 4En la figura se observa que los núcleos formados luego del tratamiento de
solubilización están dispersos.
Se habla de Nucleación Homogénea cuando esta ocurre en una aleación donde todos
los elementos de volumen de la fase matriz son idénticos desde un punto de vista
químico, energético y estructural. Este proceso es aleatorio, puesto que no existen
zonas preferentes en las cuales se realice la nucleación.
Si por el contrario, la nucleación tiene lugar en el seno de un defecto cristalino interno
(dislocaciones, nudos de dislocación, partículas de impureza, discontinuidades en los
límites de grano, etc.) se llama Nucleación Heterogénea, debido a que estos defectos
son zonas de nucleación preferentes, por tener mayor energía libre.
ii. Crecimiento: Consiste en el crecimiento de los núcleos de precipitado como resultado de la difusión
de los átomos del soluto de los alrededores hacia los núcleos.
Figura 5
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En la figura se observa que las partículas de la fase precipitada se agrupan formando una partícula más grande, es decir se agrupan alrededor de un
núcleo central de manera que este crece.
La nucleación y el crecimiento ocurren simultáneamente, la siguiete gráfica muestra el efecto conjunto
de ambas con relación a la cantidad de precipitadoque se genera.
Figura 6Cantidad de precipitado en función del tiempo. En la figura se observa que se
requiere de un tiempo t0 para que la fase precipitada se detectable. También se observa que el proceso de precipitación termina muy lentamente, debido a que
se pierde la cantidad de soluto disponible.
La velocidad a la que se realiza el envejecimiento depende de la temperatura a la que
se realice este proceso, es decir, luego del tratamiento de solubilizarían puede existir un
tratamiento de templado donde la temperatura del temple será la temperatura de
envejecimiento.
Si existe el tratamiento de templado a todo el proceso se denomina Envejecimiento Artificial. En caso contrario a todo el proceso se le denominará Envejecimiento Natural.
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Figura 7Esquema de un proceso de endurecimiento por precipitación con un
tratamiento de templado.
Figura 8El tiempo para formar 100% de precipitado en una aleación sobresaturada depende de la temperatura a la que se realiza el tratamiento de precipitación.Se observa que a temperaturas bajas se requiere tiempos más prolongados pues la difusión del soluto es muy lenta. A temperaturas altas también se requiere de mayor tiempo porque la solución solo está ligeramente saturada; en consecuencia la nucleación y el crecimiento es lento. Sin embargo a temperaturas intermedias la velocidad de precipitación aumenta al máximo porque tanto la nucleación, crecimiento y difusión se realiza con rapidez, es decir se realiza en menos tiempo.
Las propiedades mecánicas dependen del efecto conjunto de la nucleación y el
crecimiento, como se observa en la siguiente gráfica
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Figura 9Esquema de la curva de envejecimiento para una aleación endurecible por
precipitación a una temperatura determinada. Se observa que el efecto total está dado por la unión de los efectos simultáneos de los procesos de nucleación
y crecimiento, pues se observa la aparición de nuevos núcleos a la vez que los núcleos antiguos han crecido.
Zonas de Guinier-Preston:
Una aleación en condición de solución sólida sobresaturada se encuentra en un estado de energía
elevado. Este estado de energía puede ser relativamente inestable y espontáneamente tiende a buscar
un estado de menor energía, lo cual consigue mediante la descomposición de la solución sobresaturada
en fases metaestables o en fases de equilibrio. Estos nuevos niveles de menor energía se alcanzan a
medida que transcurre el tiempo.
Figura 10Un sistema metaestable es un estado débilmente estable (1), un estado inestable de transición (2) y un estado fuertemente estable (3).
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Figura 11Análogamente a la figura anterior se observa estados inestables en las primeras
etapas del envejecimiento, así como estados metaestables en las zonas de precipitados intermedios que finalmente pasaran a un estado estable en el final
del proceso.Justamente son estas fases metaestables las que defines las Zonas Guinier-Preston y
aparecerán más de estas zonas en medida que se eleve la temperatura de
precipitación; es decir, a una temperatura T1 podría aparecer una zona GP1, a una T2
una GP2, y así sucesivamente:
Figura 12A mayor temperatura de precipitación también aparecerán mayos cantidad de zonas GP, lo cual no indica que la cantidad de estas zonas sea ilimitada, pues su
número es determinado por cada aleación.En la Figura 2 se puede observar que, para cada temperatura de precipitación, la dureza y resistencia
mecánica alcanzan un valor máximo y luego decrecen en sus valores, esto es debido a la formación de
zonas GP en las cuales la estructura del precipitado es coherente (eleva el valor de estas propiedades) o
incoherente (disminuye el valor de estas propiedades):
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Figura 13La zona GP es coherente cuando su
estructura es similar a la estructura de la matriz. Estas microestructuras
formadas no son visibles al microscopio óptico. Este hecho ocurre
cuando se trabaja a temperaturas relativamente bajas.
Figura 14Por el contrario, la zona GP, será
incoherente cuando el precipitado y la fase matriz forman una estructura
bien definida, la cual es observable al microscopio óptico. Ocurre cuando se trabaja a temperaturas más elevadas
que el caso anterior.
MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS
Horno de calentamiento
por resistencia eléctrica.
Durómetro
Rockwell
Equipo para realizar
desbastado
de material al agua.
Probetas de Duraluminio
AA6011 – T36.
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PROCEDIMIENTOS
Colocar las probetas de duraluminio en el
horno a 495 ° C y mantenerlas a esta
temperatura por 1.5 horas.
Luego del tiempo indicado realizar el
enfriamiento de las probetas
sumergiéndolas y agitándolas dentro de una
cubeta de agua a temperatura ambiente.
Seguidamente al enfriamiento se deberá preparar las probetas para que se le
realice los ensayos de dureza respectivos, es decir, desbastar las superficies
hasta obtener un paralelepípedo.
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Proceder con la medición de dureza Rockwell escala H de la siguiente manera:
una medición en una de las caras de la probeta durante un mínimo de cinco días.
Tomar nota de los valores obtenidos.
.Proceder con los cálculos respectivos.
.Y por último el examen metalografico con los pasos de pulicion y ataque químico
y para luego observación con el microscopio
CALCULOS Y RESULTADOS
Envejecimiento Natural
Alvaro Dennis Eduardo Juan DavilaDía Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5
1 62.7 64.4 62.5 64 63.82 64.4 65.8 65.2 70 65.43 68.9 71.4 66.3 72.5 68.94 72.7 70.7 71.8 73.7 72.45 73.4 72.8 72.7 74.4 75.1
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Envejecimiento Artificial
Daniel Brajan Jhancarlos Renzo CesarDía Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5
1 65.75 62.7 66.16 67.25 62.12 69.1 69.1 70.8 70.4 633 67.1 71.2 72.2 72.6 67.6
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CUESTIONARIO
1. Qué tipo de diagrama de fase es necesario para que una aleación binaria puede ser endurecida por precipitación
Para aplicar este tratamiento térmico, el diagrama de fase debe mostrar solubilidad solida parcial, y la pendiente de la línea de solvus debe ser tal que haya mayor solubilidad a una temperatura mayor que a una menor.
La condición necesaria para que se produzca la precipitación en una solución solida es, sencillamente, la existencia de una línea solvus. Por consiguiente, se produce cierto grado de precipitación en la mayor parte de los sistemas de aleación y un grado notable en cientos de casos conocidos. Cualquier metal puede endurecerse por precipitación, mediante la adición de un elemento de aleación correctamente elegido. El endurecimiento seria aun mayor en el caso de aleaciones binarias o de un numero de componentes más elevado
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2. ¿Cuáles son los pasos fundamentales de un tratamiento térmico de envejecimiento?
El proceso para obtener una aleación endurecida por precipitación puede dividirse en tres partes:
1. Elección de la composición.2. Tratamiento térmico de la solución. 3. Tratamiento térmico de precipitación.
a. Elección de la composición: El diagrama de equilibrio de la figura anterior es un sistema que puede mostrar endurecimiento como resultado de la precipitación de la fase (b) a partir de la solución sólida (a) sobresaturada. Aún cuando el efecto máximo de endurecimiento se produce, en este caso, con un contenido del 6% de metal B límite de solubilidad de este en el metal A, puede producirse cierto endurecimiento en todo el intervalo de composiciones en el que pueden existir en equilibrio las fases (a) y (b). En la práctica, se usan otras composiciones además de la que produce el máximo endurecimiento.
b. El tratamiento térmico de la solución (solubilización): El objeto de esta etapa, es disolver un máximo de la segunda fase en la solución sólida (a) y después, retener esta solución hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto se efectúa así:
-Calentando la aleación hasta una temperatura elevada, pero inferior a la que produciría un crecimiento excesivo de grano o la fusión de uno de los constituyentes.
-Manteniendo esta temperatura desde una hasta varias horas, dependiendo dl espesor de la pieza para que pueda producirse la solución.
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-Templado en agua hasta obtener una solución sólida sobresaturada (a) a la temperatura ambiente. Después del tratamiento de disolución la dureza es relativamente baja, pero superior a la del material enfriado lentamente y revenido.
c. Tratamiento de precipitación: Es necesario un tratamiento de precipitación de la aleación para la formación de un precipitado finamente disperso. La formación de dicho precipitado en la aleación es el objetivo del envejecimiento. El precipitado fino en la aleación impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, forzando a que éstas pasen a través de las partículas de precipitado cortándolas o rodeándolas. La aleación resulta reforzada mediante esta restricción del movimiento de las dislocaciones durante la deformación. En esta etapa se obtiene la dureza máxima de estas aleaciones, la solución sobresaturada sufre cambios que conducen a la formación de la segunda fase.
Las aleaciones en que la precipitación tiene lugar a temperatura ambiente, de modo que obtienen su resistencia total después de 4 ó 5 días de estar a temperatura ambiente, se conocen como aleaciones de envejecimiento natural, en tanto que las que necesitan recalentamiento a elevadas temperaturas para alcanzar su máxima resistencia, se conocen como aleaciones de envejecimiento artificial. Sin embargo, estas aleaciones también envejecen en forma limitada a temperatura ambiente, dependiendo de la rapidez y extensión del fortalecimiento de las características de las aleaciones.
3. En que rango de temperatura debe calentarse una aleación binaria endurecida por precipitación para la etapa de tratamiento por solución
El tratamiento en solución se lleva normalmente a cabo a temperaturas que varían desde los 1700 hasta los 1.065,56°C en vacío, seguido por un enfriamiento rápido mediante ventilador de gas a temperatura ambiente. Generalmente el material debe ser enfriado por debajo de los 90 °F (o una temperatura inferior, en algunos casos) antes del procesamiento adicional.
4. Calcule el tanto por ciento en paso de θ en una aleación de 4.8% de Cu que se enfría desde la temperatura eutéctica de 540 ºC. Considere que la solubilidad del Cu en el Al 627 ºC es 0.04% en peso y que la fase θ contiene 58% en peso de cobre y 425 de Al. Determine: El tanto por 100 en peso de θ a la temperatura 150º y 27 ºC.
Θ
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0,04% 4,8% 58%
%Peso= (4,8-0,04)/(58-0,04)=8,213%
5. Cuál es la fuerza que provoca la descomposición de una solución solida súper saturada en una aleación endurecida por precipitación
Una aleación susceptible de ser endurecida por precipitación en la condición
de solución solida sobresaturada está en un estado energético alto. Este
estado energético es relativamente inestable y la aleación tiende a buscar un
estado energético más bajo mediante la descomposición espontanea de la
solución solida sobresaturada en fases metaestables o en la fase de
equilibrio. La fuerza que causa la precipitación de las fases metaestables o de
la fase de equilibrio es la disminución de la energía del sistema cuando se
forman dichas fases.
6. Hacer una grafica Dureza vs Tiempo
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7.- Averiguar las composiciones químicas y propiedades de AA 7075-T36, 2024.T3, 6061-T2
2024-T3
El aluminio 2024 es una aleación de aluminio en la que se usa el cobre como principal elemento en la aleación. Se usa en aplicaciones que requieren una relación fuerza/peso elevada y también presenta una buena resistencia a la fatiga. No puede ser soldado, y posee una maquinabilidad media. Tiene poca resistencia a la corrosión, por lo que a menudo es revestido con aluminio o Al-1Zn para protegerlo, aunque puede reducir la resistencia a la fatiga.
Tiene una densidad de 2,78 g/cm³, una conductividad eléctrica del 30% de IACS, el módulo de Young de 73 GPa (10.6 Msi), y su punto de fusión a 500 grados centígrados.
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La composición de la aleación contiene entre el 4,3 y 4,5 por ciento de cobre, 0,5 y 0,5% de manganeso, 1,3 y 1,5% de magnesio y menos de 0,5% de silicio, zinc, níquel, cromo, plomo y bismuto.
Debido a su elevada solidez y su resistencia a la fatiga, la aleación 2024 es usada comúnmente en aeronáutica, especialmente en la estructura de las alas y el fuselaje.Además, ya que el material es susceptible a los choques térmicos, la aleación se emplea en las pruebas de certificación de penetración en líquidos fuera de los rangos normales de temperatura.
La forma T3 de la aleación presenta una resistencia a la tensión de 400 a 427 MPa y un límite elástico de al menos 269 a 276 MPa. Presenta una elongación de entre 10 y 15%.
7075-T36
La aleación de aluminio 7075 es conocida comercialmente con varios nombres como Zicral (el más común), Ergal, o FortalConstructal.
Es una aleación de aluminio con zinc como principal elemento de aleación. Su composición es de 5.1-6.1% zinc, 2.1-2.9% magnesio, 1.2-2.0% cobre y pequeños portentajes de silicio, hierro, manganeso, cromo, titanio y otros metales. Normalmente se produce para distintas categorías térmicas 7075-O, 7075-T6, 7075-T651.
Es fuerte, con buena resistencia a la fatiga frente a otros metales y es fácil de mecanizar, pero no es soldable y tiene menos resistencia a la corrosión que muchas otras aleaciones. Debido a su coste relativamente contenido su uso es habitual en aplicaciones donde las características técnicas de aleaciones ms baratas no son admisibles.
6061-T2.
El aluminio 6061 es una aleación de aluminio endurecido que contiene como principales elementos aluminio, magnesio y silicio. Originalmente denominado "aleación 61S" fue desarrollada en 1935.1 Tiene buenas propiedades mecánicas y para su uso en soldaduras. Es una de las aleaciones más comunes de aluminio para uso general, especialmente estructuras de alta resistencia que requieran un buen comportamiento frente a la corrosión, camiones, barcos, vehículos ferroviarios, mobiliario y tuberías.
Se emplea comúnmente en formas pre templadas como el 6061-O y las templadas como el 6061-T6 y 6061-T651.
El aluminio 6061 tiene una densidad de 2,70 g/cm3.
La proporción de aluminio debe oscilar entre el 95,85 y el 98,56 por ciento, mientras que el resto de elementos de la aleación atiende a los márgenes establecidos en la
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siguiente tabla, sin que existan otros elementos (distintos a los señalados en la tabla) en proporciones superiores a 0,05 de forma individual ni el 0,15% en total:
8.- Indique la diferencia entre un GP1 y GP2
a.- Zonas GP1: precipitados tetragonales coherentes que se forman a bajas
temperaturas y se crean por la segregación de átomos de Cu en la solución
sobresaturada α. Consisten en regiones segregadas en forma de discos de pocos
átomos de espesor (0,4-0,6nm) y de 8 a 10nm de diámetro.
b.- Zona GP2 (fase θ”): estructuras tetragonal, coherentes con la familia de planos 100
de la matriz. Su tamaño varía entre 14nm de espesor y un diámetro entre 10 y 100nm.
9.- ¿ Cual es la diferencia entre un precipitado coherente y un incoherente?
El precipitado coherente va asociado a una elevada energía de deformación y baja energía superficial y el incoherente va asociado a una baja energía de deformación y
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una elevada energía superficial. Además el precipitado coherente sigue la estructura de la celda matriz mientras en incoherente tiene su propia estructura.
10.- Que efecto produce el sobreenvejecimiento del duraluminio respecto a las propiedades mecánicas.
La dureza comienza a disminuir mientras la ductilidad aumenta con el paso del tiempo
CONCLUSIONES
El envejecimiento natural requiere un tiempo mayor pero permite alcanzar una
dureza superior que el envejecimiento artificial, además de que no hay
sobreenvejecimiento.
A medida que los precipitados se van formando sobre la matriz base, su
velocidad de formación disminuye
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RECOMENDACIONES
Verificar que al término de la preparación de la probeta mediante desbastado las
superficies sean lo más planas posibles, paralelas opuestamente y que formen
aproximadamente 90º entre superficies contiguas; esto para realizar eficazmente
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la medición de la dureza. De ello depende en gran medida la realización del
laboratorio.
Realizar la medición de la dureza en una sola cara uniformemente, esto con la
finalidad de que no se obtengan datos de dureza erróneos.
OBSERVACIONES
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Las durezas crecen inicialmente rápidamente pero luego su velocidad de
crecimiento disminuye, parecen seguir un comportamiento logarítmico, llegando
a un valor final luego de un tiempo muy largo.
La probeta testigo no tuvo los valores de dureza esperados.
Para poder ver los efectos completos de la dureza por envejecimiento natural el
tiempo es considerable.
BIBLIOGRAFÍA
“Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales”, William F. Smith, Editorial
McGrawHill, 1998.
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“Tratamientos Térmicos de los Aceros”, José Apraiz B., CEI Inversiones
Editoriales Dossat.
Fenómenos de endurecimiento.
Enlace: http://www.slideshare.net/yasnachavez/capitulo-6-metalurgia-fisica-y-
mecanica
Estudio cinético de las transformaciones de fase.
Enlace: http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r52389.PDF
Metaestabilidad.
Enlace: http://es.wikipedia.org/wiki/Metaestabilidad
RIOJA Roberto, E. LAUGHLIN David. La secuencia de precipitación en
aleaciones de aluminio y cobre.
Enlace: http://neon.mems.cmu.edu/laughlin/pdf/023.pdf