Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 5, N" 2, 1985 149

Propiedades Mecánicas de Algunas Aleaciones Zinc-Aluminio

A. Herrera, A. Thomas y H. Salazar

Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México. México, D. F., México

El objetivo deeste trabajo ha sido investigar las propiedades mecánicas y microestructura de cuatro aleaciones Zn-Al en el intervalo de60 a 78%de Zn para diferenctes tratamientos térmicos y las condiciones en las cuales la superplasticidad aparece. Las aleaciones estu-diadas fueron Zn-40%Al,Zn-35%Al,Zn-30%Aly Zn-22%AI.Los resultados muestran que el tratamientó térmico aplicado, no afecta con-siderablemente las propiedades mecánicas de las aleaciones Zn-40%Aly Zn-35%Al, sin embargo el efecto es mayor para las aleacionesZn-30%Aly Zn-22%AI.Para tres de las cuatro aleaciones la dureza fue independiente de los tratamientos térmicos, pero no para la Zn-22%AI.La mayor ductilidad fue encontrada en la aleación con composición cercana al punto eutectoide. La aleación Zn-22%Almostróun comportamiento dúctil para todos los tratamientos usados. Las aleaciones Zn-40%Aly Zn-35%AIrompieron con una fractura tipofrágil. La aleación Zn-30%Al mostró una variación en su comportamiento a la fractura dependiendo del tratamiento térmico.

Mechanical Properties of Some Zinc-Aluminum Alloys

The objective of this work has been to investigate the mechanical properties and microstructure of four Zn-AI alloys in the range of 60 to78%Zn for different heat treatments, and the conditions in which superplasticity appears. The alloys under study were Zn-40%Al,Zn-35%AI,Zn-30%Aland Zn-22%AI.The results show that the applied heat treatment does not influence considerably the mechanical pro-perties of the Zn-40%Al and Zn-35%Al; however the effect is higher for the Zn-30%Al and Zn-33%Al alloys. For three out of the fouralloys the hardness was independent of the heat treatments but not for Zn-22%AI.Higher ductility was found in the alloy with composi-tion close to the eutectoid point. The Zn-22%AIal!oy shows a ductile bahaviour for al! the treatments used but the Zn-40%AIand Zn-35%Al break with a brittle type fracture. The Zn-30% alloy shows a variation in his fracture behaviour depending on the heattreatment.

INTRODUCCION

La superplasticidad es el térmico que describe lahabilidad de un metal para fluir en forma similar a losvidrios o polímeros en condiciones calientes. En términosgenerales se puede establecer que un metal es superplás-tico cuando muestra deformaciones en exceso a su com-portamiento convencional bajo pequeños esfuerzos detensión, compresión o torsión.

La superplasticidad aparece con materiales que tie-nen una microestructura peculiar en condiciones de altastemperaturas y velocidad de deformación relativamentelenta. Un metal es superplástico cuando muestra unagran resistencia a la estricción y una distribución uni-forme de plasticidad. Las aleaciones Zn-Al cercanas a lacomposición eutectoide muestran superplasticidad. Unabreve explicación del fenómeno es como sigue: Bajoesfuerzos tensiles y temperaturas menores que 0,3 Tf (Tfpunto de fusión °K) la inestabilidad ocurre cuando elmetal ha agotado su capacidad de endurecer por defor-mación, generalmente la elongación uniforme no esmayor que el 30%.Para deformaciones estables y mayo-res el metal deberá de ser descargado y calentado a tem-peraturas más altas que la de recristalización (0,4 Tf),con el objeto de recuperar la capacidad de endureci-miento por deformación. Para temperaturas mayoresque el 0,5 Tf existe un equilibrio entre endurecimiento yrecristalización. El parámetro que domina es la sensibili-dad a la velocidad de deformación (S.R.S.) y su magnitudidentifica el material superplástico. La investigación enesta área ha sido llevada a cabo en varios aspectos. Lavelocidad de reducción en la sección transversal como

una función del tamaño de la sección transversal paradiferentes valores de (S.R.S.) ha sido investigada [1, 2].Una gráfica logarítmica de esfuerzo aplicado (a) contrala velocidad de deformación (E) muestra las tres regio-nes de flujo plástico en un material superplástico típicocomo el Zn-22%Al [3,4]. La influencia de la temperaturasobre la deformación a la fractura y velocidad de defor-mación para un tamaño de grano típico en las aleacionesha sido estudiado [5,7]. así como el efecto de la tempera-tura sobre la sensibilidad a la deformación (S.R.S.) yvelocidad de deformación [7]. La deformación a la frac-tura como una función de velocidad de deformación paradiferentes tamaños de grano ha sido estudiada [8]. Lainfluencia de la textura sobre la velocidad de deforma-ción ha sido investigada [9]. Los diferentes tipos de frac-tura como una función de la deformación a la fractura yvelocidad de deformación son indicados en la referencia[10].Una gran cantidad de estudios [4,5.11,13] sobre lapresencia de cavidades en varias aleaciones superplásti-cas han sido llevados a cabo. Los primeros estudios fue-ron sobre aleaciones Zn-AI de composiciones comercia-les [14].

Otros estudios fueron realizados con aleaciones Zn-Al de alta pureza [15]. Langdon y colaboradores [16]investigaron la aleación eutectoide Zn-Al tomando encuenta el tamaño de grano antes y después del ensayo detracción. La relación entre sistemas de deslizamiento yvelocidad de deformación fue estudiado por Raibishevotros [17].Los mapas de los mecanismos de deformaeiées un método sencillo y altamente visual para presentarun resumen de observación al comportamiento mecá-nico. Un análisis de este fenómeno ha sido llevado acabo

150 LatinAmerican Journal of Metallu·rgy and Materials, Vol. 5, N° 2, 1.985

por varios investigadores [10, 18]. El efecto de la micro-estructura sobre la superplasticidad ha sido estudiadopor Laughlin y otros [19].

TRABAJO EXPERIMENTALFusión

Las aleaciones de pureza comercial fueron fundidasen un horno eléctrico de resistencias y desgasadas,usando un flujo de 1 gal/hr., de nitrógeno, durante 5minutos para una carga de metal de 0,5 kg. Después deldegasado el metal fundido fue inmediatamente vaciado auna temperatura de 680 "C: en un molde metálico pre-calentado, previamente cubierto con una delgada pelí-cula de grafito. Fig. 1.

Las primeras probetas de ensayo obtenidas sonmostradas en la Fig. 2 Ydebido a problemas por contrac-ción, pequeñas barras para ensayo fueron maquinadasde acuerdo a la Fig. 3.

Tratamiento térmicoLas barras de ensayo obtenidas fueron tratadas tér-

micamente para homogeneización y enfriadas rápida-mente a O-c en agua con hielo y recocidas, de acuerdo a laTabla 1.

Ensayo de tracción

El ensayo de tracción fue realizado en una máquinauniversal de ensayos, Instron de 10 ton. de capacidad, auna temperatura de 200 De con una velocidad de cabezalconstante de 1 mm/min, la cual dio una velocidad dedeformación de 7,6 X 10-4 seg". Fue medida la resisten-cia a la tracción, porcentaje de elongación y reducción enáreas para cada probeta.

Ensayo de durezaEl número de dureza Brinell fue obtenido con un

penetrador de 2,5 mm. de diámetro y una carga de 30 kg.El valor reportado fue el promedio de al menos tres lectu-ras realizadas.

Metalografía

A partir de las barras de ensayo de tracción fueronobtenidas muestras para análisis metalográfico. La.superficie pulida fue atacada con reactivo de Keller,"durante 5 minutos y observada a 250 y 1000 aumentos,otras muestras fueron observadas sin ataque a 50 au-mentos.

RESULTADOS Y DISCUSIONLos resultados obtenidos del trabajo experimental,

son mostrados en las Tablas 2 a 5, donde (S) significa sintratamiento térmico. Dos defectos fueron generadosdurante el enfriamiento de la aleación en las barras deensayo grandes: a) Esfuerzos internos y b) cavidades porcontracción. En las barras sin tratamiento térmico éstasrompieron en la región A, Fig. 4. Por otro lado, las barrascon tratamiento térmico rompieron en la región B. Estecambio en el área de falla podría ser debido a la libera-ción de esfuerzos, internos sin el calentamiento.Dureza

Las aleaciones Zn-40%Al, Zn-35%Al y Zn-30%Almuestran una relación independiente entre dureza y tra-tamiento térmico (Fig. 5), pero no la aleación Zn-22%AI.El valor más alto de esta propiedad fue encontrado paralas cuatro aleaciones con tratamiento térmico.

Resistencia a la tracción

Para las aleaciones Zn-22Al,Zn-30Al, Zn-35AIy Zn-40Alla relación entre esfuerzo a la falla y temperatura detratamiento térmico es mostrada en la Fig. 6. La relaciónentre reducción en área y elongación para la aleación Zn-40AIes indicada en la Fig. 7. para la Zn-35AI en la Fig. 8,para elongación contra temperatura de.tratamiento tér-mico en Zn-30Al Fig. 9 y para Zn-22Al en la Fig. 10. LasFigs. 11 y 12 muestran el comportamiento de rotura tipofrágil para las aleaciones Zn-40Al y Zn-35AI. La Fig. 13muestra las barras de ensayo después de romperse parala aleación Zn-30AI. La Zn-22AI parece ser la aleaciónIl},ª§ interesgnte.la cual es muy dúctil para todas las con-

__--------------------245----------------------------~

Espesor Para Ventilación de Aire 0.1

80

Dimensiones en Milimetros.

Fig. 1. Dimensiones del molde usado para obtener las probetas de ensayo de tensión para maquinado.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5. N° 2. 1985 151

PROCEDIMIENTO DE TRATAMIENTO TERMICO USADOPARA LAS ALEACIONES INVESTIGADAS*Recocido°C 6 hrs.

Tratamiento HomogeneizaciónTérmico °C, 64 hrs. 220 285 250 265

Zn-22AI1 305 Zn-30AI

Zn-35AlZn-40AI

Zn-22AlII 320 Zn-30AI

Zn-35AIZn-40Al

Zn-22AlIII 335 Zn-30AI

Zn-35AIZn-40AI

350 Zn-22AIZn-30AI

IVZn-35AI

360 Zn-40AI

Fig. 2. Probetas de ensayo coladas en molde metálico.

diciones de tratamiento térmico. Algunas barras mues-tran una fractura fibrosa, sin embargo en otras el rom-pimiento ocurre en un punto Fig. 14. Todas las barras deensayo sin tratamiento térmico rompen con una fracturatipo frágil. Fig. 15.

De acuerdo a las Tablas 4 y 5, los valores de elonga-ción no muestran ninguna relación con la variación en eltratamiento térmico, para la aleación Zn-22AI, Fig. 16 elmismo comportamiento ocurre para la Zn-30AI como semuestra en la Fig. 13 b. Este último comportamiento

701.19 22."111 i

.~.42 10.6.48 9.• ¡

¡..7.6" 25.04

2160

5.08Fig. 3. Dimensiones de las probetas para ensayo de tensión en

mm.

podría ser debido a la fuerte dependencia entre microes-tructura y ductilidad. Defectos como porosidad e inclu-siones, los cuales invariablemente están en las barras deensayo afectan considerablemente la ductilidad de lasaleaciones.

Microestructura

Tres tipos principales de microestructura fueronobservados en las muestras.

i) Tipo dendrítico: presente en las barras de en-sayo sin tratamiento térmico. Figs. 17 y 18.

ii) Estructura fina: típica de descomposición eu-tectoide en aleaciones con enfriamiento rápido. Fig. 19.

iii) Una mezcla de los dos anteriores. Fig. 20.Un resumen de las fases obtenidas del tratamiento

de homogenización son mostradas en la Tabla 6.La microestructura fina estable, en la aleación

eutectoide es mantenida después del recocido. Las otras

TABLA 1

• Templado después de homogenización para todas las barras, a O°C en agua con hielo.

152' LatinAmeriran Journal of Metallurgy and Malerials, Vol. 5. N° 2. 1985

120Probeta.sin i.T

110 D

100

90

...JBO...J

WzirID

70<tN

fo.. WIr::;¡ 60Cl

50

.)3Fig. 4. Defectos en fundiciones mostradas en el ensayo de tensión.

A) Probetas sin tratamiento térmico.E) Probetas tratadas térrnicarnente.

tres aleaciones muestran una mezcla de estructuras, locual significa que el tratamiento de homogenización nofue suficiente, incluso para la Zn-30Al y Zn-35Al con eltratamiento IV en la cual la fase ll' existe.

La Fig. 21 muestra la estructura de la Fig. 20d, aaltos aumentos (lOOOX). Puede ser notado que estaestructura contiene algunas regiones con perlita fina, lacual fue probablemente formada en las zonas sin trans-formación, durante el recocido.

En estructuras con grandes cantidades de dendri-tas la transformación ocurre en los espacios interdendrÍ-ticos y dentro de las mismas dendritas como puede ob-servarse en la Fig. 22.

Otro fenómeno observado sobre la superficie de lasbarras de ensayo de tracción fue la cavitación; las cavi-dades son menos alargadas al eje de tracción y su presen-cia es mayor en muestras dúctiles que en barras super-plásticas. Fig 23.

, Zn-40% AlVZn-35%AID Zn-30% Alo Zn-22 %AI

HR

305220

350/360265

320235

335250

TEMPERATURA DE TRATAMIENTO TERMICO 'c

H: HomoQenizociónR: Recocido.

Fig. 5. Dureza Brinell contra temperatura de tratamiento térmicopara las aleaciones Zn-30%Al Zn-35%AI.La última tempera-tura es 360°C para Zn-30% y 350 DC para Zn~22%AI.

CONCLUSIONESLos tratamientos térmicos aplicados durante este

trabajo no influyeron considerablemente las propieda-des mecánicas de las aleaciones Zn-40Al y Zn-35Al, perosu efecto fue mayor para Zn-30Al y Zn-22Al. La dureza ylos tratamientos térmicos no muestran ninguna relaciónpara las aleaciones Zn-40Al, Zn-35Al y Zn-30Al. Sinembargo, par:a la Zn-22Alla dureza y el esfuerzo de fallafueron mínimos para el tratamiento térmico N° Il y seincrementaron con el tratamiento térmico N° IV.

Para aleaciones próximas a la composición eutec-toide como la Zn-22Al, se encontró una alta ductilidad enlos cuatro tratamientos térmicos. Las aleaciones Zn-40Al y Zn-35Al fueron frágiles, la Zn-30Al fue dútil paralos tratamientos Nos. ny Ill pero frágil para los trata-mientos 1 y IV.

Debido a los rápidos cambios en la ductilidad ydureza causada por variaciones en tratamientos térmi-cos, se debe de tener cuidado en la práctica y procedi-mientos de calentamiento y enfriamiento de las alea-ciones estudiadas. De las cuatro aleaciones investigadasla más interesante parece ser la Zn-22Al, la cual ofreceuna alta ductilidad útil en los procesos de formado encaliente para la fabricación de partes de formas com-plejas.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 5, N° 2, 1985 153

TABLA 2

PROPIEDADES DE LA ALEACION Zn-40% Al

Resistencia a latensión o esfuerzo

Nr de Tratamiento de falla Elongación Reducción Durezaprobeta térmico Kg/mm2 % en área % Brinell

10 I 10,10 18,8 21,3 76,411 I 12,73 10,5 7,7 82,612 I 9,03 6,9 3,1 78,8

13 II 7,42 15,7 10,7 78,314 II 77,815 II 6,71 31,5 23,8 82,1

16 III 5,05 14,3 1,6 80,917 III 7,99 5,0 4,6 77,318 nI 6,63 12,1 6,2 79,3

19 IV 5,69 0,9 7,7 81,1110 IV 81,5111 IV 6,90 10,8 3,1 78,3

112 S 12,70 6,0 3,1 137,0113 S 110,2114 S 89,7

TABLA 3

PROPIEDADES DE LA ALEACIQN Zn-35% Al

Resistencia a latensión o esfuerzo

N° de Tratamiento de falla Elongación Reducción Durezaprobeta térmico Kq/mm" % en área % Brinell

20 I 7,36 12,4 10,7 77,321 1 9,33 5,2 7,7 82,022 1 9,02 17,0 12,1 82,5

23 II 6,47 46,6 59,9 75,024 n 5,53 14,6 7,7 78,325 n 8,37 16,8 10,7 91,0

26 III 11,62 67,7 10,7 79,327 III 6,03 11,4 7,6 84,928 III 9,84 13,6 22,6 87,2

29 IV 5,46 58,2 49,8 72,0210 IV 11,68 17,9 10,7 91,6211 IV 6,84 19,7 12,1 75,3

212 S 11,37 0,9 3,2 121,2213 S 10,59 2,2 4,7 108,2214 S 10,55 5,0 3,1 102,8

154 LatinAmerican Journal of Metalluroúcnd Materials, Vol. 5, N° 2, 1985

14 ProbetasSin T.T O Zn-40% Al

13 ~.Zn-~5% Al1:1 Zn -30 % Al

12 • Zn - 22 % Al

II •N

1:1E 10

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3

2

H:R

305220

350/360265

320235

335250

TEMPERATURA DE TRATAMIENTO TERMICO'C

H: HomogenizaciónA Recocido.

Fig. 6. Esfuerzo de falla contra temperatura de tratamiento térmico.Temperatura de ensayo 200 ·C.

50r-------------------------------~--------,

Zn - 3 5 % Al

40o E Ion gacion %

• R. en Areo %

Probeta sSin T. T .

30

20

10

o•H:R:

305220

360265320235

335250

TEMPERATURA DE TRATAMIENTO TER MICO ·c

H: HomogenizociónR. Recocido

Fig. 8. Elongación y reducción en área contra temperatura de trata-miento térmico para la aleación Zn-35%AI.

50 20 100

Probetas Pr obetosSin T. T Zn-40%AI 18 Sin 1. T 90

• Elongacion % Zn-30% Al40 160 80

O R. Areo %

• Elongaclón 'JI,140 O R. en Areo % 70

<1 <tW2 2 WIl:o O 120 60 a:<1- 30 Ü <t

V <12<t

'" 2W'" 2 W2 O 100 50 220

O..J ...JO

üW wÜ

g~ ;¡!80 40

<)~o 20 ow wa: a:

60 30 ;¡!"¡;!

40 o 20

10

20 • 10•O

H: 305 320 335R: 220 235 250

H: 305 320 335 360R: 220 235 250 265

TEMPERATURA DE TRATAMIENTO TERMICO "cTEMPERATURA DE TRATAMIENTO TERMICO ·C

.H: Homogenizocion H: HomogenizaciónR: Recocido R: R.cocido

Fig. 7. Elongación y-reducción en área contra temperatura de trata- Fig. 9. Elongación y reducción en área contra temperatura de trata-miento térmico para la aleación Zn-40%AI. miento térmico para la aleación Zn-30%AI.

155 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5. N° 2. 1985

TABLA 4

PROPIEDADES DE LA ALEACION Zn-30% Al

Resis temía a latensión o esfuerzo

N° de Tratamiento de falla Elongación Reducción Durezaprobeta térmico Kg/mm2 % en área % Brínell

30 1 6,68 7,1 12,4 84,931 1 6,03 5,5 10,8 76,332 1 83,2

33 n 4,14 100,5 76,6 70,734 n 2,43 15,8 18,0 75,935 n 4,50 28,9 33,4 101,0

36 III 3,10 77,4 55,9 75,337 III 4,01 243,5 99,7 86,038 III 79,3

39 IV 6,19 7,9 16,7 78,3310 IV 93,7311 IV 6,50 11,4 19,4 76,3

312 S 8,98 17,3 13,8 99,2313 S 11,84 7,3 15,1 110,0314 S 124,1

TABLA 5

PROPIEDADES DE LA ALEACION Zn-22% Al

Resis tencia a laten.~ióno esfuerzo

N'de Tratamiento de falla Elongación Reducción Durezaprobeta térmico Kg/mm2 % en área % Brínell

40 1 8,84 7,8 10,7 69,741 I 7,89 136,1 90,1 77,342 I 8,04 89,7 91,3 75,3

43 n 1,45 266,9 88,0 73,844 11 0,85 21,7 22,2 55,645 11 1,23 88,1 64,4 55,4

46 nI 4,01 146,1 99,6 92,247 111 2,21 175,8 86,9 79,948 III 1,13 27Q,0* 88,4

49 IV 7,96 252,4 99,9 97,1410 IV 2,59 167,6 93,7 96,4411 IV 4,74 231.1 * 95,1 99,2

412 S 11,68 18,2 10,7 125,6413 S 14,84 10,2 10,7 110,5414 S 11,73 24,2 22,6 103,5

LatinAmerican Journal of MelallurgN and Materiols; Vol. 5. N° 2, 1985

100

90

80

70 <turIr<t

60 zwz5!

00 UU=>Our

40 a:

••30

20

10

350265

Zn - 22 % Al

o Elongación %• R. en Arta %

H:R:

sce220

320235

335250

T~MPERATURA DE TRATAMIENTO TERMICO·C

H: HomooenizociónR: Recocido

Fig. 1Ú. Elongación y reducción en área contra temperatura de tra-tamiento térmico para la aleación Zn-22%AI.

Fig. 11. Zn-40%Altratada térmicamente con el método Iv.Fracturatipo frágil.

Fig, 12. Zn-35%Al tratada térmicamente con método l. Fracturatipo frágil.

Fig. 13. Zn-30%Altratada térmicamente con método III. Cambiosen ductilidad.

Fig. 14. Zn-22%Altratada térmicamente con método IV.Superplas-ticidad a la aleación eutectoide.

Fig. 15.Aleación Zn~22%Al.sin tratamiento térmico. Fractura tipofrágil.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 5, N° 2, 1985 ·157

Fig. 16. Aleación Zn-22%AIcon tratamiento térmico N° Il, Cambíosde frágil a dúctil bajo las mismas condiciones de tratamien-to térmico.

Fig.17. Superficies de fractura de la aleación Zn-30%AI, sin trata-miento térmico, 250X.

Fig. 18. Superficie de fractura de la aleación Zn-40%Al, con trata-miento térmico N° III, 250X.

Fig, 19. Microestructura fina de la aleación Zn-22%AI con trata-miento térmico N° IV. 1000X.

Fig. 20. a) Mezcla de estructura fina y dendrítica en la aleación Zn-30%AI con tratamíento térmico N° 1.

Fig. 20. b) Típica estructura dendrítíca en aleación Zn-35%AI contratamiento térmico N° III, 250X.

158 LatinAmerican Journal 01 Metall1,trgyand Materials, Vol. 5, N' 2, 1985

TABLA 6

FASES OBTENIDAS DE HOMOGENIZACION

Tratamientos térmicos

Fig. 21, Mezcla de estructura con una gran cantidad de perlita,1000X:

Fig. 22. Mezcla de estructuras con una gran cantidad de dendri-tas,1000X.

Fig. 23. b) Cavitaci6n en comportamiento dúctil de un material super-plástico. Aleación Zn-22%Al con tratamiento térmico N°IV.50X.

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