CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO ESTUDIO DE LA RECRISTALIZACIÓN EN LA ZONA DE UNIÓN DE UN COMPUESTO DE MATRIZ A359/SiC20p UTILIZANDO EL PROCESO DE SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN (FSW) POR CINDY ESTEFANÍA MORALES BAZALDÚA MONOGRAFÍA EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL SALTILLO COAHUILA. A 25 DE FEBRERO DE 2016
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTUDIO DE LA RECRISTALIZACIÓN EN LA ZONA DE UNIÓN DE UN COMPUESTO DE MATRIZ A359/SiC20p UTILIZANDO EL PROCESO DE
SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN (FSW)
POR
CINDY ESTEFANÍA MORALES BAZALDÚA
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO COAHUILA. A 25 DE FEBRERO DE 2016
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTUDIO DE LA RECRISTALIZACIÓN EN LA ZONA DE UNIÓN DE UN COMPUESTO DE MATRIZ A359/SiC20p UTILIZANDO EL PROCESO DE
SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN (FSW)
POR
CINDY ESTEFANÍA MORALES BAZALDÚA
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO COAHUILA. A 25 DE FEBRERO DE 2016
i
AGRADECIMIENTOS
Aprovecho el espacio que se me otorga en este trabajo monográfico para
primero que nada agradecer a Dios Padre por darme la fortaleza, seguridad, valor,
valentía así como la oportunidad para seguir con el curso de mis estudios sabiendo
que existen muchísimas personas que esperan esta valiosa oportunidad. Quiero
también agradecer infinitamente a COMIMSA y CONACYT, quienes confiando en
mí y en mi capacidad me proporcionaron todo lo necesario para el desarrollo de este
proyecto, a su vez a la Università Degli Studi di Padova en Italia por aceptarme y
proporcionarme sus instalaciones para desarrollar la estancia de investigación
necesaria e indispensable para el desarrollo del mismo, quedándome con lo mejor
en: aprendizaje y experiencia vivida en ese lado del mundo, agradeciendo
especialmente a la Dra. Irene Calliari y sus colaboradores.
Estoy también sumamente agradecida al Dr. Felipe de Jesús García Vázquez
simplemente por aceptar ser mi tutor de monografía, por su apoyo, compresión y
orientación brindada este largo año, ya que sin ella éste trabajo no sería el mismo,
aprendiendo y comprobando de él que la libertad no es sinónimo de locura si no de
responsabilidad.
ii
También quisiera agradecer infinitamente a la Dra. Argelia Fabiola Miranda
por escucharme y orientarme en el progreso del mismo ayudándome en lo que se
necesitará para la personificación del estudio en curso.
De igual manera quiero agradecer a todos y cada uno de los Doctores,
Maestros, revisores de seminario y aquellos que sin responsabilidad alguna me
brindaron su conocimiento en algún comentario, clase o plática.
A mis amigos; Bryan, Dany, Rubén y Martín que siempre me estuvieron
apoyando con el simple hecho de escuchar o ayudarme en cosas muy pequeñitas
de todos los aspectos, estoy profundamente agradecida por que estén a mi lado.
Hemos pasado tantas cosas juntos este año, que es imposible no mencionarlos,
también quiero agradecerles por su amistad, aunque sé perdurará por años.
Bryan Rodríguez y Laura Prado que les puedo decir a ustedes, simplemente
el escribirles unas cuantas palabras no expresa lo que pienso y siento por ustedes,
sin embargo muchas gracias por todo lo que han hecho por mí en todos los aspectos
y sentidos. Los quiero mucho, sin ustedes no sería nada en esta vida. Por último,
pero no siendo los menos importantes quiero dedicar el esfuerzo y tiempo implicado
en este trabajo a mi familia; a mis padres, hermanos, sobrinitos y a mi Xana Do
agradeciéndoles por la compresión y apoyo durante todo este tiempo, ya que sin
ustedes segura estoy que no podría estar donde estoy ahora.
“Don’t think being second best, be number one”
Jessica Ellen Cornish
iii
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS..................................................................................... i
ÍNDICE ......................................................................................................... iii
SÍNTESIS ..................................................................................................... 7
1 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 9
1.1 Antecedentes ................................................................................... 9
1.2 Objetivos ........................................................................................ 11
1.2.1 Objetivo general ....................................................................... 11
1.2.2 Objetivos específicos ............................................................... 11
1.3 Justificación .................................................................................... 12
1.4 Planteamiento del problema ........................................................... 12
1.5 Aportación tecnológica ................................................................... 13
1.6 Alcances y delimitaciones .............................................................. 13
2 MARCO TEÓRICO ............................................................................... 14
2.1 Aleaciones de aluminio .................................................................. 14
2.1.1 Tipos de aleaciones de aluminio .............................................. 15
2.1.2 Propiedades de las más comunes aleaciones de aluminio ...... 16
2.1.3 Aplicaciones ............................................................................. 18
2.2 Materiales compuestos .................................................................. 18
2.2.1 Definición de material compuesto ............................................ 18
2.2.1.1 Papel de la matriz .............................................................. 19
2.2.1.2 Papel del refuerzo.............................................................. 19
2.2.2 Clasificación de los materiales compuestos ............................. 19
iv
2.2.3 Compuestos de matriz metálica ............................................... 20
2.2.3.1 Manufactura y procesamiento de los compuestos de matriz
metálica ……… .......................................................................................... 20
2.2.3.2 Tipos de compuestos de matriz metálica ........................... 21
2.2.3.3 Matrices utilizadas en los MMC’s y funciones ................... 21
2.2.3.4 Refuerzos utilizados en los MMC’s y funciones ................. 21
2.2.4 Propiedades y usos de los materiales compuestos de matriz
metálica…….. ................................................................................................ 23
2.2.5 Compuestos de matriz de aluminio .......................................... 24
2.2.6 Refuerzos utilizados en los compuestos de matriz de aluminio 25
2.2.7 Material compuesto de matriz de aluminio A359/SiC/20p ........ 27
2.2.7.1 Material compuesto por aleación de aluminio 3xx.x .......... 27
2.2.7.2 Refuerzo de partículas de Carburo de Silicio (SiC) ........... 27
2.2.7.3 Metalurgia de la aleación A359 que compone al
A359/SiC/20p… .......................................................................................... 28
2.2.7.4 Microestructura del compuesto de matriz metálica A359/20p
SiC ……………. .......................................................................................... 32
2.2.7.5 Material compuesto de matriz de aluminio con refuerzo de
carburo de silicio; generalidades y comportamientos ................................. 35
2.2.8 Aplicaciones ............................................................................. 35
2.3 Soldadura por fricción agitación (Friction Stir Welding, FSW) ........ 36
2.3.1 Historia ..................................................................................... 36
2.3.2 Generalidades .......................................................................... 36
2.3.3 Funcionamiento ........................................................................ 36
2.3.4 Selección de la herramienta ..................................................... 38
2.3.5 Parámetros del proceso FSW .................................................. 42
v
2.3.6 Ventajas y desventajas ............................................................ 47
2.3.7 Calidad de soldadura ............................................................... 48
2.3.7.1 Discontinuidades de procesamiento .................................. 48
2.3.7.2 Discontinuidades metalúrgicas .......................................... 50
2.3.8 Desarrollo microestructural de los materiales soldados por medio
de la FSW….. ................................................................................................. 52
2.3.9 Proceso de soldadura por fricción agitación con materiales
compuestos de matriz de aluminio ................................................................. 57
2.3.10 Aplicaciones ........................................................................... 58
2.3.11 Últimos avances de la soldadura por fricción agitación de
aleaciones de aluminio................................................................................... 58
2.4 Proceso de recristalización ............................................................ 59
2.4.1.1 Estado de deformación ...................................................... 62
2.4.1.2 Recuperación .................................................................... 62
2.4.1.2.1 Recuperación estática ................................................. 64
2.4.1.2.2 Recuperación dinámica ............................................... 64
2.4.1.3 Recristalización.................................................................. 65
2.4.1.3.1 Temperatura de recristalización .................................. 67
2.4.1.3.2 Recristalización estática .............................................. 67
2.4.1.3.3 Recristalización dinámica ............................................ 68
2.4.1.3.4 Cinética de recristalización.......................................... 71
2.4.1.3.5 Factores que afectan a la recristalización ................... 72
2.4.1.3.6 Reglas de recristalización ........................................... 73
2.4.1.4 Crecimiento de granos ....................................................... 73
2.4.1.5 Textura de granos recristalizados ...................................... 74
vi
2.4.2 Recristalización de aleaciones y compuestos de base de
aluminio…….. ................................................................................................ 76
3 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE BIBLIOGRAFÍA ...................................... 81
4 CASO DE ESTUDIO ............................................................................. 83
4.1 Metodología ................................................................................... 83
4.2 Material .......................................................................................... 84
4.3 Soldadura ....................................................................................... 85
4.4 Preparación metalográfica ............................................................. 89
4.5 Técnicas de caracterización ........................................................... 89
4.6 Resultados ..................................................................................... 90
4.6.1.1 Microscopía óptica ............................................................. 90
4.6.1.2 Estereoscopio .................................................................... 97
4.6.1.3 Microscopio electrónico de barrido (MEB) ......................... 99
4.6.1.4 Microdureza Vickers ........................................................ 104
5 CONCLUSIONES ............................................................................... 105
RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO .............................................................. 107
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 108
ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................... 115
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................. 122
7
SÍNTESIS
La soldadura por fricción agitación ha remplazado métodos
convencionales de soldadura al unir una amplia variedad de materiales, como es
el caso de los compuestos de matriz metálica. En la actualidad se sabe que este
proceso puede soldar dichos materiales con una eficiencia de aproximadamente
80-97%, generando menos defectos o discontinuidades y una microestructura del
material favorable haciéndolos candidatos selectos por industrias tales como la
automotriz, aeronáutica, naval etc.
Sabiendo además que los materiales antes mencionados poseen
propiedades superiores que aquellas aleaciones no reforzadas, al ser unidos por
medio de la soldadura por fricción agitación (FSW, por sus siglas en inglés) se ve
inmerso un mecanismo que ayuda a mejorar la microestructura y propiedades de
la unión final. Este es el mecanismo de recristalización, el cual comienza cuando
el material es deformado plásticamente por la fuerza y presión que ejerce la
penetración del herramental y con el calentamiento proporcionado por la fricción-
agitación entre la herramienta y el material se eleva la temperatura del proceso
sin llegar a su punto de fusión. Gracias a esto el material se recupera de la antigua
deformación, eliminando las dislocaciones conseguidas, lo que procederá al
siguiente estado en donde los puntos de nucleación formados recristalizan
dinámicamente. Por último los granos aumentan en tamaño recuperando las
propiedades perdidas durante el deformado además de mejorar otras
propiedades lo que es sumamente beneficioso para estos materiales.
Concluyendo que el mecanismo de recristalización es de suma importancia para
8
el desarrollo de la microestructura del procesamiento por FSW del material A359
con 20%p de SiC.
En el presente estudio se llevó a cabo una experimentación en donde por
medio de un control numérico computarizado (CNC) se soldaron placas de
material compuesto de matriz de aluminio A359/20%p SiC con la soldadura por
fricción agitación con la ayuda de dos herramientas con diferentes geometrías
que se diseñaron y fabricaron en la corporación, variando los parámetros de
velocidad de avance y de rotación de dichas herramientas. Una vez soldadas, las
muestras se llevaron a la preparación metalográfica correspondiente en donde al
inspeccionarlas por medio de las técnicas de caracterización; MO, SEM y
estereoscopía se obtuvo como resultado que no fue posible observar a nivel
microestructural el grano de las muestras, el grado de deformación,
recristalización, textura ni nada relacionado con el principal objetivo de este
estudio. Concluyendo así que la causa a esto último puede haberse dado desde
la fabricación del material, el químico atacante para revelar la microestructura o
la técnica de caracterización. Llegando a resultados apoyados por distintos
aspectos como los perfiles de dureza realizados, el cambio en tamaño de las
partículas de SiC así como la revisión bibliográfica, se cree que se llevó a cabo
una recristalización tanto de la matriz como de las partículas de SiC, sin embargo
esta no pudo ser observada.
Aportando además que la técnica de caracterización adecuada para
revisar todo lo relacionado con el objeto de este estudio es la implementación de
la herramienta del SEM EBSD (difracción de electrones por retrodispersión, de
sus siglas en inglés) por coloreamiento, lo que se cree ayudará a observar de
manera adecuada información microestructural cuantitativa acerca de la
naturaleza cristalográfica del material. Mencionando también que estos
materiales pueden ser soldados por medio de la soldadura FSW siempre y
cuando se controlen de manera adecuada los parámetros de soldadura.
9
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
En la actualidad el proceso de soldadura por fricción agitación (FSW, por
sus siglas en inglés) es un método bien conocido debido a que puede unir una
infinidad de materiales y aleaciones con diferentes propiedades, por medio del
calor producido por la fricción en el proceso, lo que lo diferencia de los procesos
convencionales de soldadura. En la Figura 1.1 se puede observar el proceso de
soldadura FSW y sus principales partes características.
Figura 1.1 Proceso de soldadura por fricción agitación [1].
10
Además es un proceso innovador en constante desarrollo, considerado de
esa manera con tan sólo 23 años en el área como un proceso tecnológico verde,
siendo amigable con el medio ambiente, eficiente y versátil, funcionado así
primordialmente en la industria automotriz, aeronáutica, marina y de
transportación de riel (ferroviaria).
El proceso de soldadura FSW genera cambios en la microestructura del
material unido, dependiendo de las variaciones de los parámetros del proceso,
como la velocidad de rotación y traslación.
Este proceso es utilizado primordialmente en materiales como el aluminio,
lo que es de gran aportación para las industrias antes mencionadas, debido a
que para la elaboración de sus productos requieren que los materiales posean
características específicas como son una buena conductividad térmica y
eléctrica, ligereza así como una excelente resistencia al desgaste.
Actualmente el proceso FSW ha incrementado su utilización hacia los
materiales compuestos de matriz metálica augurando un gran potencial para
unirlos, no obstante que antes se consideraban de difícil soldabilidad por lo que
han venido remplazando a los materiales antes utilizados. Los materiales
compuestos poseen excelente combinación de propiedades como ligereza,
maquinabilidad, resistencia al desgaste, mayor rigidez, estabilidad térmica
además de ser más costeables; siendo éstas propiedades fundamentales para
cubrir necesidades tecnológicas lo que los vuelve muy solicitados en las
industrias automotriz y aeroespacial.
En materiales en los cuales se realiza un proceso previo de 'trabajado en
frío' (deformación del material sin llegar a su punto de fusión) como es el caso
del laminado, el material presenta defectos en la microestructura afectando las
propiedades de la pieza soldada. Al someter el material al proceso FSW, se
produce el mecanismo de recristalización (Figura 1.2) formando nuevos cristales
en la zona nugget y restaurando así la microestructura del material, mejorando
sus propiedades mecánicas.
11
Figura 1.2 Ilustración del mecanismo de recristalización [2].
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Documentar los aspectos generales de la recristalización e identificar los
efectos producidos en las uniones del compuesto de matriz de aluminio mediante
el proceso de soldadura por fricción agitación.
1.2.2 Objetivos específicos
Recopilar la información del estado del arte de la recristalización en
uniones de materiales de matriz metálica de aluminio.
Identificar la recristalización generada en el proceso de soldadura por
fricción agitación con materiales compuestos de matriz metálica de
aluminio.
Identificar los elementos del proceso de recristalización y las variables
para su aplicación en los materiales de estudio.
Caracterizar microestructuralmente mediante la microscopia óptica (MO) y
microscopia electrónica de barrido (MEB) el material compuesto de matriz
metálica de aluminio sometido al proceso FSW.
12
Realizar un ensayo de microdurezas de las muestras soldadas a diferentes
parámetros.
1.3 Justificación
La investigación de la recristalización que se presenta en uniones
soldadas mediante el proceso FSW, es de importante interés para tener
conocimiento de la microestructura del material, así como el reacomodo y
orientación de los nuevos granos que se forman, además que el estudio del
proceso proporciona una herramienta práctica para el análisis de los posibles
problemas que puedan ocurrir a nivel microscópico durante el proceso, alterando
el funcionamiento adecuado de la pieza final.
De esta forma al indagar en el estudio de la recristalización sobre
materiales compuestos de matriz metálica de aluminio, a los cuales se les somete
a un proceso de soldadura por fricción agitación se puede conocer las
propiedades mecánicas y cambios microestructurales que se obtienen,
reduciendo posibles fallas que el material pueda presentar durante su uso en
procesos de manufacturación en el sector industrial.
1.4 Planteamiento del problema
El uso de nuevas técnicas para la implementación de mejoras y avances
tecnológicos a nivel industrial se ha convertido en un tema del día a día, debido
a que la industria busca obtener y colocar en el mercado sus productos,
verificando que sean los mejores en cuanto a rendimiento y calidad.
Esto ha llevado a la implementación de nuevos materiales compuestos,
como son los de matriz metálica, los cuales reemplazan a los materiales
originales con el fin de obtener mejores resultados.
En los últimos años estos materiales compuestos están ampliando su
aplicación en la industria aeroespacial y automotriz, especialmente aquellos con
matriz metálica de aluminio debido a que cuentan con bajo peso y mayor facilidad
de procesado.
13
Sin embargo, el implementar este tipo de compuestos tiene como
resultado la necesidad de conocer y estudiar las propiedades mecánicas
producidas posterior a la recristalización de acuerdo a las variaciones y
parámetros empleadas en el proceso de soldadura por fricción agitación al que
son sometidos los materiales de matriz metálica de aluminio.
1.5 Aportación tecnológica
El proceso de soldadura por fricción agitación enlazado con el análisis de
la recristalización presente, aportan investigación importante para su área de
estudio siendo el principal enfoque la manipulación del proceso a nivel micro
estructural, con el fin de obtener una mejora sustancial en los materiales
soldados, dando como resultado mejores piezas terminadas, menor pérdida a la
hora de producción y mayor calidad.
Además, es aportado un importante avance tecnológico en las industrias
que emplean el proceso de soldadura por fricción agitación como procedimiento
para sus fabricaciones, implementando también el uso de nuevos compuestos de
matriz metálica de aluminio reforzados con distintas partículas, aprovechando de
ellos sus propiedades, comportamientos y condiciones al momento de su
manufactura.
1.6 Alcances y delimitaciones
El alcance que proporcionará este estudio es el de analizar y recopilar la
información científica y tecnológica necesaria sobre el estado del arte y marco
teórico de la recristalización presente en uniones de compuestos de matriz
metálica de aluminio empleando distintos refuerzos, por medio de la metodología
de la soldadura por fricción agitación.
14
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Aleaciones de aluminio
El aluminio es uno de los metales abundantes de la corteza terrestre,
lo que lo hace ser uno de los más utilizados poseyendo únicas y excelentes
propiedades tales como baja densidad, buena conductividad térmica y eléctrica,
resistencia a la corrosión ofreciendo además ventajas técnicas y económicas
haciéndolo un material muy atractivo utilizado en por lo menos 35 países,
principalmente en industrias de construcción, transporte y aplicaciones eléctricas.
El aluminio puro por sí solo posee excelentes propiedades como las que
antes se mencionaron, propiedades que para algunas aplicaciones son muy
útiles pero en otras ocasiones no resuelve el problema en sí, lo que conlleva a
alear el aluminio con algunos otros elementos y formar las mencionadas
aleaciones de aluminio.
Existe una amplia gama de aleaciones de éste metal que se diferencian
en su composición y propiedades aplicables, los principales elementos que se
utilizan como aleantes a este metal son el cobre, zinc, silicio, magnesio y litio, y
en cantidades pequeñas se adicionan elementos como el cromo, zirconio, plomo,
titanio y níquel.
15
Estas mezclas poseen propiedades mejoradas y más específicas, como lo
es alta resistencia a la corrosión en diferentes ambientes, densidad baja, alta
maquinabilidad y durabilidad, además de tener un costo muy atractivo, por lo que
se vuelven indispensables para los procesos de manufactura de las principales
industrias competentes como la aeroespacial y de transporte [3–7]
2.1.1 Tipos de aleaciones de aluminio
Las aleaciones de aluminio están divididas en dos grupos; las de forja y
las obtenidas por fundición.
Las primeras son aquéllas que son moldeadas por medio de golpes y
tienen mejores propiedades que las fundidas, éstas son clasificadas por la
Asociación de Aluminio con un número de cuatro dígitos para identificarlas. El
primer dígito indica el elemento aleado primario, de lo que se desprenden grupos
de aleaciones denominadas series.
En las aleaciones de fundición en cambio los primeros tres dígitos están
separados por medio de un punto decimal, siendo que el primer dígito indica el
elemento primario de aleación, los siguientes dos números sirven para identificar
las aleaciones dentro del mismo grupo y el último dígito da a conocer la forma del
material producto; se utiliza 1 o 2 para barras y 0 para piezas de fundición,
también para indicar la modificación de la aleación original se pone al principio
una letra mayúscula ya sea A, B, C así sucesivamente la cual representa a
aleaciones experimentales.
Entre los tipos de aleaciones más destacados se encuentran las series
1xxx, 2xxx, 5xxx, 6xxx y las 7xxx además aleaciones de fundición de rápida
solidificación como las de aluminio-hierro-silicio vanadio, berilio-aluminio y los
compuestos de matriz metálica [3, 4, 6].
16
2.1.2 Propiedades de las más comunes aleaciones de aluminio
A continuación en la Tabla 2.1 se muestra la clasificación de algunas
series de forja y sus principales propiedades.
Tabla 2.1 Principales aleaciones de aluminio forjadas y propiedades características [3, 4, 8].
Por consiguiente en la siguiente Tabla 2.2 se muestran series de fundición,
algunas características y su composición.
17
Tabla 2.2 Principales aleaciones de aluminio de fundición y características [3, 4].
La mayoría de estas aleaciones pueden ser soldadas satisfactoriamente
por medio del proceso de soldadura por fricción agitación incluyendo además a
los compuestos que son de sumo interés para este trabajo monográfico; los
compuestos de matriz metálica de aluminio.
Cuando se lleva a cabo esta metodología de soldadura las propiedades y
microestructuras producidas en el material varían dependiendo de distintos
factores como lo son los parámetros de soldadura, el comportamiento de la
aleación, composición de la misma entre otras, factores que proveen a las
aleaciones de aluminio una gran variedad de texturas cristalográficas, tamaños y
18
variedades de grano sosteniendo un buen efecto sobre sus propiedades [3–6],
[8, 9].
2.1.3 Aplicaciones
Este tipo de mezclas de aluminio son principalmente utilizadas en
industrias tales como la automotriz, aeroespacial y aeronáutica debido a sus
mejoradas características como lo es la resistencia a la corrosión en diferentes
ambientes, aumentando aspectos como la calidad de los productos terminados
convirtiéndolos en uno de los grupos de aleaciones más utilizados a nivel
industrial en la actualidad [3, 4, 5, 8].
2.2 Materiales compuestos
2.2.1 Definición de material compuesto
Un material compuesto es una combinación sólida de dos o más
materiales que poseen propiedades similares entre ellos, está conformado por
dos partes distintivas; una base o matriz y un refuerzo, que combinando sus
propiedades mecánicas se refuerza de manera óptima al material, en la Figura
2.1 se muestran los diferentes tipos de materiales compuestos [10–13].
Figura 2.1 Tipos de materiales compuestos [13].
19
Los materiales compuestos poseen resistencia, rigidez y ligereza,
propiedades que son adecuadas para las aplicaciones industriales modernas
como la aeroespacial.
Estos materiales son difíciles de soldar por medio de procesos
tradicionales como lo es el de fusión, ya que surgen defectos de soldadura y sus
propiedades son más bajas, para lo que el proceso de soldadura por fricción
agitación es capaz de unir estos materiales sin los problemas anteriores,
aportando gran avance a las industria naval, aeroespacial y automotriz [10–14].
2.2.1.1 Papel de la matriz
Este componente es la fase continua del compuesto, la cual soporta al
refuerzo además de darle forma a la estructura del mismo.
Además define principalmente las propiedades físicas y químicas, también
protege al refuerzo del ambiente en el que se encuentran, ayudándolo a poseer
buena resistencia a la corrosión y a la oxidación [11–13], [15–18].
2.2.1.2 Papel del refuerzo
Es la fase dispersa que se agrega a la matriz funcionando como
complemento que proporciona alguna propiedad que ésta no posea.
Siendo resistentes, de bajo peso y rígidos son considerados buenos
materiales porque aumentan considerablemente las características mecánicas y
se presentan como partículas, whiskers o fibras [11–13], [15, 16, 19].
2.2.2 Clasificación de los materiales compuestos
Los materiales compuestos se pueden clasificar de acuerdo a la matriz
que se contenga:
• Compuestos de matriz polimérica.
• Compuestos de matriz cerámica.
• Compuestos de matriz metálica.
20
Los compuestos que son de gran interés para el estudio de este proyecto
son los materiales compuestos de matriz metálica [12, 13].
2.2.3 Compuestos de matriz metálica
Conocidos como MMC's (Metal Matrix Composites, por sus siglas en
inglés) tienen una gran aplicación en la industria automotriz y aeroespacial, ya
que poseen una buena combinación de propiedades; son resistentes, rígidos y
buenos conductores térmicos así como eléctricos.
Su base o matriz, usualmente consiste de un metal liviano y de baja
densidad tal como lo es el aluminio y el magnesio, reforzado principalmente con
fibras o partículas cerámicas de carburo de silicio (SiC) o grafito.
Los compuestos de matriz metálica pueden ser clasificados en varias
formas, la primera y más común es por el tipo y forma de matriz, como se muestra
a continuación en la Figura 2.2 [7, 10, 12, 13, 14, 18], [20–22].
Figura 2.2 Clasificación de diferentes matrices de materiales compuestos de matriz metálica [7].
2.2.3.1 Manufactura y procesamiento de los compuestos de
matriz metálica
Los métodos de manufactura utilizados para hacer los compuestos de
matriz metálica dependen totalmente de la naturaleza tanto de la matriz como del
21
refuerzo y siendo este un aspecto muy amplio, es considerado tratarse en otro
tipo de trabajo de investigación [12, 18, 23].
2.2.3.2 Tipos de compuestos de matriz metálica
Los tipos de compuestos de matriz metálica usualmente son distinguidos
por las características que presentan sus refuerzos, ya sea partículas, fibras
cortas, fibras continuas, laminillas o whiskers y de ellos se hablará más adelante
[12, 13, 23].
2.2.3.3 Matrices utilizadas en los MMC’s y funciones
Las matrices comúnmente empleadas para compuestos de matriz metálica
son las aleaciones de aluminio de las series 2000, 6000, 7000 y 8000, el titanio y
aleaciones así como el magnesio y sus respectivas aleaciones.
Las principales funciones de la matriz en este tipo de compuestos son las
siguientes:
• Proteger al refuerzo del ambiente exterior.
• Proporcionar una buena unión entre los elementos que constituyen el
refuerzo.
• Transmitir las cargas de los refuerzos.
La matriz no debe tener un módulo de elasticidad muy elevado y a su vez
debe poseer buena resistencia a la corrosión, a la oxidación así como buena
resistencia mecánica [12, 13].
2.2.3.4 Refuerzos utilizados en los MMC’s y funciones
Las principales funciones del refuerzo en los compuestos de matriz
metálica son las siguientes
• Soportan tensiones que son ejercidas sobre el compuesto en conjunto.
• Aumentar las propiedades mecánicas de la matriz.
22
• Disminuir las fallas de estas propiedades al aumentar la temperatura.
• Frenar la propagación de grietas y fisuras en el compuesto.
Los refuerzos que se emplean en estos compuestos se pueden clasificar
en tres categorías; fibras continuas, fibras discontinuas y partículas.
A continuación se describen los principales tipos de refuerzos según su
categoría ya sea refuerzos continuos (como lo son monofilamentos y fibras) o
discontinuos (como fibras cortas, partículas y whiskers). En cuanto a los refuerzos
más utilizados en los compuestos de matriz metálica se pueden encontrar en la
Figura 2.3 [12, 13, 24].
FIBRAS CONTINUAS
Una de las fibras más utilizadas como refuerzo es el BORSIC, refuerzo
que se encuentra constituido por fibras de boro, wolframio y un revestimiento de
carburo de silicio. Además de esta otras fibras comúnmente empleadas son las
fibras de boro, alúmina y carburo de silicio[13, 25].
PARTÍCULAS
Los refuerzos en forma de partículas comúnmente utilizados son la mica,
óxidos como el SiO2, TiO2, ZrO2, MgO, carburos como el TiC o el B4C y nitruros
como Si3N4. Sin embargo los que se emplean seguido son la alúmina Al2O3, el
SiC y el grafito [13, 25].
FIBRAS DISCONTINUAS
Las fibras discontinuas utilizadas normalmente son las mezclas de óxidos,
ya que conducen propiedades inferiores que las fibras continuas. Los whiskers
pueden ser considerados como refuerzos discontinuos y los más comunes son
los SiC y Si3N4 [13, 25].
23
Figura 2.3 Tipos de refuerzos para materiales compuestos de matriz metálica a) refuerzo en fibras, b) whiskers o fibras cortas c) partículas y d) preformas infiltradas [13, 26].
2.2.4 Propiedades y usos de los materiales compuestos de
matriz metálica
Las matrices metálicas en este tipo de materiales usualmente son dúctiles
y resistentes, con la adición de whiskers como refuerzo se aporta al material
mayor resistencia, mejor módulo elástico siendo mejor que las fibras como
reforzamiento del aluminio.
Los materiales compuestos generalmente son rígidos, tienen menor punto
de fusión y son más fuertes en comparación con aquellos no reforzados. Sin
embargo hay ocasiones en que el refuerzo no incrementa propiedades, sino las
afecta.
A continuación en la Tabla 2.3 se muestran las principales propiedades
de una selección específica de materiales compuestos de matriz metálica [13,
14, 18, 20, 25, 27, 28].
24
Tabla 2.3 Propiedades de algunos compuestos de matriz metálicas [13].
2.2.5 Compuestos de matriz de aluminio
Conocidos como AMCs (Aluminium Matrix Composites, por sus siglas en
inglés) estos son los compuestos constituidos por matrices de aluminio o
aleaciones del mismo.
Poseen propiedades muy buenas; son dúctiles, de bajo peso, presentan
facilidad de procesado, resistentes a la corrosión entre otras por lo cual se
pueden aplicar en muchos y variados procesos industriales.
25
A continuación en la Tabla 2.4 se muestran algunas ventajas y
desventajas de los compuestos de matriz de aluminio en comparación con otros
compuestos y aleaciones [3, 7, 10, 11, 20, 21, 23, 25], [29–31].
Tabla 2.4 Principales ventajas y desventajas de los materiales compuestos de matriz de aluminio [7, 25].
2.2.6 Refuerzos utilizados en los compuestos de matriz de
aluminio
Los refuerzos son hechos para aportar a la matriz alguna propiedad que
ésta no posea, dispersándose en ella.
26
Como se ha mencionado anteriormente tener al aluminio y/o a sus
aleaciones como base o matriz de los compuestos metálicos se ha vuelto muy
atractivo para el sector industrial.
Los refuerzos más comunes de utilizar son el carburo de silicio (SiC) y el
óxido de aluminio (Al2O3), donde el primero incrementa la dureza, densidad y la
resistencia a la tensión, mientras que la alúmina tiene buena resistencia al
desgaste y buena fuerza de compresión.
A continuación en la Tabla 2.5 se muestran los principales refuerzos
utilizados en los compuestos de matriz de aluminio y en la Tabla 2.6 se
mencionan las principales propiedades que los refuerzos aportan al ser añadidos
a un AMC [7, 13, 19, 25].
Tabla 2.5 Principales refuerzos utilizados en los compuestos de matriz de aluminio [19, 25]
27
Tabla 2.6 Propiedades de los refuerzos a utilizar en los compuestos de matriz de aluminio [19, 25]
2.2.7 Material compuesto de matriz de aluminio A359/SiC/20p
2.2.7.1 Material compuesto por aleación de aluminio 3xx.x
Las aleaciones de la serie de fundición 3xx.x exhiben una gran
combinación de propiedades como lo es ligereza, buena resistencia, buena
conductividad térmica por mencionar algunas, estos materiales están
principalmente constituidas por los sistemas aleados de Al-Si-Mg o Al-Si-Cu,
siendo su principal elemento aleante el Si el cual favorece la resistencia al
desgaste y a la oxidación mejorando además la fluidez del mismo, lo que lo
vuelve una matriz de buena utilidad para el material compuesto [32, 33, 26].
2.2.7.2 Refuerzo de partículas de Carburo de Silicio (SiC)
El Carburo de Silicio por su representación química SiC es un polvo de
color negro verdoso sin olor, el cual funde a 2300 °C y es insoluble en agua. Este
28
polvo es un compuesto químico de carbono y silicio, inicialmente fabricado a altas
temperaturas por medio de la reacción electroquímica de estos dos elementos.
El SiC es el refuerzo más utilizado en los compuestos por su forma
cristalina hexagonal resistente, lo que produce que sea un refuerzo muy duro y
fuerte. El tamaño aproximado de las partículas de SIC es de 0.5 µm y entre sus
principales características se encuentran [24]:
Baja expansión térmica.
Alta conductividad térmica.
Alta resistencia.
Alta resistencia a la fractura.
Alta dureza.
Baja densidad.
Alto modulo elástico.
2.2.7.3 Metalurgia de la aleación A359 que compone al
A359/SiC/20p
Siendo aleaciones conformadas de Al-Si–Mg como se muestra en la
Figura 2.4, el Al y Si forman una reacción eutéctica invariante a la temperatura
de 577° C y al añadir Mg en contenidos mayores de 0.2% en peso se forma la
fase Mg2Si (β) dando como resultado un sistema pseudobinario Al-Mg2Si como
se puede observar en la Figura 2.6 formando un eutéctico a 595 °C. En conjunto
al añadirle a esta aleación Mg se aumenta la resistencia a la corrosión y al
incorporarle partículas de SiC (partículas sumamente duras) se mejora la
resistencia al desgaste del compuesto.
Ésta aleación no sólo contiene estos elementos, ya que además tiene
pequeñas cantidades de elementos como el níquel, cobre, manganeso y boro,
los cuales pueden ser encontrados como compuestos intermetálicos en la matriz
e influyen de manera importante en la microestructura y en las propiedades
finales, considerándoseles como impurezas.
29
El compósito de esta aleación, A359/SiC/20p se fabrica por la empresa
Duralcan siendo colado por gravedad en un molde, respondiendo a la
designación F3S.20S del fabricante el cual consiste en una mezcla de un 20%
en peso de las partículas de refuerzo en una aleación metálica fundida,
conteniendo como principales elementos aleantes de la matriz Al, Si y Mg, llevado
por un tratamiento T6 el cual consiste de un tratamiento térmico de solución,
templado y endurecimiento por envejecimiento.
En la Tabla 2.7 se puede observar la composición del compuesto
A359/SiC/20p así como algunas propiedades que lo caracterizan.
Figura 2.4 Diagrama de fases Al-Si [26].
30
Figura 2.5 Diagrama de fases Al-Si con micrografías correspondientes representativas de acuerdo a la cantidad de Si.
Figura 2.6 Diagrama de fases pseudobinario Al-Mg2Si [26].
31
Tabla 2.7 Tabla de composición química (% e.p.) y propiedades mecánicas del material
A359/SiC/20p [34].
Según la metalurgia la influencia de las aleaciones de esta serie en las
propiedades mecánicas y microestructura depende primordialmente de su
proceso de solidificación en donde a un contenido de 12.6% de silicio se presenta
una reacción eutéctica, clasificando a las aleaciones de aluminio en tres grupos:
aleaciones hipoeutécticas con contenidos de Si de 5-10%, aleaciones eutécticas
con contenidos de Si de 11-13% y las hipereutécticas con contenidos de 14-20%
como se puede observar en la Figura 2.7.[26], [32–41].
Figura 2.7 Diagrama de fases Al-Si, donde se muestran los tres grupos de aleaciones de aluminio de acuerdo al contenido de silicio. Amarillo: hipoeutécticas, rojo eutécticas y
verde hipereutécticas. Concluyendo que el material A359/20%pSiC cae siendo una aleación hipoeutéctica.
32
2.2.7.4 Microestructura del compuesto de matriz metálica
A359/20p SiC
Siendo el material A359/SiC/20p un compuesto de aleación de fundición
es necesario determinar su microestructura la cual consiste en cuatro fases; una
matriz α en forma dendrítica mayormente de aluminio, las partículas de SiC, la
región eutéctica de aluminio y silicio, en donde se encuentran compuestos
intermetálicos como el Mg2Si y de tipo Al (Fe, Si, Mn) y Al (Fe, Si, Mg, Mn) y la
fase de Mg. El silicio eutéctico se encuentra en las regiones interdendríticas, tanto
en las regiones ocupadas por aglomerados de SiC como en las zonas libres de
dichas partículas.
Cuando las aleaciones de este tipo se solidifican, el aluminio se desarrolla
en dendritas y la fase de silicio se forma y crece en partículas angulares primarias
en la locación del Al interdentrítico, a temperatura ambiente las aleaciones
hipoeutécticas son compuestas de una fase de aluminio primaria dúctil y una fase
quebradiza de silicio. Así como los precipitados de Mg-Si nuclean uniformemente
en los límite de grano los cuales vuelven a estos compuestos los más utilizados
en la industria de fundición debido a su costeabilidad y alta resistencia.
Figura 2.8 Compuesto de matriz de aluminio con partículas de carburo de silicio donde se muestra a la matriz de aluminio Al, las partículas de SiC, el eutéctico Al-Si y las fases de
Mg y Si [42].
33
Figura 2.9 Se muestran los precipitados de compuestos intermetálicos a formarse entre las partículas de SiC en A359/SiC/20p [36].
i
Figura 2.10 Se muestran los precipitados formados en los intermetálicos de Mg2Si y de Al (Fe, Si, Mg, Mn) en aglomerados de SiC de A359/SiC/20p [36].
El compuesto a su vez tiene una ventajosa distribución de las partículas
de SiC en la matriz de aluminio, concentrados en las regiones interdendríticas
donde el porcentaje de refuerzo en la matriz indica que tanto se acelerará o
disminuirá la precipitación y la segregación, además es importante mencionar
34
que al aumentar la fracción de las partículas a valores entre 20-30% se nota un
incremento en la tensión y el límite elástico, por el contrario se ve una reducción
de estas mismas propiedades cuando la fracción de las partículas está entre 30-
40% [26], [32–41].
Figura 2.11 Distribución homogénea de las partículas de SiC [34].
35
2.2.7.5 Material compuesto de matriz de aluminio con refuerzo de
carburo de silicio; generalidades y comportamientos
Los compósitos de matriz de aluminio (AMC’s) reforzados por partículas
de carburo de silicio (SiC) son materiales que con el paso de los años se han
vuelto muy atractivos para aplicaciones estructurales e industriales debido a las
superiores propiedades que presentan en comparación con los materiales que
no están reforzados, siendo destacadas la resistencia a la corrosión, al desgaste,
rigidez, baja densidad, buena expansión térmica entre otras.
Una característica importante del compuesto Al/SiC es que el
comportamiento mecánico de este es dominado por la interface entre la matriz y
el refuerzo [32, 33].
2.2.8 Aplicaciones
Los compuestos de base metálica de aluminio son principalmente
utilizados en la industria aeroespacial, automotriz incluyendo en esta última,
productos como pistones, rotores y ensambles de freno, componentes de motor,
anillos de pistones, cabezales de motor de combustión interna (Figura 2.12),
partes de instrumentos musicales, componentes de suspensiones entre otros
productos[7, 11, 12, 13, 25].
Figura 2.12 Principales aplicaciones de los compuestos de matriz metálica de aluminio con refuerzo de carburo de silicio con un 20% en partículas.
36
2.3 Soldadura por fricción agitación (Friction Stir Welding, FSW)
2.3.1 Historia
La soldadura por fricción agitación (FSW), es un proceso inventado por
Wayne Thomas del Instituto Tecnológico de Soldadura de Inglaterra, el cual fue
por primera vez patentado en diciembre de 1991 (No. Patente 9125987.8),
proceso el cual fue principalmente desarrollado para aleaciones de aluminio [4,
6, 43, 44].
2.3.2 Generalidades
Este proceso es la más reciente técnica de soldadura en estado sólido, lo
que significa que los materiales se unen sin alcanzar su punto de fusión.
Permite la unión de dos piezas de metal (inicialmente apto para aluminio y
sus aleaciones, luego ampliado para materiales como los aceros, compuestos y
aleaciones) a una velocidad alta y sin material de aporte; mediante la generación
de calor provocado por fricción y por la presión de oposición (como se ilustra en
la Figura 2.13) para producir uniones de alta resistencia y prácticamente libres
de defectos [5, 6, 43, 44].
2.3.3 Funcionamiento
El funcionamiento de este proceso es muy sencillo, consiste en una
herramienta conformada por una pieza denominada 'hombro o brazo', el cual
sostiene un 'pin'; que se inserta entre las dos placas de material a unir sujetadas
en conjunto rígidamente, donde la herramienta giratoria con la geometría del pin
correcta se mueve a lo largo de la superficie de las mismas. De aquí es donde
por medio de la presión y la fricción ejercida por contacto del pin y las placas a
soldar se produce el calentamiento, mientras que toda la herramienta va rotando
continuamente a lo largo del material; esquematizado se puede observar en la
Figura 2.14 y en la Figura 2.15 se observa un ejemplo de cómo sería el proceso
FSW.
Gracias al calentamiento producido por la fricción a una temperatura por
debajo de la de fusión, los metales se convierten de un estado sólido a un estado
37
'similar al plástico' produciendo deformación plástica severa sin necesidad de
llegar al punto de fusión, para que después ese flujo se enfríe y se forme la unión
soldada [5, 6, 44, 43].
Figura 2.13 Esquematización del proceso de soldadura por fricción agitación [45].
Figura 2.14 Funcionamiento de la herramienta del proceso FSW [45].
38
Figura 2.15 Vista real del proceso FSW [9].
2.3.4 Selección de la herramienta
Para seleccionar la herramienta adecuada para el proceso de FSW
depende directamente de la temperatura del proceso y las propiedades de los
materiales a unir, además de que necesita cumplir los siguientes requisitos para
tener una soldadura con excelente calidad y propiedades.
Calentar la pieza de trabajo.
Remover el material para producir la unión.
Mantener todo el material debajo del hombro.
En la Figura 2.16 se puede observar de las principales y más importantes
partes de una herramienta u hombro perteneciente a este proceso de soldadura.
El hombro de la herramienta es la región que se encuentra en contacto
con la superficie de trabajo, este puede ser de manera cóncava o convexa, los
hombros cóncavos son quienes retienen el material fundido en forma de taza,
mientras que el hombro convexo casi no puede retenerlo. Este puede avanzar de
dos distintas maneras de la forma en donde el movimiento y la dirección
rotacional es la misma, llamado lado de retirada y el lado de avance que es el
donde el movimiento y a la dirección rotacional son opuestas.
39
El material del que se fabrique la herramienta debe tener las siguientes
características:
Resistencia a temperatura ambiente como del proceso.
Vida de fatiga a la temperatura del proceso.
Tenacidad a la fractura.
Buenas características de desgaste.
Larga estabilidad térmica.
Estabilidad química.
Pese a lo anterior la herramienta que usualmente se utiliza para los
compuestos de matriz metálica de aluminio tiene que ser de material muy duro
por lo que es fabricada con carburo de tungsteno, la cual alcanza en esta
soldadura temperaturas de hasta 650-850°C y tiene usualmente geometrías
especiales para producir uniones entre las diferentes propiedades del refuerzo y
matriz, estas son de forma cilíndrica o cónica con espiral alrededor, como se
puede observar en la Figura 2.17 y Figura 2.18.
Figura 2.16 Imagen de una herramienta con sus principales características [46].
40
Figura 2.17 Herramienta de WC que se puede utilizar para soldar en este proyecto con geometría cónica con dimensiones de diámetro de hombro de 23mm, 6 mm de diámetro
de pin y 95 mm de largo.
Figura 2.18 Dimensiones del herramental a utilizar en el presente proyecto, fabricada de
WC.
En cuanto a soldar con este proceso de soldadura existe sólo un
inconveniente referido al desgaste severo de la herramienta debido a la presencia
de partículas cerámicas muy duras en el refuerzo del material compuesto, a
continuación se muestra en la Tabla 2.8 una propuesta de herramentales
41
sugeridos por Prado et al y Shindo et al donde encuentran que el desgaste de la
herramienta uniendo piezas de compuestos de Al6061/Al2O3 y 359/SiC/20%p no
es excesivo y se producen excelentes resultados en las soldaduras, por lo que
se sugiere la herramienta sea de un material muy duro mucho más que el de las
partículas reforzadoras y pines con la geometría correcta dependiendo del
material a unir y las propiedades del mismo [46–48].
Tabla 2.8 Propuesta de herramientas para soldadura FSW para diferentes materiales compuestos a diferentes parámetros de soldadura [48].
42
2.3.5 Parámetros del proceso FSW
El proceso de soldadura por fricción agitación posee algunos parámetros
primordiales y significativos delimitando un correcto funcionamiento del equipo.
Estos dependen del material a emplear y el espesor de este, esquematizados se
pueden observar en la Figura 2.19.
• Velocidad de rotación de la herramienta (VR).
• Geometría del pin.
• Velocidad de desplazamiento o de soldadura.
• La presión o carga axial.
• El ángulo de inclinación del 'hombro o brazo'.
Figura 2.19 Parámetros significativos del proceso FSW [43].
Una vez que estos sean controlados, el aumento de la resistencia en la unión
proporcionará un mayor margen de fiabilidad y seguridad en las piezas soldadas
[43, 49, 50].
En el estudio de investigación realizado por Dolatkhah A., et al (2011)
analizaron la innovación y aplicación del proceso FSP remplazando al FSW para
la fabricación del compuesto de matriz metálica Al5052/SiC con el objetivo de
mejorar la microestructura y las propiedades mecánicas del compuesto; así como
su resistencia al desgaste y microdureza, por medio del efecto causado por el
43
buen control de la velocidad rotacional y transversal de la herramienta, en la
distribución de las partículas reforzadoras.
Por lo que los autores utilizaron una herramienta no consumible de acero
H13 tratada térmicamente y endurecida a 52 HRC, con medidas de 18 mm de
diámetro de hombro, altura del pin de 3 mm y diámetro del mismo de 6 mm con
geometría cuadrada la cual insertaron entre láminas de aluminio rolado 5052
reforzado con SiC de medidas de 125 x 100 x 5 mm con composición química
como se muestra en la Tabla 2.9.
Tabla 2.9 Composición química (% e. p.) de la aleación de aluminio 5052 [51].
Con un ángulo de 3° de inclinación hicieron variaciones en los parámetros de
velocidad rotacional y transversal de la herramienta de 700,1120 y 1400 rpm y
40, 80, 125 mm/min respectivamente, empleando cuatro pases con y sin cambio
de velocidad de rotación. Además emplearon un indentador Vickers con 100 g de
carga por 15 s. Un perno en la máquina de prueba de disco fue empleado para
medir la resistencia al desgaste y fricción de las muestras, cortando en la zona
procesada por FPS.
Para observaciones microestructurales las superficies de las muestras
fueron cortadas (5 x 5 x 5 mm), pulidas, preparadas y atacadas con solución
Poulton por 1min para ser pasadas por técnicas metalográficas como
microscopia óptica, microscopia electrónica de barrido y la técnica de
intercepción linear.
Obteniendo como primeros resultados que en cuanto a la distribución de
las partículas de SiC según la Figura 2.20, se muestra que las micrografías
tomadas en la zona de agitación a diferentes parámetros preparadas con 5 µm
de partículas, un solo pase en el procesamiento y velocidad de rotación conforme
44
a las manecillas del reloj demuestran que en los incisos b, d, f, y h se da una
distribución heterogénea lo cual es no exitoso, comparándose con el inciso e el
cual fue hecho a 1120 rpm y 80 mm/min. Además en la micrografía c de la Figura
2.21 hecha a cuatro pases se concluye que son parámetros óptimos para una
buena homogenización demostrada en la Figura 2.22 donde se observa una
microestructura buena y homogénea. Siendo que el drástico cambio en la
temperatura hace que ocurra deformación plástica severa donde los granos se
rompen y se convierten en buenos puntos nucleantes, dando lugar a una serie
de mecanismos que refinan el grano; recuperación y recristalización dinámica
como se observa en la Figura 2.23 en donde con la adición de partículas de SiC,
el aumento en el número de pases y el cambio de dirección de rotación de la
herramienta hace que decrezca el tamaño de grano como se ve en el inciso a, b,
c y d.
En cuanto a la dureza y la resistencia al desgaste aumentan cuando
disminuye el tamaño de grano refinado, cuando se añaden partículas
reforzadoras, cuando hay un movimiento de la herramienta entre pases y cuando
existe un aumento en la temperatura durante el procesado FPS, por lo que los
autores concluyen que con todo lo anterior cuando se varían los parámetros de
soldadura o en este caso del FPS se mejoran tanto al dureza, resistencia al
desgaste, microestructura y propiedades mecánicas de los materiales en
cuestión [51].
45
Figura 2.20 Distribución de las partículas de SiC en especímenes procesados por FPS a) 710 rpm y 40 mm/min, b) 710 rpm y 80 mm/min, c) 710 pm y 125 mm/min, d) 1120 rpm y 40 mm/min, e) 1120 rpm y 80 mm/min, f) 1120 rpm y 125 mm/min, g) 1400 rpm y 40 mm/min,
h) 1400 y 80 mm/min y i) 1400 rpm y 125 mm/min [51].
Figura 2.21 Distribución de las partículas de SiC en especímenes procesados por FPS con a) cuatro pases con cambio de dirección de rotación del herramental, b) sin
cambio de rotación, c) y d) representación a nivel microestructural de a) y b) respectivamente [51].
46
Figura 2.22 a) Macrografía de la región procesada, b) zona de agitación (1), c) bajo el límite de grano de la zona de agitación (2), d) figura de aros de cebolla (3) y e) lado del
límite de grano agitado (4) [51].
47
Figura 2.23 a) Microestructura del metal base, microestructura de especímenes producidos con b) un pase sin partículas, c) un pase con partículas de 5 µm de SiC, d)
cuatro pases con partículas de 5 µm de SiC sin cambio de dirección rotacional, e) cuatro pases con partículas de 5 µm SiC con cambio de dirección rotacional y f) cuatro pases
con partículas de tamaño de 50 µm de SiC con cambio de dirección rotacional de la herramienta [51].
2.3.6 Ventajas y desventajas
Las principales ventajas del proceso de soldadura por fricción agitación en
estado sólido son:
• Mejores propiedades mecánicas.
• Menor esfuerzo residual.
48
• Menor deformación.
• Reducida probabilidad de que aparezcan defectos de nueva cuenta.
• Se realiza en una sola pasada con penetración profunda.
• Mínima distorsión durante la soldadura.
• Se utilizan mayores velocidades de avance que en otras metodologías de
soldadura.
Además de que permiten que los materiales sean soldados a nivel
molecular, esta técnica es versátil y amigable con el ambiente; es decir, ahorra
energía y combustible, pudiendo soldar cualquier tipo de materiales, debido a que
posee excelentes propiedades en el área de unión y prevé pocas fisuras,
discontinuidades y porosidad en las piezas finales.
Entre las desventajas encontramos principalmente que es una técnica
altamente costosa, debido a que el 'pin' se desgasta muy fácilmente y siendo la
pieza de más alta inversión económica, se tiene que reponer constantemente.
Cuando la herramienta se retira de la fase unida, siempre queda un orificio,
lo que hará que no quede totalmente uniforme, además de que es un proceso
lento debido a la alineación, y acomodo del área de trabajo [50, 45].
2.3.7 Calidad de soldadura
La soldadura por fricción agitación definido como un proceso de unión en
estado sólido, al llevarse a cabo la solidificación del material se observa que los
defectos con los que éste contaba; tales como fisuras, porosidades e inclusiones
son eliminados, sin embargo la calidad de la unión soldada final depende
principalmente de las variables tomadas, así como de los parámetros asignados,
ya que pueden surgir en ella un sin fin de discontinuidades de proceso que
conllevan a una mala pieza terminada [5], [50].
2.3.7.1 Discontinuidades de procesamiento
Las discontinuidades de procesamiento incluyen principalmente:
49
• Penetración incompleta en el fondo de la soldadura a causa de que el pin
de la herramienta no es suficientemente largo, causando que la zona de
recristalización o nugget no se extienda profunda y uniformemente, dejando una
región en la raíz de la soldadura sin unirse.
• La incompatibilidad de uniones ocurre si el arreglo de las partes a unirse
no está hecha propiamente y alineada correctamente o si las condiciones del
proceso no son las adecuadas.
• Exceso de rebaba de soldadura en el cordón de soldadura, esta
discontinuidad ocurre si se utiliza para el procesado un hombro de herramienta
inadecuado, además del control de la posición y así como de la fuerza de
aplicación.
• Otra discontinuidad es la de llenado hasta por debajo del filo, este ocurre
simultáneamente con el exceso de rebaba de soldadura, dejando la zona agitada
mucho más delgada que el metal base.
A continuación en la Figura 2.24 se pueden observar de manera
ilustrativamente las discontinuidades antes mencionadas
50
Figura 2.24 Discontinuidades del procesamiento de soldadura por FSW [5].
2.3.7.2 Discontinuidades metalúrgicas
La mayoría de estas discontinuidades involucran unión incompleta de las
superficies unidas de los materiales, entre las principales se encuentran.
• Unión incompleta, esta puede ser identificada ya que da inicio a grietas por
fatiga y corrosión
51
• La discontinuidad restante de la línea unida es llamada discontinuidad de
forma s, por la morfología que presenta.
• Los espacios vacíos o cavidades internas (que algunas veces son
llamados agujeros de lombriz) son discontinuidades causadas por una unión
incompleta por malos parámetros de la soldadura o de un incorrecto uso del
herramental.
• La discontinuidad 'hooking' ocurre en el fondo de la soldadura, cuando la
interfaz a unir adyacente a la zona de agitación, se mueve lo que provoca que el
espesor de la soldadura sea no efectivo [50, 5].
A continuación en la Figura 2.25 se ilustran las discontinuidades
metalúrgicas antes mencionadas.
52
Figura 2.25 Discontinuidades metalúrgicas presentes en el proceso FSW [5].
2.3.8 Desarrollo microestructural de los materiales soldados por
medio de la FSW
Mientras que el proceso FSW se lleva a cabo, a nivel molecular pueden
ser observados cambios microestructurales producidos debido a las variaciones
y efectos termodinámicos presentes en el proceso dando cabida al desarrollo de
una gran variedad de procesos incluyendo disolución, recubrimiento,
precipitación así como recristalización, recuperación y crecimiento de grano.
53
Como se puede observar en la Figura 2.26 se muestran cuatro regiones,
denominadas 'regiones microestructurales' según la clasificación de Threadgill,
siendo éstas las que se presentan cuando ocurren los cambios de temperatura
en los materiales compuestos teniendo características muy especiales y
diferentes a las de otro tipo de soldadura.
Las regiones que se presentan son:
• Material no modificado o Zona A
La zona A o de material no modificado, es una zona que no se ve afectada ni
deformada por el calor, aunque se somete a experimentación termodinámica aun
así el calor no afecta a la microestructura ni a las propiedades mecánicas del
material.
• Zona afectada por el calor
La zona afectada por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés), es una zona en
donde sí se ha modificado la microestructura y sus propiedades mecánicas
debido a los cambios termodinámicos a los que fue sometido, pero no se llega a
producir la deformación plástica.
• Zona termomecánicamente afectada
La zona termomecánicamente (TMAZ, por sus siglas en inglés) es la zona en
donde el material experimenta tanto tensiones como temperaturas inferiores a las
que se deforma plásticamente.
• Botón o nugget de soldadura
La zona nugget o botón de soldadura (DXZ, por sus siglas en inglés) es la zona
denominada como el corazón de la soldadura, donde debido al calor friccional
ocurre la deformación plástica dando como resultado la recristalización del
material y la formación de la nueva textura, también es denominada la zona de
agitación.
54
Figura 2.26 (Arriba) Micrografía de zonas microestructurales presentes en un metal al aplicársele cambio termodinámico mediante el proceso FSW (Abajo) Diagrama
representativo de las zonas [6].
Durante la soldadura por fricción agitación en la zona de botón o nugget,
(se puede observar en la Figura 2.27 una macrografía de la región soldada por
este proceso) los granos son refinados por el proceso restaurador dinámico de
recuperación y la recristalización dinámica, como resultado de la deformación
producida por la herramienta o brazo de soldadura. Siendo su principal ventaja
que se recristaliza por completo, obteniendo una microestructura equiaxial de
grano fino (Figura 2.28), lo cual indica que la unión soldada presentará
excelentes propiedades mecánicas [6, 5, 43].
Figura 2.27 Macrografía donde se aprecian las regiones microestructurales de una pieza soldada mediante el proceso FSW [6].
55
Figura 2.28 Desarrollo microestructural presenta en la soldadura FSW.
En el estudio realizado por Amirizad M., y colaboradores en 2006 evalúan
tanto la microestructura resultante como las principales propiedades mecánicas
del compuesto de matriz de aluminio A356+15%/SiCp al ser soldados por medio
del proceso FSW. Donde al comenzar el procesamiento y debido a la agitación
producida por el mismo, las partículas del reforzamiento se fragmentan haciendo
que suceda una distribución homogénea mejorando las propiedades en la zona
de agitación comparándolas con las del metal base.
Utilizaron placas del compuesto A356+15%/SiCp de 6 mm, donde el
tamaño de las partículas fue de 40 µm, con la aplicación de la herramienta de
acero D2 con 58 HRC de dureza con dimensiones de diámetro del hombro,
diámetro del pin y altura del pin de 10, 6 y 5.5. mm respectivamente. Como
parámetros los autores utilizaron velocidad rotacional y transversal de 3 cm/min
y 1200 rpm, soldando 6 cm de las piezas para evitar un desgaste profundo de la
herramienta.
Encontrando como resultados que de acuerdo a la metalografía macro
atacada de la Figura 2.29 se muestran la zona de transición la cual cuenta de
las zonas ZAC y la zona TMAZ concluyéndose que debido a la falta de
sensibilidad de las variaciones térmicas de la zona ZAC se limita solo a la zona
56
HAZ, observando además que existe una distribución de partículas no
homogénea y la formación de aglomerados en el metal base, lo que sucede
completamente por el contrario en la zona de agitación, esto producido por la
agitación la cual causa alta deformación plástica.
Figura 2.29 Distribución de las partículas de SiC en: a) metal base, b) zona de transición y c) zona de agitación [38].
Además lo autores muestran en la Figura 2.30 micrografías del material
macroatacado, en el inciso a), una estructura globular de fase α-aluminio primaria
a través de la fase eutéctica interdendrítica, partículas de SiC distribuidas en la
zona interdendriticas en el inciso b), en la zona de transición observaron
partículas de SiC adyacentes a los glóbulos de α-aluminio, y en la zona de
agitación, c) una distribución homogénea de las partículas reforzadoras las
cuales disminuyeron en tamaño; de 20 µm en el metal base, 10 µm en la zona de
transición hasta 6 µm en la zona de agitación lo que mejora las propiedades
mecánicas de la unión así como la dureza de la misma, concluyendo así que el
proceso FSW augura muy buenos resultados para soldar este tipo de materiales
[38].
57
Figura 2.30 Micrografías ópticas de las diferentes zonas a) Metal base, b) zona de transición y c) zona de agitación [38].
2.3.9 Proceso de soldadura por fricción agitación con materiales
compuestos de matriz de aluminio
Muchas aleaciones de aluminio son unidas por medio de este método de
soldadura incluyendo las series 1xxx, 2xxx, 5xxx, 7xxx, 3xx.x, 2xx.x aleaciones
de rápida solidificación, aleaciones de Al-Fe-Si-V, aleaciones de Al-Be y
materiales compuestos de matriz de aluminio, lo que es de sumo interés para
este trabajo.
Debido a que los compuestos de matriz de aluminio no pueden ser
satisfactoriamente soldados por procesos de fusión ya que ocurren muchos
problemas como la pérdida de propiedades en la zona afectada por el calor,
fisuras entre otros, la soldadura por ficción agitación tiene la capacidad de unir
todas las aleaciones antes mencionadas, incluyendo los AMC's
satisfactoriamente, evitando esos problemas indeseables.
El proceso de soldadura por fricción agitación se lleva a cabo a
temperaturas menores a la de fusión del aluminio, esto para asegurarse que la
deformación plástica, seguida del enfriamiento y completa fusión del metal se
lleve a cabo correctamente sin obtener defectos.
Cuando el material compuesto de aluminio con algún refuerzo es sometido
a soldadura por fricción agitación y por lo tanto a un aumento de temperatura, las
modificaciones microestructurales producidas dependen de factores como son la
58
composición del material, parámetros de soldadura y la geometría de la
herramienta.
Además la composición del material es importante ya que es la que
determina el crecimiento de los granos conforme se ve afectada por la
temperatura, provocando un rearreglo de las partículas pero sólo en la zona más
acercada al 'pin' [9, 49, 22, 23, 52].
2.3.10 Aplicaciones
Las principales aplicaciones de la soldadura por fricción agitación, es en
las industrias de tipo aeronáutica, aeroespacial, estructuras de ingeniería civil
naval, ferroviaria, marina y automotriz centrándose en esta última, para la
fabricación de distintas autopartes, como volantes, estructura de los asientos,
tanques de gasolina, suspensiones, rines etc. [5, 52].
2.3.11 Últimos avances de la soldadura por fricción agitación
de aleaciones de aluminio
El desarrollo de la tecnología de manufacturera está en constante
desarrollo con el deseo de buscar una vida estándar mejor, para lo que el método
de soldadura por fricción agitación ha desarrollado día con día su capacidad de
unir no nada más aleaciones de aluminio difícil de soldar si no otros materiales
para la industria de manufactura de diferentes productos.
En los últimos años con el fin de mejorar la unión de las juntas se han
desarrollado variantes específicas de la soldadura por fricción agitación.
Tal es el caso en donde el Instituto Tecnológico de Soldadura desarrolló
la variante de esta metodología de doble rotación en donde el pin y el hombro
rotan separadamente proveyendo diferente dirección de soldadura y diferente
velocidad de la misma entre la rotación del pin y la rotación alrededor del hombro.
Otra variante desarrollada en los últimos años es el denominado Twin-
StirTM en español la agitación gemela, que trata más que nada de un par de
herramientas aplicadas en lados opuestos como se ve en la Figura 2.31.
59
Esta variante ofrece grandes ventajas sobre el método tradicional de
soldadura FSW, tales como la reducción de la fuerza de torsión, mejor simetría
en la soldadura así como un calentamiento uniforme a través del espesor del
material.
Similarmente otro avance de esta metodología es la aplicación de la
soldadura por fricción agitación híbrida asistida con soldadura por fricción
agitación láser, la cual es capaz de unir capas de acero con altas temperaturas
de fusión, método el cual se encuentra aún en desarrollo y que se prevé que
pueda ser utilizado en un futuro cercano en aplicaciones industriales [50].
Figura 2.31 Representación de la variante de la FSW' ‘Twin Stir' [50].
2.4 Proceso de recristalización
Cuando un metal es deformado plásticamente (en la Figura 2.32 se
pueden observar varios tipos de deformación) es porque ha sido sometido a un
cambio de temperatura sin alcanzar su punto de fusión, teniendo en cuenta que
este fenómeno se puede clasificar como deformado en frío cuando la
recristalización ocurre después de la deformación y deformado en caliente
cuando la recristalización ocurre simultáneamente con o después de la
deformación. Cuando este fenómeno ocurre las propiedades físicas y mecánicas
60
del material sufren cambios significativos, por lo que es necesario regresar a la
condición inicial del metal para permitir mantener o recuperar sus propiedades
originales.
La deformación plástica provocada por deformación en frío es
acompañada por el movimiento de dislocaciones que migran a sitios de alta
concentración de tensión, siendo ésta dependiente de factores como la estructura
cristalina, cantidad de deformación, composición, modo de deformación,
temperatura, velocidad, entre otras.
Parte de la energía expedida en el momento de la deformación se
almacena en porciones pequeñas en el metal como energía de deformación,
provocando en los cristales defectos puntuales como dislocaciones, vacancias,
intersticios y otras imperfecciones; mientras el resto se disipa en forma de calor,
dejando a la muestra deformada en un alto grado termodinámicamente enérgico
inestable.
Para llegar de nueva cuenta a un estado estable el metal trata de liberar
esa energía, pero ese equilibrio no se da espontáneamente, sino que sucede
cuando el material es llevado a altas temperaturas por lo que el material tiende a
pasar por una secuencia de procesos con cambios microestructurales, donde con
esto las propiedades del mismo cambiarán, recuperando sus propiedades
originales. A la combinación de mecanismos por el cual se quiere eliminar la
condición producida por la deformación se les denomina; recuperación,
recristalización y crecimiento de grano, se pueden observar en la Figura 2.33 [2,
45, 46] [53–58].
61
Figura 2.32 Diferentes métodos del trabajo en frío.
Figura 2.33 Representación de las etapas del mecanismo de recristalización, donde el efecto de la temperatura del recocido afecta la microestructura del material; a) metal
trabajado en frío, b) poco después de la recuperación, c) poco después de la recristalización y d) crecimiento de grano [2].
Dichos mecanismos han sido identificado como un proceso en metales
sólidos desde tiempos remotos donde se suponía que el trabajado en frio de un
metal destruía su cristalinidad la cual se restauraba subsecuentemente con un
calentamiento, estos procesos dependen de la temperatura y el tiempo al que el
material se somete a calentamiento, ya que al variar estos factores se puede
presentar otro proceso directamente denominado crecimiento de grano, el cual
aparece cuando existe un continuo recocido después de completarse la
recristalización.
62
Cabe mencionar que la recuperación, recristalización y crecimiento de
grano pueden ocurrir en dos formas, heterogéneamente a lo largo del material en
donde sus etapas pueden ser nombradas como procesos discontinuos y
alternativamente ocurren uniformemente en donde la microestructura que se
desarrolla gradualmente con una nucleación y crecimiento de grano no
reconocible, denominados procesos continuos.
Por otra parte de acuerdo a lo antes revisado en el aparatado de desarrollo
microestructural de los materiales aplicados en la soldadura por fricción agitación,
la región llamada 'nugget de soldadura' o zona de agitación es la zona donde se
presenta primordialmente la recristalización, debido a que es el corazón de la
soldadura en donde se producen grandes cambios termodinámicos [2], [45], [46],
[53]–[61].
2.4.1.1 Estado de deformación
La deformación plástica se debe principalmente al movimiento o migración
de dislocaciones a través de la red cristalina, en las primeras etapas de la
deformación las dislocaciones son largas, alineadas y escasas; conforme
aumenta la deformación dislocaciones de otros sistemas de deslizamientos se
generan causando interacciones entre las mismas, donde los conjuntos de
dislocaciones tienden a alinearse a los límites de grano, conforme la deformación
aumenta una fuerte orientación preferencial o textura cristalográfica es
desarrollada mostrando granos iniciales acomodados al azar [61].
2.4.1.2 Recuperación
El primer proceso que describe la distribución de los cambios, propiedades
y defectos que tuvieron lugar durante el trabajado en frío es nombrado
recuperación (Figura 2.34) y es debido al movimiento de las dislocaciones
resultantes de la deformación plástica en subgranos o límites de granos al
aumentar la temperatura, observando un alivio de esfuerzos produciendo
cambios microestructurales y mejora en las propiedades del metal.
63
Lo que busca este mecanismo es que las propiedades que sufren cambios
recuperen sus valores originales, aniquilando el exceso de dislocaciones siendo
la fuerza impulsora la reducción de la energía de deformación.
Este mecanismo conlleva así a una secuencia de cambios a temperaturas
bajas respecto con la temperatura de fusión del material siendo estos los
siguientes:
Aniquilación de defectos puntuales.
Aniquilación y re arreglo de las dislocaciones.
Poligonización (formación de subgranos y su crecimiento).
Formación de núcleos recristalizados energéticamente capaces de crecer.
El primero trata en la difusión de los defectos puntuales adicionando calor,
disminuyendo una gran cantidad de dislocaciones, vacancias etc., hasta llegar a
un equilibrio según la temperatura correspondiente.
La poligonización es la reorganización de un cristal, en donde el mismo se
descompone en un gran número de pequeños segmentos cristalinos, logrando
así que las dislocaciones se acomoden en ellos con menor energía, propiciando
la formación de subgranos y minimizando el número de defectos puntuales para
conseguir un valor equilibrado.
Y el cuarto es la formación de puntos de nucleación energéticamente
capaces de dar inicio a la recristalización y posteriormente a su crecimiento
granular.
Estos cambios estructurales no envuelven migración de gran ángulo de
límites de grano, por lo que durante esta etapa la textura del metal deformado no
cambia [2, 46, 55, 57, 58, 61].
64
Figura 2.34 Representación de la recuperación de granos de un material después del conformado en frío [2].
2.4.1.2.1 Recuperación estática
Durante este tipo de recuperación, las dislocaciones de la zona
microestructural deformada se reorganizan formando un nuevo grupo de granos
libres de deformación, dándose principalmente en la deformación en frío, cabe
mencionar que durante este mecanismo la deformación y recuperación operan
de manera separada [2, 46, 58].
2.4.1.2.2 Recuperación dinámica
Durante esta recuperación los granos originales quedan muy deformados
sin embargo los límites de grano se mantienen en cierta proporción equiaxiacos,
esto implica que la subestructura es ‘dinámica’ y se readapta continuamente
conforme aumenta la deformación, hay aniquilación de dislocaciones alcanzando
un estado estable pero sin formarse nuevos granos, sino subgranos, los que
luego actuarán como puntos nucleantes de recristalización.
Ocurre principalmente durante el proceso de deformación plástica siendo
similar a la recristalización dinámica se lleva a cabo bajo la deformación en
caliente y a bajas velocidades [2, 46, 58, 59, 62].
65
2.4.1.3 Recristalización
Seguida de la recuperación, la recristalización o también llamada
recristalización primaria se diferencia de la recuperación sin embargo son
procesos muy relacionados entre sí. La recuperación siempre ocurre rápido y
procede disminuyendo la velocidad hasta que la fuerza motriz de la reacción se
acaba y para que inicie la recristalización se necesita una cierta cantidad de
trabajado en frío o deformación y una determinada temperatura. Entre más
pequeña sea la cantidad de deformación, va a ser más alta la temperatura para
iniciar la recristalización además de que depende del tiempo, cuando incrementa
el tiempo se disminuye la temperatura de recristalización, sin embargo el tamaño
de grano depende más de la cantidad de deformación o el trabajado en frío que
de la temperatura y el tiempo de recocido.
En términos más específicos la recristalización es el proceso que le sigue
a la recuperación y que ocurre cuando un metal que ha sido previamente
deformado y recuperado se calienta por encima de una temperatura mínima para
cada metal, nucleando un nuevo conjunto de granos o cristales equiaxiales en
lugares con alta energía de deformación como intersecciones, deformaciones y
áreas cerca de los límites de grano, los cuales resultan libres de deformación
teniendo baja densidad de dislocaciones e idéntica composición que los antiguos
granos no deformados, resultando una estructura refinada, homogénea y
equiaxial, los cuales posteriormente crecerán rápidamente debido a la alta
movilidad de los límites de granos, además de que un gran cambio en la textura
se ve sometido.
En el transcurso del proceso las propiedades mecánicas que fueron
modificadas en el trabajo en frío son restauradas a sus valores previos a la
deformación, lo que hace al metal más blando, menos resistente pero más dúctil
(en la Figura 2.35 se puede observar el desarrollo de las tres etapas de la
recristalización así como su comportamiento en algunas propiedades
mecánicas).
66
La fuerza motriz para producir esta nueva estructura de granos es la
diferencia en energía interna entre el material deformado y el no deformado, es
decir de la energía almacenada del trabajado en frío, la cual es dependiente de
la temperatura de recristalización y de la cantidad de deformación, a su vez el
tamaño de grano al final de este mecanismo depende de la cantidad de
deformación en el material antes del recocido.
La recristalización a su vez puede dividirse en la forma en que se
recristalizarán los nuevos granos; continua y discontinua, donde la primera es
aquella en donde la energía almacenada es removida homogéneamente a través
del material por procesos de recuperación que promueve la formación de límites
de deformación y la posterior transformación de ellos en límites de grano con
altos ángulos durante altas temperaturas y grandes deformaciones, nucleando
usualmente en granos que ya existían, siendo su rasgo la uniformidad en tiempo
y espacio. Por otro lado la discontinua es donde la energía almacenada se
remueve no homogéneamente porque la migración de los límites de grano se da
en materiales donde la recuperación es lenta y los granos se originan en los
límites abultándose ahí, disminuyendo la fuerza de su crecimiento haciendo que
la recristalización pare [2, 53, 60, 61, 63], [55]–[58] .
Figura 2.35 Esquematización del mecanismo de recristalización posterior a la recuperación además se observa el cambio de algunas propiedades conforme va
avanzando hasta llegar a su culminación [2].
67
2.4.1.3.1 Temperatura de recristalización
Esta temperatura es a la cual un material con una cantidad de deformación
en frío va a completar de recristalizarse en un cierto periodo de tiempo,
usualmente una hora [2, 57, 58].
2.4.1.3.2 Recristalización estática
Durante la recristalización estática (Figura 2.36 y Figura 2.37) las
dislocaciones en la zona microestructural se reorganizan formando un nuevo
grupo de granos libres de deformación separados entre sí por límites de grano
de gran ángulo, tomando lugar cuando los metales se calientan por encima de la
mitad de su punto de fusión, es decir 0.5 Tm (temperatura de recristalización),
iniciando cuando se completa la deformación ya sea fría o en caliente [2, 46, 57,
58, 64].
Figura 2.36 Representación esquemática de la recristalización estática continúa [57].
Figura 2.37 Representación esquemática de la recristalización estática discontinua [57].
68
2.4.1.3.3 Recristalización dinámica
Esta variante de la recristalización toma lugar cuando a los materiales que
se les provoca un esfuerzo a altas temperaturas alcanzan la condición de la
microestructura crítica, donde la densidad de dislocaciones es remplazada por la
nucleación de nuevos granos siempre y cuando la temperatura sea superior a 0.5
Tm. Bajo estas condiciones se observa la formación de los nuevos granos de
manera gradual mientras la deformación aún está en proceso, nucleando en los
límites de grano usualmente a bajas velocidades de deformación, produciendo
un tamaño homogéneo de granos alcanzando un equilibrio.
Cuando se alcanza la deformación crítica aparecen los primeros granos
dinámicamente recristalizados en los límites de granos originales resultando
entonces en la tan conocida estructura de collar (Figura 2.38) con la continua
deformación se generan más y más potenciales sitios nucleantes activos y por lo
tanto nuevos granos recristalizados.
Figura 2.38 Desarrollo de la recristalización dinámica a) Granos iniciales posicionados en los límites de grano b) Estructura de collar c) Aglomeración de granos alrededor de la
estructura de collar d) Cubrimiento total de los antiguos granos por nuevos -e) crecimiento de los nuevos granos [2].
69
Después de cierta cantidad de deformación, se alcanza el equilibrio, esto
pasa típicamente entre el endurecimiento debido a la acumulación de las
dislocaciones y el ablandamiento debido a la recristalización dinámica. En este
estado la microestructura consiste en una mezcla de granos recristalizados
dinámicamente con densidades de dislocaciones remanentes.
Cabe mencionar que este tipo de recristalización a su vez puede ocurrir
en varias maneras y estas son los que se mencionan a continuación [2, 37, 46,
57, 58, 62, 64, 65].
Dinámica discontinua.
Dinámica geométrica.
Dinámica por rotación progresía de red.
Dinámica por nucleación estimulada por partículas.
Deng y colaboradores enfocados en la recristalización dinámica realizaron
un estudio en 2012 sobre el comportamiento que se ve reflejado en las
propiedades mecánicas cuando se lleva a cabo la deformación en caliente de
placas de compuestos de matriz de Mg AZ91 de 0.2 µ𝑚 de espesor reforzados
con SiCp, enfocándose en la influencia y comportamiento que aportan las
partículas finas del compuesto en la recristalización dinámica investigando la
evolución microestructural de las placas durante la deformación en caliente,
basándose que en estudios anteriores no se puede estimular la nucleación
debido al tamaño de las partículas de SiC, investigando con esto el tamaño y la
textura de grano final recristalizado.
Utilizaron compuesto AZ91 (Mg-9Al-Zn) de 2 µ𝑚 de espesor con 1% de
partículas de SiC, donde este fue tratado por el T4 a 415°C por 24 h luego
templado y después sujeto a extrusión a 370°C en donde examinaron la
evolución de la microestructura durante el deformado en caliente mediante el
microscopio óptico, MEB y TEM, donde las muestras (15 x 5 x 2 mm) fueron
desbastadas, pulidas y atacadas con solución Picral, utilizando el software
ImagePro para medir el tamaño de los granos recristalizados dinámicamente.
70
Los autores encontrando como resultados que de acuerdo a lo observado
en el MO la estructura del magnesio es mayormente conformada de granos
recristalizados dinámicamente y microestructura deformada, encontrando que los
granos tienen un tamaño de 2 µ𝑚 por lo que el tamaño de las partículas influye
para promover la estimulación de la nucleación de DRX’s. Donde la densidad de
dislocaciones alrededor de las partículas de SiC incrementa durante la
deformación en caliente, por lo que se deduce que el crecimiento de los granos
DRX’s depende de la cantidad de deformación siendo esto descrito en la Figura
2.39.
Figura 2.39 Ilustración esquemática de la recristalización dinámica influenciada por la adición de partículas de SiC durante la deformación en caliente: a) microestructura antes
de DRX, b) alta densidad de dislocaciones alrededor de las partículas de SiC, c) los DRX’s nuclean cerca de subpartículas de SiC y de los límites de grano y d)
microestructura después de DRX [66].
Lo que resulta que el aumento de las diversas propiedades características
se debe al refinamiento de grano, distribución uniforme y teniendo un gran efecto
la nucleación y el refinamiento de grano en la deformación en caliente [66].
71
2.4.1.3.4 Cinética de recristalización
La cinética de la recristalización ocurre en los procesos de nucleación y
crecimiento de grano donde se sabe que mientras más alta sea la temperatura,
el tiempo para finalizar la recristalización es menor.
Esto se representa en una ecuación que se revisará a continuación;
ecuación de Arrhenius. En la Figura 2.40 se observa el ejemplo de la
recristalización de cobre rolado casi puro en donde se forman unas curvas que
indican el porcentaje de recristalización debido al tiempo y a la temperatura, la
línea horizontal corresponde al 50 por ciento recristalizado y la intersección de
ésta con las isotermas de recristalización da el tiempo a cierta temperatura
requerido para recristalizar la mitad de la estructura.
Figura 2.40 Transformación isotérmica de la recristalización del cobre rolado al 98% de pureza.
Es bien conocido que la energía almacenada térmicamente activada se
desarrolla durante la deformación que controla e induce los mecanismos de
ablandamiento. La energía de activación de la recristalización dinámica es un
parámetro importante que determina la condición crítica para la iniciación de ésta,
se han propuesto muchas ecuaciones empíricas para determinar el
comportamiento de la energía de activación de la deformación de los metales. La
ecuación más utilizada es la de Arrhenius que designa a el famoso modelo Zener
–Hollomon.
72
Según la ecuación siendo 𝜏 el intervalo de tiempo
1
𝑇= 𝐾 log10
1
𝜏+ 𝐶
Donde K es la pendiente de la curva y C es la intercepción de la curva con
la línea de tiempo y ambas son constantes
La ecuación anterior también puede ser aplicada como
1
𝜏= 𝐴𝑒−
𝑄𝑟𝑅𝑇⁄
Donde el 1
𝜏 es la velocidad cuando el 50% de la estructura es recristalizada,
R es la constante de los gases (8.37 J/ (mol-K) y Qr la energía de activación de
la recristalización, mencionando que la energía de activación de la
recristalización es una constante empírica.
Lo que en resumidas cuentas muestra que la reacción de la recristalización
para muchos metales puede ser descrita por una simple ecuación de activación.
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝐴𝑒−𝑄𝑟
𝑅𝑇⁄
Desafortunadamente esta ecuación muestra muy poco acerca de los
mecanismos atómicos que ocurren en la recristalización, esto es porque la
velocidad que el material necesita para recristalizar depende de la velocidad a la
cual se forman los núcleos así como también a la cual crecen. [2, 58, 62, 67, 68].
2.4.1.3.5 Factores que afectan a la recristalización
Los factores importantes que afectan al proceso de recristalización en metales
y aleaciones son [2], [9], [58]:
La cantidad de deformación previa del metal.
La temperatura.
El tiempo.
El tamaño inicial del grano.
La composición del metal o aleación.
73
2.4.1.3.6 Reglas de recristalización
Estas reglas están orientadas para el proceso de nucleación y crecimiento
de granos. Se enunciadas como:
• La recristalización se produce solamente después de una cantidad crítica
mínima de trabajado en frío o deformación inicial.
• Cuando menor es la deformación, más elevada es la temperatura de
recristalización.
• A mayor porcentaje de deformación inicial, menor tamaño de grano
recristalizado.
• Si la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocido
disminuye.
• Cuando más grande es la dimensión de los granos iniciales, mayor es la
deformación requerida para producir la recristalización, en unas condiciones
dadas de temperatura y tiempo.
• El tamaño de los granos recristalizados depende principalmente del
porcentaje de deformación [2, 58].
2.4.1.4 Crecimiento de granos
Una vez que la recristalización es completada, esto es cuando la matriz
poligonizada es remplazada por nuevos granos libres de deformación, el material
puede disminuir aún más en su energía de deformación, incrementando el
tamaño promedio de los granos.
Esto sucede cuando los límites de granos se enderezan debido a un
mayor endurecimiento por calor, los granos pequeños se encogen y los largos
crecen, algunos otros desaparecen, siendo la fuerza impulsora la disminución de
la energía de deformación almacenada en la microestructura asociada con los
bordes de grano y produciendo el crecimiento de los nuevos granos por medio
del movimiento de la interfase grano recristalizado-grano deformado.
74
De acuerdo al comportamiento del crecimiento de granos, este paso de la
recristalización se puede dar en dos formas: normal o crecimiento de granos
continuos y anormal o crecimiento de granos discontinuo, donde el primero
ocurre en metales puros y aleaciones de una sola fase, siendo el cambio en la
textura pequeño y gradual. El crecimiento anormal o recristalización secundaria
ocurre cuando el crecimiento normal de los granos de la matriz es inhibido debido
a la alta temperatura lo que permite que algunos granos supere la fuerza de
inhibición y crezcan desproporcionalmente [2, 31, 53, 54, 56, 58, 61].
2.4.1.5 Textura de granos recristalizados
La textura o también denominada orientación preferencial describe el
alineamiento idóneo de la estructura cristalina de los granos en un agregado
policristalino, cabe mencionar que la textura no define la forma de los granos y
que si el conocimiento de ésta falta no interfiere en el conocimiento de la forma
de los granos [61].
En la Figura 2.41 y Figura 2.42 adicionalmente se puede observar la
esquematización paso a paso de la recristalización así como la evolución a nivel
microestructural.
75
Figura 2.41 Diagrama esquemático de los procesos inmersos en la recristalización; a) estado de deformación, b) recuperación, c) recristalización parcial, d) recristalización
total, e) crecimiento de grano y f) crecimiento anormal de grano [2].
Figura 2.42 Evolución de la microestructura durante a) deformación del material y recuperación y b) recristalización dinámica [59].
76
2.4.2 Recristalización de aleaciones y compuestos de base de
aluminio
Similar que en otras aleaciones y materiales metálicos, al utilizar por medio
del proceso de soldadura por fricción agitación compuestos de matriz metálica de
aluminio se ven implicadas tres zonas; la zona termo mecánicamente afectada,
la zona afectada por el calor y el botón o nugget de soldadura, en donde en éste
último se puede apreciar en forma ovalada o de anillo, esto depende del tipo de
herramental utilizado, los refuerzos presentes así como los parámetros aplicados
en la metodología.
Cuando los AMC's provienen de un proceso en donde se trabajan en frío
poseen una gran cantidad de dislocaciones afectando principalmente las
propiedades mecánicas del metal, ahora bien utilizándolos en la metodología de
soldadura mencionada se obtienen propiedades mayores que las que posee el
material base, además de que no aparecen defectos de soldadura como la
porosidad, vacancias y segregación de las partículas reforzadas.
En la zona nugget de soldadura al igual que en aleaciones de aluminio sin
refuerzo, las uniones de los AMC's están caracterizadas por granos equiaxiales
finos recristalizados, lo que dicta entonces que en la unión de estos materiales
se lleva a cabo una recristalización dinámica donde las partículas reforzadoras
aumentan la tensión local en la matriz, siendo que este mecanismo difusivo surge
más rápido que en los materiales no reforzados y se da por el simple movimiento
unido con la temperatura y tiempo correcto de la misma, así como de su buena
manipulación, recristalizándose la zona afectada completa y rápidamente,
ayudándose de la herramienta o brazo de la máquina, la cual redistribuye las
partículas del material, reduciendo su tamaño y refinando los granos, provocando
por medio de la deformación y el calor producido por fricción una recristalización
dinámica, dictando que este cambio en la microestructura se desarrolla
progresivamente de subgranos a nuevos granos dentro de los originalmente
deformados.
77
Posteriormente se da el comienzo a un crecimiento de granos adecuado
produciendo una buena soldadura resultante con buenas propiedades,
cualidades y libre de defectos de soldadura [2, 9, 31, 53, 59].
Huijie Liu y colaboradores elaboraron un estudio en mayo del 2015 sobre
lo ocurrido al soldar por medio del FSW, proceso el cual cuenta con una eficiencia
en compuestos de matriz metálica de entre 80 y 97%, observando los cambios
microestructurales ocurridos debido a la severa deformación plástica por la que
pasan los materiales identificando la aparición de un fenómeno de fusión que
tiene efecto directo con la formación de la microestructura en la soldadura.
Los autores emplearon muestras maquinadas (300 mm de largo, 100 mm
de ancho y 5mm de espesor ) de material compuesto de matriz metálica de
aleación Al-Si con 30% vol de partículas de SiC (15 µm), con composición
química y propiedades mecánicas que se observan en la Tabla 2.10. Utilizaron
una herramienta de aleación de WC-Co con diámetro de hombro de 13.6 mm y
dimensiones del pin de 6mm de largo y 4.5 mm de diámetro, incluyendo
variaciones en el parámetro de soldadura de avance de 50 mm/min y 150
mm/min, manteniendo constante la velocidad de rotación de la herramienta en
2000 rpm.
Tabla 2.10 Composición química (% e.p.)y propiedades de la aleación Al-Si 30% SiC [69]
Para emplear las técnicas de caracterización, los autores cortaron las
muestras perpendicularmente a la soldadura aplicando la microscopía electrónica
de barrido, espectrómetro dispersivo de energía y un difractor de rayos X, para
lo cual las muestras fueron pulidas con pasta de diamante y atacadas con
reactivo Keller’s. Encontrando como resultados que la microestructura del
material varía según la velocidad de soldadura debido a que si esta aumenta el
78
tamaño del silicio eutéctico y de las dendritas de aluminio-α disminuye,
mejorándose la cantidad de silicio eutéctico (Figura 2.43 inciso b) observando
además que el tamaño del silicio eutéctico varía según de qué lado fue obtenido;
si del lado de avance o del de retirada ya que en el de entrada se sufre una mayor
deformación que en la otra provocando que haya más granos recristalizados
finos, en otras palabras la morfología y tamaño del silicio eutéctico y aluminio-α
están dados por la deformación del material y la generación del calor en la
soldadura (Figura 2.44).
Figura 2.43 Imágenes del MEB en la zona de unión obtenida a diferentes velocidades de soldadura. a) 50 mm/min y b) 150 mm/min [69]
Figura 2.44 Imágenes del MEB de los dos lados de la soldadura obtenido a 150 mm/min a) Lado de avance, b) alargamiento parcial de a, c) Lado de vuelta y d) alargamiento parcial
de c [69].
79
Realizaron también pruebas EDS (Espectroscopia de energía dispersiva
de rayos X) (Figura 2.45) donde los resultados indicaron que el contenido de
silicio en las dendritas aluminio-α incrementa en la soldadura lo que no hacen en
el metal base, esto debido a que el fenómeno de formación a diferentes
velocidades es experimentado a más altas temperaturas en la soldadura que en
el metal base.
Resumiendo todo lo anterior los autores concluyen que para revelar la
formación del mecanismo de las características microestructurales sucede un
mecanismo de recristalización en la soldadura el cual tiene cuatro fases: fusión
de la matriz y rompimiento de las partículas de SiC, nucleación de las dendritas
aluminio-α, nucleación y crecimiento de estas y por último la formación del silicio
eutéctico fino como se observa en la Figura 2.46 [69].
Figura 2.45 Resultados de los análisis EDS y XRD a) resultados del EDS en el metal base b) en la soldadura [69].
Figura 2.46 Resultados de los análisis EDS y XRD c) XRD del metal base y d) XDR de la soldadura [69].
80
Figura 2.47 Representación esquemática del proceso de recristalización en la soldadura a) Fusionamiento de la matriz y fisuramiento de las partículas de SiC, b) nucleación del
aluminio-α, c) crecimiento del aluminio-α y nucleación del silicio eutéctico y d) formación del eutéctico fino [69].
81
3 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE
BIBLIOGRAFÍA
El análisis y discusión de resultados de este trabajo partiendo de la
recopilación bibliográfica tiene como propósito condensar la información y brindar
orientación sobre la recristalización presente en la unión de materiales
compuestos de matriz de aluminio A359 con 20% de reforzamiento en partículas
mediante el proceso de soldadura por fricción agitación.
Siendo que dicho proceso es en estado sólido hace que por medio del
calentamiento producido por la fricción del material y la herramienta, los
materiales alcancen un estado similar al plástico sin llegar a su punto de fusión
provocando con esto una gran cantidad de deformación la cual es de suma
importancia para la determinación del mecanismo de interés de este proyecto.
El proceso FSW resulta óptimo para la coalescencia de materiales
blandos, como el aluminio sin embargo, recientemente se ha incrementado su
aplicación en la unión de materiales más resistentes como los compuestos que
se encuentran reforzados con partículas de SiC, siendo un proceso que además
al utilizar correctos parámetros de soldadura, resulta benéfico mejorando la
microestructura y por consecuente las propiedades mecánicas del material
soldado.
82
El enfocarse en los mecanismos ocurridos a nivel microestructural resulta
óptimo para mejorar, observar e incluso tener control sobre los posibles
resultados de la unión final; lo anterior trae consigo un buen refinamiento y
recristalización de los granos y su distribución, así como de las partículas a lo
largo de la matriz.
Existen una serie de indicativos corroborados por experimentaciones que
las uniones soldadas por este proceso se ven beneficiadas por la presencia del
mecanismo de recristalización en la zona microestructural, conocida como zona
nugget observando además que la recuperación, recristalización y crecimiento
de grano ocurren de manera dinámica debido a que en el transcurso del proceso
de soldadura se presenta una constante deformación debida al trabajado en frío,
donde los puntos de gran deformación funcionan como sitios nucleantes de
granos dando origen a granos recristalizados dinámicamente para luego dar paso
al crecimiento y alineamiento de los límites de grano, mejorando en textura,
alineación y tamaño. Además, las partículas de SiC se refinan y distribuyen de
manera homogénea.
El conjunto de todas estas características y la investigación de la
recristalización en el material que se está empleando, mejora el entendimiento
de la evolución microestructural del mismo y sus propiedades.
83
4 CASO DE ESTUDIO
El caso de estudio seleccionado para este trabajo monográfico fue el de
analizar lo ocurrido a nivel microestructural, es decir la recristalización
correspondiente que se presenta en uniones de material A359 con 20% de
partículas de SiC soldadas por medio de la soldadura por fricción agitación,
enfocándose en cómo es que sucede, se comporta y puede ser observada la
recristalización, analizando la influencia sobre la microestructura y propiedades
mecánicas de la pieza final.
4.1 Metodología
La metodología de este caso de estudio seguida es la siguiente;
primeramente se recaudó el material compuesto A359/20%p, cabe mencionar
que el material compuesto A359 con refuerzo ya se había comprado a una
distribuidora estadounidense con anterioridad con el fin de proporcionarlo a otros
estudiantes, mediante el equipo CNC se utilizaron las herramientas fabricadas
para soldar por medio de la técnica FSW, por lo que se hicieron todas las
preparaciones y ajustes del equipo para poder llevarse a cabo la soldadura. Una
vez soldadas las placas de material, los cupones se llevaron al laboratorio de
caracterización, donde se cortaron y montaron para hacer sus preparación
metalográfica, una vez desbastadas, pulidas y atacadas las muestras, se
aplicaron las técnicas de caracterización correspondientes (MO; MEB) y por
último se sacó un perfil de microdurezas como método de comprobación para
84
ciertos aspectos de interés de este proyecto, a cada muestra con lo que se
pudieron sacar resultados y las conclusiones correspondientes.
Figura 4.1 Diagrama de flujo de las actividades realizadas para el caso de estudio.
4.2 Material
El material utilizado en este caso de estudio fue el compósito de matriz
metálica de aluminio, siendo esta la aleación de fundición A359 con 20% de
refuerzo en partículas, siendo proveído por la empresa estadounidense MC 21,
Inc. con anterioridad para la realización de otros proyectos. El compuesto fue
obtenido mediante la mezcla de las partículas en la aleación metálica fundida
siendo los principales elementos de la matriz Al, Si y Mg, la composición nominal
química se muestra en la Figura 4.1. Además este material presenta una
combinación de propiedades mecánicas como ligereza, resistencia,
conductividad térmica proporcionadas por la buena combinación y distribución de
los dos componentes. Algunas otras propiedades se muestran en la Tabla 4.2
.Las dimensiones de las placas a soldar eran de 88 x 30.54 x 5.02 mm como se
pueden observar en la Figura 4.2.
85
Tabla 4.1 Composición química (% e.p.) del material compuesto de matriz de aluminio reforzado con partículas de SiC.
Tabla 4.2 Propiedades mecánicas del compuesto de matriz metálica A359/20%p
Figura 4.2 Dimensiones de las placas de compuesto a soldar
4.3 Soldadura
Las piezas de material compuesto A359/20%p SiC fueron unidas por
medio del proceso de soldadura por fricción agitación en unión a tope en donde
las éstas tenían un espesor de 5.02 mm. Fueron unidas con una profundidad de
penetración del pin de 4.7 mm, en la Figura 4.3 se puede observar el diseño de
la unión que aplicó a las piezas.
86
Figura 4.3 Diseño de unión de las placas por medio de la soldadura FSW.
Como bien se sabe el equipo del proceso de soldadura por fricción
agitación requiere de una herramienta con un pin; para el presente estudio se
maquinaron dos herramientas de acero D2, desde su diseño hasta los
tratamientos, las cuales tienen diferentes geometría de pin como se puede
observar en la Figura 4.4, en la Tabla 4.3 se pueden observar las medidas de
ambas herramientas utilizadas para soldar en este estudio. Las uniones del
material compuesto se hicieron con ambas herramientas a dos diferentes
variaciones de parámetros, cuidando que se tuvieran las piezas soldadas con los
mismos parámetros para ambas herramientas y así comparar los cambios
subsecuentes ocurridos.
Figura 4.4 Herramientas con diferente geometría utilizadas en la soldadura por FSW
87
Tabla 4.3 Tabla que contiene los datos característicos de las dos herramientas utilizadas para soldar en este estudio.
Los parámetros utilizados en la soldadura se pueden observar en la Tabla
4.4 cabe destacar que se llevaron a cabo otros intentos con parámetros diferentes
que no se tomaron en cuenta debido a que se presentaron diversas
imperfecciones, además de seleccionar aquéllas que tenían los mismos
parámetros pero diferente geometría de herramienta, señalándolo con recuadros.
Tabla 4.4 Parámetros utilizados para la unión de las piezas de material A359/20%p SiC por medio de FSW.
88
En sí la soldadura consistió en la utilización del CNC (control numérico
computarizado) en donde se ajustó el sistema de sujeción (Figura 4.5) para que
las placas a soldar ensamblaran a la perfección y no existiese movimiento alguno,
se ajustó a su vez el hombro de la herramienta y por último se introdujeron los
parámetros para soldar (Figura 4.6).
Figura 4.5 Sistema de sujeción para soldar por medio de FSW.
Figura 4.6 Soldadura FSW por medio del CNC.
89
4.4 Preparación metalográfica
Una vez que las piezas se soldaron, se prosigue con el paso de
prepararlas para la caracterización de las mismas. Las muestras soldadas fueron
seccionadas con una cortadora Discotom-10 Struers, descartando 2 mm de
material de cada lado tratando de evitar los errores del comienzo de la soldadura
y la salida de la herramienta, se montaron en baquelita en una montadora Struers
Citopress 20 en tamaño de 40 mm calentando y enfriando por 6 min, luego se
desbastaron con papel abrasivo de SiC con granulometrías de 240, 400, 600 y
1200 aplicando poca presión y cambiando de dirección a 90° con duración de 1
minuto y medio de cada lado, con rotación automática y agua constante en una
desbastadora doble disco Struers KNUTH-ROTOR-2.
Posteriormente se pulieron manualmente con pasta de diamante de 0.25
µm por 1 minuto y medio manteniendo hidratado con alcohol y luego con sílica
coloidal de 0.04 µm por 2 minutos, además se pulió con alcohol por 2 minutos
para eliminar todo tipo de impurezas y suciedad remanente. Se atacaron
químicamente con la solución Wecks la cual tiene una composición como se
observa en la Tabla 4.5, esto con el fin de permitir un buen revelado de la
microestructura con la aplicación de las técnicas de caracterización.
Tabla 4.5 Solución Wecks utilizada para atacar las muestras.
4.5 Técnicas de caracterización
Primeramente con la ayuda de un microscopio óptico Nikon Eclipse MA 200
se analizaron las muestras que con su anterior y respectiva preparación
metalográfica a acercamientos de 5x, 10x, 20x, 50x y 100 x con el fin de observar
e identificar tanto los cambios sucedidos a micro, media y gran escala, por lo que
90
a su vez también se utilizó un estereoscopio marca Nikon SMZ 7457 micro lite
FL1000 en aumentos de 0.67 a 5.
Como tercera técnica de caracterización se utilizó el microscopio
electrónico de barrido (MEB) de marca JEOL JCM-6490LV en modalidad de
electrones retro dispersados a aumentos de 2500X, en donde para que la
superficie de las muestras fueran inspeccionadas satisfactoriamente se atacaron
con anterioridad con el agente Wecks, ajustando los diferentes parámetros que
a este corresponde de manera correcta y conveniente.
Además se hizo un perfil de microdurezas (24 indentaciones de 1 mm de
distancia entre ellas) de cada muestra con un microdurómetro de Vickers-Knoop
con nanoindentador en forma de diamante marca Tukon 2500-5 Wilson Hardness
50X/0.55.
4.6 Resultados
4.6.1.1 Microscopía óptica
Una vez soldadas y preparadas las muestras se atacaron con el agente
químico decidido, es preciso mencionar que se intentó atacarlas con una amplia
variedad de agentes químicos con el fin de revelar la microestructura,
intermetálicos y principalmente los granos y límites de grano de las muestras, sin
embargo ninguno de los ataques utilizados revelaron esto último, no obstante se
prosiguió con el análisis del material.
Con la ayuda de la primer técnica de caracterización utilizada; microscopio
óptico se analizaron tanto las muestras de metal base y las soldadas, donde lo
que se encontró fue que en las muestras del metal base no importando si fuese
corte transversal o longitudinal se ve una distribución de las partículas de refuerzo
de SiC con tamaños variados un tanto heterogénea siguiendo un patrón de
laminado, es decir se ven por toda el área inspeccionada en forma lineal, a su
vez se alcanza a observar algunas de las fases que se preveían encontrar en la
aleación sin embargo no se observa el grano ni los límites de estos
91
correspondientemente, se observa una gran cantidad de partículas SiC por toda
la aleación como se puede ver en la Figura 4.7 y Figura 4.8.
Figura 4.7 Micrografías de muestra de metal base A359/20%p SiC corte transversal sin ataque a diferentes aumentos a) 20x b) 50x c) 100x.
Figura 4.8 Micrografías de material base A359/20%p SiC corte longitudinal a diferentes aumentos sin ataque a)50x, b)50x, se muestran medidas de algunas partículas
de SiC c) 100x.
92
Se caracterizaron además las muestras soldadas, las cuales fueron
atacadas con solución Wecks, revelando la microestructura de la pieza metálica
coloreando por zonas (Figura 4.9), pudiéndose observar una diferencia entre
cada una debido al cambio de color y al refinamiento de las partículas de SiC
Figura 4.11 y Figura 4.12. Se encontró a su vez que la soldadura llevada a cabo
con las herramientas fabricadas dejan algunos defectos en la zona de agitación
especialmente en el nugget de soldadura como se puede observar en la Figura
4.10 mostrando un aparente defecto parecido al túnel de gusano, además se
encuentra una distribución de las partículas de SiC muy concentrada en la zona
de agitación y un tamaño aparente de ellas reducido en comparación con el metal
base Figura 4.14.
Figura 4.9 Micrografía de la muestra 6 soldada en donde se observa la diferencia de algunas zonas producidas por la soldadura FSW coloreadas por el agente Wecks, a
5X.
93
Figura 4.10 Micrografías de la muestra 3 soldada a 5X mostrando el coloreamiento de zonas y el defecto producido por la soldadura.
Figura 4.11 Micrografía a 5X de la muestra 6 del compuesto donde se observa la diferencia de zonas por colores y aparente tamaño y textura de partículas de SiC.
94
Figura 4.12 Micrografías de la muestra 6 donde se observa un claro cambio de la distribución de las partículas de SiC y su tamaño dependiendo de la zona ocupada a) zona de material no afectado a 5X b) nugget o zona de recristalización a 5X c) zona TMAZ
a 5X d) zona de material no afectado a 100X, e) nugget o zona de recristalización a 100X y f) zona TMAZ a 100X con parámetros de 1600 rpm y 40 mm/min.
95
Figura 4.13 Micrografías de la muestra 5 donde se observa el cambio de la distribución de las partículas de SiC y su tamaño dependiendo de la zona ocupada a) zona de material no afectado a 5X b) nugget o zona de recristalización a 5X c) zona TMAZ a 5X d) zona de material no afectado a 100X, e) nugget o zona de recristalización a 100X y f) zona TMAZ a 100X con parámetros de 1400 rpm y
50 mm/min.
96
Figura 4.14 Comparación de micrografías del material A359/20pSiC arriba material base a) 5X, b) 50 X c) 100X, abajo muestra soldada a d) 5X, e) 50X y f) 100X donde se muestra el cambio de la distribución y tamaño de las partículas antes y después de la
soldadura.
97
Sin embargo cuando se inspeccionaron las muestras con esta técnica de
caracterización en cuanto al objeto de estudio del presente trabajo no fue posible
observar los granos de la matriz, los límites del mismo ni como se fue
desarrollando la deformación del material, el avance y tipo de la recristalización,
desarrollo y termino en cuanto a textura, forma y tamaño de los granos finales
debido a que la presencia de las partículas de SiC se considera excesiva, aunado
a que su refinamiento provocó la distribución de partículas diminutas
homogéneamente, lo que hizo aún más difícil para la identificación de estos
aspectos e incluso la matriz base del material. Sin embargo aunque no se pueda
ver la recristalización de la matriz se cree que lo que representa el cambio de
tamaño de las partículas de SiC después del procesado es la recristalización
dinámica de estas.
4.6.1.2 Estereoscopio
Con la utilización de esta segunda técnica de caracterización fue posible
observar todo lo antes mencionado con la técnica de caracterización anterior pero
a una magnificación un poco más amplia debido a que con la presente técnica se
observa de una manera muy clara la evolución microestructural, es decir las
zonas producidas por el proceso de soldadura, así como a su vez la manera en
que las partículas reforzadoras de SiC ocupan lugar en estas y la distribución que
presentan las mismas a aumentos menores como se logra observar de la Figura
4.15 a la Figura 4.18.De igual manera que con la técnica anterior no fue posible
encontrar resultado alguno sobre la recristalización, mecanismos,
comportamientos etcétera ocurrida en el material durante el proceso del FSW, ya
que no se pudo observar por las mismas causas antes mencionadas.
98
Figura 4.15 Macrografías de la muestra 3 soldada con parámetros de 1400 rpm y 50 mm/min con la herramienta sin muescas.
Figura 4.16 Macrografías de la muestra 5 soldada con parámetros de 1400 rpm y 50 mm/min con la herramienta sin muescas.
Figura 4.17 Macrografías de la muestra 6 soldada con parámetros de 1600rpm y 40 mm/min con la herramienta con muescas.
Figura 4.18 Macrografías 7 soldada a 1600 rpm y 40 mm/min con la herramienta con muescas.
99
4.6.1.3 Microscopio electrónico de barrido (MEB)
Se utilizó la modalidad de electrones retro dispersados en donde se sabe
que no se obtiene una calidad de imagen bien definida pero por lo contrario se
obtiene una buena identificación de las fases del espécimen a examinar.
Con el presente análisis se observó que en la región soldada se observa
una gran cantidad de partículas de SiC de diferentes tamaños y con buena
distribución las cuales negativamente no permiten observar los granos ni los
límites de estos presentes en la matriz del compuesto, observando que todos
esta variación de tamaños es debida a la fracturación y bipartición de las
partículas grandes que sufren deformación durante el procesamiento difiriendo
de la zona en la unión, lo que se podría decir una recristalización de las partículas
de SiC.
También se analizaron algunas partículas que potencialmente podrían ser
las fases que se encuentran en este tipo de materiales como lo son los
intermetálicos, fase alfa, silicio eutéctico etc., así como la matriz encontrando en
ella que micro partículas de la herramienta de acero D2 se incrustaron en el
compuesto (Figura 4.23) dando señales incorrectas sobre las fases encontradas,
a su vez es posible notar que no se encuentra Mg por ningún lado creyendo que
éste y otros aspectos del material son ocultados por las partículas del
reforzamiento que debido a la deformación se ven afectadas, por último se hizo
un mapeo de elementos correspondiente el cual muestra el contenido de estos
en el espécimen (Figura 4.24).
100
Figura 4.19 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una partícula de SiC, b) tabla de contenido de dicho espécimen y c) gráfica de análisis puntual, realizado por medio del
MEB en opción de electrones retrodispersados.
Figura 4.20 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una partícula aparente de silicio eutéctico, b) tabla de contenido de dicho espécimen y c) gráfica de análisis puntual
realizado por medio del MEB en opción de electrones retrodispersados.
101
Figura 4.21 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una partícula de aparente intermetálico, b) tabla de contenido de dicho espécimen y c) gráfica de análisis puntual
realizado por medio del MEB en opción de electrones retrodispersados.
Figura 4.22 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de aparente partícula de remanente de la herramienta, b) tabla de contenido de dicho espécimen y c) gráfica de análisis
puntual realizado por medio del MEB en opción de electrones retrodispersados.
102
Figura 4.23 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una aparente partícula de remanente de la herramienta mezclada con partícula de SiC, b) tabla de contenido de
dicho espécimen y c) gráfica de análisis puntual realizado por medio del MEB en opción de electrones retrodispersados.
103
Figura 4.24 Micrografías de mapeo de elementos del compuesto de matriz metálica A359 20%p/SiC
104
4.6.1.4 Microdureza Vickers
Por último con el perfil de microdurezas Vickers realizado a cada una de
las muestras que fueron soldadas por FSW a diferentes parámetros se obtiene
una gráfica que se puede observar en la Figura 4.25, mostrando que la dureza
es más alta en la zona de agitación, por lo que se cree que el incremento de la
dureza en esta área se debe al refinamiento de los granos es decir que los granos
son de tamaño pequeño en la zona de agitación sugiriendo que se presentó una
recristalización la cual no se puede observar con las técnicas utilizadas. Sabiendo
que la dureza depende de tener una mejor microestructura y por lo tanto tener
mejores propiedades en la unión. Por otra parte se puede entender que la
muestra 6 con parámetros de 1600 rpm y 40 mm/min es la que se tiene mayor
dureza debido al refinamiento del grano sufrido y a su vez se puede observar en
que fue la única muestra que no presentó el defecto de túnel de gusano.
Figura 4.25 Gráfico demostrativo del cambio de la dureza presente en la zona agitada de las muestras soldadas.
105
5 CONCLUSIONES
Se puede concluir entonces partiendo de los objetivos tanto general y
específicos que se plantearon al inicio de este trabajo monográfico que:
De acuerdo a la bibliografía consultada se encuentra que analizar y
estudiar la recristalización en aluminio es más sencillo que en los
materiales compuestos, por lo que en estos últimos se dificultó
debido a varios factores entre los cuales más importantes se
encuentra el tener un alto contenido de partículas de refuerzo.
A su vez se concluye también por medio de las referencias que la
recristalización que se presenta en materiales blandos como el
aluminio es de tipo dinámica lo que mejora en propiedades a la
unión soldada debido a su buena refinación de granos, partículas y
la orientación de granos adecuada.
Es posible unir este tipo de materiales con características de alta
dureza por medio del proceso de fricción agitación siempre y
cuando se controlen de manera óptima los parámetros, ya que si
no se presentará un desgaste en la herramienta.
En cuanto a lo que es el caso de estudio realizado para justificar este
estudio monográfico se concluye que:
106
Se considera importante para la comparación de las
microestructuras teniendo una mejor visión de ellas, del tamaño,
forma y distribución del grano lo que es directamente relacionado
con la recristalización, se caracterice a su vez la aleación de
aluminio sin refuerzo, así como la reforzada con partículas.
Las técnicas de caracterización utilizadas demuestran que se
presentó una buena distribución de las partículas de SiC en la
matriz después de la soldadura a su vez de que se refinaron en
tamaño de acuerdo a la zona del material.
No se pudo observar los granos de la matriz tanto en el metal base
reforzado como en el material soldado, se cree que puede ser la
manufactura del material o el agente atacante para el revelado de
la microestructura ya que esta no reaccionó a ninguno de los
ataques químicos aplicados.
Sin embargo de acuerdo a aspectos tales como los reportes de
dureza así como por el cambio en tamaño de las partículas SiC en
la zona de agitación se infiere que si se presentó recristalización en
la matriz del compuesto dinámicamente, sin embargo no es posible
observarla.
Por lo anterior se deduce a su vez que con la posible refinación de
las partículas y los granos de la matriz hacen que se tenga una
mejor microestructura y por lo tanto mejores propiedades de la
unión soldada.
108
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115
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Proceso de soldadura por fricción agitación. ................................... 9
Figura 1.2 Ilustración del mecanismo de recristalización. .............................. 11
Figura 2.1 Tipos de materiales compuestos ........................................................ 18
Figura 2.2 Clasificación de diferentes matrices de materiales compuestos
de matriz metálica ....................................................................................................... 20
Figura 2.3 Tipos de refuerzos para materiales compuestos de matriz
metálica a) refuerzo en fibras, b) whiskers o fibras cortas c) partículas y d)
preformas infiltradas .................................................................................................. 23
Figura 2.4 Diagrama de fases Al-Si ........................................................................ 29
Figura 2.5 Diagrama de fases Al-Si con micrografías correspondientes
representativas de acuerdo a la cantidad de Si. ................................................. 30
Figura 2.6 Diagrama de fases pseudobinario Al-Mg2Si. ................................... 30
Figura 2.7 Diagrama de fases Al-Si, donde se muestran los tres grupos de
aleaciones de aluminio de acuerdo al contenido de silicio. Amarillo:
hipoeutécticas, rojo eutécticas y verde hipereutécticas. Concluyendo que
el material A359/20%pSiC cae siendo una aleación hipoeutéctica. .............. 31
Figura 2.8 Compuesto de matriz de aluminio con partículas de carburo de
silicio donde se muestra a la matriz de aluminio Al, las partículas de SiC,
el eutéctico Al-Si y las fases de Mg y Si. .............................................................. 32
Figura 2.9 Se muestran los precipitados de compuestos intermetálicos a
formarse entre las partículas de SiC en A359/SiC/20p. .................................... 33
Figura 2.10 Se muestran los precipitados formados en los intermetálicos
de Mg2Si y de Al (Fe, Si, Mg, Mn) en aglomerados de SiC de
A359/SiC/20p. ............................................................................................................... 33
Figura 2.11 Distribución homogénea de las partículas de SiC. ..................... 34
Figura 2.12 Principales aplicaciones de los compuestos de matriz metálica
de aluminio con refuerzo de carburo de silicio con un 20% en partículas. 35
116
Figura 2.13 Esquematización del proceso de soldadura por fricción
agitació. ......................................................................................................................... 37
Figura 2.14 Funcionamiento de la herramienta del proceso FSW. ................ 37
Figura 2.15 Vista real del proceso FSW ................................................................ 38
Figura 2.16 Imagen de una herramienta con sus principales
características .............................................................................................................. 39
Figura 2.17 Herramienta de WC que se puede utilizar para soldar en este
proyecto con geometría cónica con dimensiones de diámetro de hombro
de 23mm, 6 mm de diámetro de pin y 95 mm de largo. .................................... 40
Figura 2.18 Dimensiones del herramental a utilizar en el presente proyecto,
fabricada de WC. ......................................................................................................... 40
Figura 2.19 Parámetros significativos del proceso FSW ................................. 42
Figura 2.20 Distribución de las partículas de SiC en especímenes
procesados por FPS a) 710 rpm y 40 mm/min, b) 710 rpm y 80 mm/min, c)
710 pm y 125 mm/min, d) 1120 rpm y 40 mm/min, e) 1120 rpm y 80 mm/min,
f) 1120 rpm y 125 mm/min, g) 1400 rpm y 40 mm/min, h) 1400 y 80 mm/min
y i) 1400 rpm y 125 mm/min ...................................................................................... 45
Figura 2.21 Distribución de las partículas de SiC en especímenes
procesados por FPS con a) cuatro pases con cambio de dirección de
rotación del herramental, b) sin cambio de rotación, c) y d) representación
a nivel microestructural de a) y b) respectivamente. ........................................ 45
Figura 2.22 a) Macrografía de la región procesada, b) zona de agitación (1),
c) bajo el límite de grano de la zona de agitación (2), d) figura de aros de
cebolla (3) y e) lado del límite de grano agitado (4). .......................................... 46
Figura 2.23 a) Microestructura del metal base, microestructura de
especímenes producidos con b) un pase sin partículas, c) un pase con
partículas de 5 µm de SiC, d) cuatro pases con partículas de 5 µm de SiC
sin cambio de dirección rotacional, e) cuatro pases con partículas de 5 µm
SiC con cambio de dirección rotacional y f) cuatro pases con partículas de
tamaño de 50 µm de SiC con cambio de dirección rotacional de la
herramienta. .................................................................................................................. 47
117
Figura 2.24 Discontinuidades del procesamiento de soldadura por FSW. . 50
Figura 2.25 Discontinuidades metalúrgicas presentes en el proceso
FSW. ................................................................................................................................ 52
Figura 2.26 (Arriba) Micrografía de zonas microestructurales presentes en
un metal al aplicársele cambio termodinámico mediante el proceso FSW
(Abajo) Diagrama representativo de las zonas. .................................................. 54
Figura 2.27 Macrografía donde se aprecian las regiones
microestructurales de una pieza soldada mediante el proceso FSW ........... 54
Figura 2.28 Desarrollo microestructural presenta en la soldadura FSW. .... 55
Figura 2.29 Distribución de las partículas de SiC en: a) metal base, b) zona
de transición y c) zona de agitación. ..................................................................... 56
Figura 2.30 Micrografías ópticas de las diferentes zonas a) Metal base, b)
zona de transición y c) zona de agitación. ........................................................... 57
Figura 2.31 Representación de la variante de la FSW' ‘Twin Stir'. ................ 59
Figura 2.32 Diferentes métodos del trabajo en frío. .......................................... 61
Figura 2.33 Representación de las etapas del mecanismo de
recristalización, donde el efecto de la temperatura del recocido afecta la
microestructura del material; a) metal trabajado en frío, b) poco después
de la recuperación, c) poco después de la recristalización y d) crecimiento
de grano. ........................................................................................................................ 61
Figura 2.34 Representación de la recuperación de granos de un material
después del conformado en frío ............................................................................. 64
Figura 2.35 Esquematización del mecanismo de recristalización posterior
a la recuperación además se observa el cambio de algunas propiedades
conforme va avanzando hasta llegar a su culminación ................................... 66
Figura 2.36 Representación esquemática de la recristalización estática
continúa. ........................................................................................................................ 67
Figura 2.37 Representación esquemática de la recristalización estática
discontinua. .................................................................................................................. 67
118
Figura 2.38 Desarrollo de la recristalización dinámica a) Granos iniciales
pocisionados en los límites de grano b) Estructura de collar c)
Aglomeración de granos alrededor de la estructura de collar d)
Cubrimiento total de los antiguos granos por nuevos -e) crecimiento de
los nuevos granos. ..................................................................................................... 68
Figura 2.39 Ilustración esquemática de la recristalización dinámica
influenciada por la adición de partículas de SiC durante la deformación en
caliente: a) microestructura antes de DRX, b) alta densidad de
dislocaciones alrededor de las partículas de SiC, c) los DRX’s nuclean
cerca de subpartículas de SiC y de los límites de grano y d)
microestructura después de DRX. ......................................................................... 70
Figura 2.40 Transformación isotérmica de la recristalización del cobre
rolado al 98% de pureza. ........................................................................................... 71
Figura 2.41 Diagrama esquemático de los procesos inmersos en la
recristalización; a) estado de deformación, b) recuperación, c)
recristalización parcial, d) recristalización total, e) crecimiento de grano y
f) crecimiento anormal de grano. ............................................................................ 75
Figura 2.42 Evolución de la microestructura durante a) deformación del
material y recuperación y b) recristalización dinámica. ................................... 75
Figura 2.43 Imágenes del MEB en la zona de unión obtenida a diferentes
velocidades de soldadura. a) 50 mm/min y b) 150 mm/min ............................. 78
Figura 2.44 Imágenes del MEB de los dos lados de la soldadura obtenido a
150 mm/min a) Lado de avance, b) alargamiento parcial de a, c) Lado de
vuelta y d) alargamiento parcial de c ..................................................................... 78
Figura 2.45 Resultados de los análisis EDS y XRD a) resultados del EDS en
el metal base b) en la soldadura. ............................................................................ 79
Figura 2.46 Resultados de los análisis EDS y XRD c) XRD del metal base y
d) XDR de la soldadura .............................................................................................. 79
Figura 2.47 Representación esquemática del proceso de recristalización
en la soldadura a) Fusionamiento de la matriz y fisuramiento de las
partículas de SiC, b) nucleación del aluminio-α, c) crecimiento del
119
aluminio-α y nucleación del silicio eutéctico y d) formación del eutéctico
fino. ................................................................................................................................. 80
Figura 4.1 Diagrama de flujo de las actividades realizadas para el caso de
estudio. .......................................................................................................................... 84
Figura 4.2 Dimensiones de las placas de compuesto a soldar ...................... 85
Figura 4.3 Diseño de unión de las placas por medio de la soldadura
FSW. ................................................................................................................................ 86
Figura 4.4 Herramientas con diferente geometría utilizadas en la soldadura
por FSW ......................................................................................................................... 86
Figura 4.5 Sistema de sujeción para soldar por medio de FSW. ................... 88
Figura 4.6 Soldadura FSW por medio del CNC. .................................................. 88
Figura 4.7 Micrografías de muestra de metal base A359/20%p SiC corte
transversal sin ataque a diferentes aumentos a) 20x b) 50x c) 100x. ........... 91
Figura 4.8 Micrografías de material base A359/20%p SiC corte longitudinal
a diferentes aumentos sin ataque a)50x, b)50x, se muestran medidas de
algunas partículas de SiC c) 100x. ......................................................................... 91
Figura 4.9 Micrografía de la muestra 6 soldada en donde se observa la
diferencia de algunas zonas producidas por la soldadura FSW coloreadas
por el agente Wecks, a 5X. ....................................................................................... 92
Figura 4.10 Micrografías de la muestra 3 soldada a 5X mostrando el
coloreamiento de zonas y el defecto producido por la soldadura. ............... 93
Figura 4.11 Micrografía a 5X de la muestra 6 del compuesto donde se
observa la diferencia de zonas por colores y aparente tamaño y textura de
partículas de SiC. ........................................................................................................ 93
Figura 4.12 Micrografías de la muestra 6 donde se observa un claro
cambio de la distribución de las partículas de SiC y su tamaño
dependiendo de la zona ocupada a) zona de material no afectado a 5X b)
nugget o zona de recristalización a 5X c) zona TMAZ a 5X d) zona de
material no afectado a 100X, e) nugget o zona de recristalización a 100X y
f) zona TMAZ a 100X con parámetros de 1600 rpm y 40 mm/min. ................. 94
120
Figura 4.13 Micrografías de la muestra 5 donde se observa el cambio de la
distribución de las partículas de SiC y su tamaño dependiendo de la zona
ocupada a) zona de material no afectado a 5X b) nugget o zona de
recristalización a 5X c) zona TMAZ a 5X d) zona de material no afectado a
100X, e) nugget o zona de recristalización a 100X y f) zona TMAZ a 100X
con parámetros de 1400 rpm y 50 mm/min. ......................................................... 95
Figura 4.14 Comparación de micrografías del material A359/20pSiC arriba
material base a) 5X, b) 50 X c) 100X, abajo muestra soldada a d) 5X, e) 50X
y f) 100X donde se muestra el cambio de la distribución y tamaño de las
partículas antes y después de la soldadura. ....................................................... 96
Figura 4.15 Macrografías de la muestra 3 soldada con parámetros de 1400
rpm y 50 mm/min con la herramienta sin muescas. .......................................... 98
Figura 4.16 Macrografías de la muestra 5 soldada con parámetros de 1400
rpm y 50 mm/min con la herramienta sin muescas. .......................................... 98
Figura 4.17 Macrografías de la muestra 6 soldada con parámetros de
1600rpm y 40 mm/min con la herramienta con muescas. ................................ 98
Figura 4.18 Macrografías 7 soldada a 1600 rpm y 40 mm/min con la
herramienta con muescas. ....................................................................................... 98
Figura 4.19 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una partícula de
SiC, b) tabla de contenido de dicho espécimen y c) gráfica de análisis
puntual, realizado por medio del MEB en opción de electrones
retrodispersados. ...................................................................................................... 100
Figura 4.20 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una partícula
aparente de silicio eutéctico, b) tabla de contenido de dicho espécimen y
c) gráfica de análisis puntual realizado por medio del MEB en opción de
electrones retrodispersados. ................................................................................. 100
Figura 4.21 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una partícula de
aparente intermetálico, b) tabla de contenido de dicho espécimen y c)
gráfica de análisis puntual realizado por medio del MEB en opción de
electrones retrodispersados. ................................................................................. 101
121
Figura 4.22 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de aparente
partícula de remanente de la herramienta, b) tabla de contenido de dicho
espécimen y c) gráfica de análisis puntual realizado por medio del MEB en
opción de electrones retrodispersados. ............................................................. 101
Figura 4.23 a) Micrografía de análisis puntual del MEB de una aparente
partícula de remanente de la herramienta mezclada con partícula de SiC,
b) tabla de contenido de dicho espécimen y c) gráfica de análisis puntual
realizado por medio del MEB en opción de electrones retrodispersados. 102
Figura 4.24 Micrografías de mapeo de elementos del compuesto de matriz
metálica A359 20%p/SiC .......................................................................................... 103
Figura 4.25 Gráfico demostrativo del cambio de la dureza presente en la
zona agitada de las muestras soldadas. ............................................................. 104
122
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Principales aleaciones de aluminio forjadas y propiedades
características .............................................................................................................. 16
Tabla 2.2 Principales aleaciones de aluminio de fundición y
características. ............................................................................................................. 17
Tabla 2.3 Propiedades de algunos compuestos de matriz metálicas ........... 24
Tabla 2.4 Principales ventajas y desventajas de los materiales compuestos
de matriz de aluminio ................................................................................................. 25
Tabla 2.5 Principales refuerzos utilizados en los compuestos de matriz de
aluminio ......................................................................................................................... 26
Tabla 2.6´Propiedades de los refuerzos a utilizar en los compuestos de
matriz de aluminio ....................................................................................................... 27
Tabla 2.7 Tabla de composición química (% e.p.) y propiedades mecánicas
del material A359/SiC/20p ......................................................................................... 31
Tabla 2.8 Propuesta de herramientas para soldadura FSW para diferentes
materiales compuestos a diferentes parámetros de soldadura ..................... 41
Tabla 2.9 Composición química (% e. p.) de la aleación de aluminio 5052 43
Tabla 2.10 Composición química (% e.p.)y propiedades de la aleación Al-Si
30% SiC .......................................................................................................................... 77
Tabla 4.1 Composición química (% e.p.) del material compuesto de matriz
de aluminio reforzado con partículas de SiC. ..................................................... 85
Tabla 4.2 Propiedades mecánicas del compuesto de matriz metálica
A359/20%p ..................................................................................................................... 85
Tabla 4.3 Tabla que contiene los datos característicos de las dos
herramientas utilizadas para soldar en este estudio. ....................................... 87
123
Tabla 4.4 Parámetros utilizados para la unión de las piezas de material
A359/20%p SiC por medio de FSW. ....................................................................... 87
Tabla 4.5 Solución Wecks utilizada para atacar las muestras. ....................... 89
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