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INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE HOMOGENIZACIÓN Y REENVEJECIMIENTO (RRA) EN LAS PROPIEDADES DE TENSIÓN, DUREZA, IMPACTO EN EL

ALUMINIO 7075 T6511

Cesar Augusto Hernández2

Yeniree Perez Amortegui3

Resumen Por su bajo peso y buenas propiedades mecánicas, las aleaciones de aluminio se

han empleado en la fabricación de diferentes componentes estructurales. La serie de

Aluminio 7XXX, puede ser tratada térmicamente con las técnicas de homogenización

y envejecimiento (RRA), varia su relación esfuerzo/peso, satisfaciendo las

demandas requeridas en la industria. Para esta investigación se seleccionó la

aleación aluminio 7075 T651; empleando la secuencia de tratamientos térmicos de

homogenización a 500°C por 2 horas y otra 210°C durante una hora, ambas

enfriadas en agua, luego se aplicó un envejecimiento a 150°C y 180°C con un

intervalo de tiempos de 2,4,8,12,18, horas respectivamente. Para analizar el

comportamiento del material se realizó un diseño experimental, estableciendo el

número adecuado de probetas y estudiar el comportamiento de las propiedades de

tensión, dureza e impacto, con relación a la condición inicial de la aleación de

Aluminio 7075 T651. Los resultados son plasmados por medio de graficas de

comportamiento, mostrando la relación tiempo vs temperatura en las propiedades

mecánicas. El tratamiento térmico de envejecimiento, afecta significativamente las

propiedades de la aleación, disminuyendo las propiedades de dureza e impacto a

180°C entre 8 y 12 horas. Por otra parte las propiedades de tensión también

disminuyeron a 150°C a 18 horas.

1 VI Conferência brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico. 2 Estudiante de Ingeniería Mecánica (Universidad Libre de Colombia). 3 Estudiante de Ingeniería Mecánica (Universidad Libre de Colombia).

TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

201

Palabras-clave: Rehomogenizacion, Reenvejecimiento, aluminio 7075-T651,

tratamientos térmicos.

INFLUENCE OF HEAT TREATMENT TO RETROGRESSION AND REAGING

(RRA) IN THE PROPERTIES OF TENSION, HARDNESS, AND IMPACT IN THE 7075-T651 ALUMINUM

Abstract Because of its low weight and good mechanical properties, aluminum alloys have

been used in the manufacture of various structural components. 7XXX aluminum

alloy can be heat treated with the techniques of blending and aging (RRA), thus

changing their relationship to weight effort required to meet the demands in the

industry. For this investigation were selected T651 7075 aluminum alloy, using the

sequence homogenization heat treatments at 500 ° C for 2 hours and another 210 °

C for one hour, cooled both in water, then applied aging at 150 ° C and 180 ° C with

a time interval of 2,4,8,12,18, hours respectively. To analyze the behavior of the

experimental design was carried out by setting the appropriate number of samples

and study the behavior of the tensile properties, hardness and impact, relative to the

initial condition of the aluminum alloy 7075 T651. The results are embodied through

behavior graphs showing the relationship between time versus temperature on the

mechanical properties. Aging heat treatment significantly affects the properties of the

alloy, where the highest test score for investigations of this material was found at 180

° C between 12 and 18 hours. The change in tensile strength properties in the alloy

selected, is consistent with the theory, the precipitation and dissolution of zinc

compounds directly affects the material properties, and for each type of alloy this

peak occurs at different times but at the same temperature of 180 ° C.

Key Words: Retrogression, Reaging, Aluminum 7075-T651, Heat Treatment.


202

1. INTRODUCCIÓN La aleación de Aluminio serie 7XXX (Zinc-Resistencia de moderada a muy alta;

tratada térmicamente), empleada en fabricación de componentes estructurales de

aviones, diferentes tipos de construcciones, equipo marino, industria automotriz,

llaves y acoplamientos hidráulicos. Los autores del texto el Aluminio y aleaciones de

aluminio1 enuncian que en sus componentes estructurales (que soportan carga), el

82% de una aeronave Boeing 747 (y el 79% de una aeronave Boeing 757) es

aluminio. Tomando así como factor de importancia la elevada relación

resistencia/peso, su resistencia a la corrosión frente a muchos productos químicos,

su no toxicidad, su apariencia y su facilidad de conformado y de maquinabilidad:

también son antimagnéticos. Además de tan grandes propiedades es tratada

térmicamente con las técnicas de homogenización y envejecimiento (RRA) como

método para la corrosión bajo tensión y dureza, sabiendo que el mecanismo de

refuerzo principal de estas aleaciones es el envejecimiento artificial, comúnmente

conocido como el endurecimiento T6. Por la gran fuerza especifica que brinda.

Desde 1974 se han propuesto varios procesos para mejorar las propiedades de la

aleación de aluminio 7075, publicando varios artículos con respecto a la mejora en

las propiedades mecánicas, consecuente a ello grandes entidades industriales, R.J.

Bucci and C.J. Warren2 toman como ejemplo Alcoa Inc. (Uno de los productores

líderes de Aluminio en el mundo) han patentado diferentes procedimientos, como el

tratamiento térmico basado en RRA en el año de 1980 para aleaciones 7050, 7055,

7150, para ser utilizadas en aplicaciones de fuselajes estructurales que requieren

una combinación de fuerza y gran tenacidad con una mayor resistencia a la

corrosión.

La investigación pretende; Analizar la influencia de los tratamientos térmicos de

homogenización y reenvejecimiento en las propiedades mecánicas de tensión,

dureza, impacto y corrosión en el aluminio 7075 T651.

Además; desarrollar un análisis experimental para establecer el número de probetas

a fabricar, teniendo en cuenta las variables de tiempo y temperatura que influyen en

las propiedades del material. Preparar probetas de la aleación aluminio 7075 T651

de acuerdo a la norma ASTM E83 y ASTM E234, para la realización de los ensayos


203

mecánicos de tensión e impacto Charpy. Implementación de los tratamientos

térmicos de homogenización a la temperatura de 500 °C por 2 horas, otra a 210 °C

por una hora, un reenvejecimiento a las temperaturas de 150 °C y 180°C para unos

tiempos de 2, 4, 8, 12, 18, horas (cada una de las secuencias de tratamientos

térmicos se enfriara en agua). Por otro lado realizar los ensayos de tensión,

impacto y dureza. Finalizando con el análisis de resultados, de los ensayos

mecánicos, registrando las variaciones en las propiedades de tensión, impacto y

dureza en la aleación de aluminio 7075 T651, antes y después de implementar los

tratamientos de homogenización, y reenvejecido para cada una de las temperaturas

y tiempos.

2 MATERIALES Y METODO 2.1 MATERIALES El material empleado en esta investigación es la ya mencionada aleación de

Aluminio 7075 -T651, muy utilizada en situaciones en las que se requiera una gran

resistencia mecánica y ligereza la composición química se muestra en la tabla 1 (en

% en peso), en la tabla 2 las Propiedades Mecánicas en Tracción. La aleación tiene

un límite elástico y de rotura muy superior al resto de las aleaciones basadas en

aluminio por lo cual tiene una resistencia a durezas y fatiga superiores.

Tabla 1. Composición Quimia (en % peso) de la Aleación de Aluminio 7075-T6.

Fuente: El Aluminio y sus Aleaciones.

Tabla 2. Propiedades Mecánicas en Tracción.

Aleación (MPa)

(Mpa)

Alargamiento 50mm (%)

E (Gpa)

( / )

7075-T6 570 505 11 71 25 Fuente: Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, Santiago de Chile.

Las dimensiones originales del material para las probetas se encontraban en forma

de bloque con medidas en pulgadas de; 3 in de ancho, 4 in de alto y 10 in de

profundidad, posteriormente mecanizadas para los ensayos de tensión e impacto.

Las probetas de sección rectangular para el ensayo de Tensión, fueron mecanizadas

dentro de lo admisible de la Norma ASTM E8-00, con las dimensiones que se

muestran en la Figura 1, longitud total de 9 in, longitud de prueba de 2 in, Ancho de

% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr+Ti Otros AlMin 1,20 2,10 0,18 5,10Max 0,40 0,50 2,00 0,30 2,90 0,28 6,10 0,20 0,15 Resto


204

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205

2.2 METODO Para conocer cómo influye la Homegenizacion y Reenvejecimiento en el material

seleccionado, se lleva a cabo los distintos tratamientos térmicos, Medición de

Dureza, Ensayos de Impacto y Ensayos de Tensión.

2.2.1 TRATAMIENTO TERMICO Los tiempos se escogieron de acuerdo a las gráficas de envejecimiento del ASM

metals handbook Volumen 4, las cuales trabajan de 12 a 72 horas y con

temperaturas comprendidas entre los 150°C y 210°C. Para cada Aluminio se diseñó

una prueba experimental que arrojó como resultado tres probetas por cada tiempo y

temperatura para un total de 45 por aluminio, probetas fabricadas de acuerdo a la

norma ASTM E-8-03. Luego de mantenerlo en el horno a las temperaturas y tiempos

mencionados se enfriaron en agua.

El tratamiento térmico se realiza en una mufla Thermolyne ThermoScientific, primero

aplicando la Homegenizacion, seguida de una rehomegenizacion a todas las

probetas de análisis, como se muestra en la Figura 3. Secuencia de Tratamientos

Térmicos Aleación Aluminio 7075-T651. Luego con las temperaturas y tiempos que

se muestran en la Tabla 5. Se realizan los respectivos envejecimientos.

Figura 3. Secuencia de Tratamientos Térmicos Aleación Aluminio 7075-T651.

Fuente: Autores del Proyecto. 2012

Tabla 5. Cronograma Tratamiento Térmico.

Fuente: Autores del Proyecto. 2012

150ºC 180ºCTiempo Exposición 2 Horas 6 6Tiempo Exposición 4 Horas 4 6Tiempo Exposición 8 Horas 4 4Tiempo Exposición 12 Horas 6 6Tiempo Exposición 18 Horas 6 4

ProbetaCantidad


206

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2.2.3 PLa prue

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3 RES3.1 ProLos re

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207

que presenta el material sin las rehomogenizaciones y el reenvejecimiento realizado,

observado en las Figuras 6 y 7. Figura 6. Variación de la dureza HR-A para el aluminio 7075 T651, envejecido a 150°C y 180°C durante 2, 4, 8, 12, 18 horas enfriado en agua.

Fuente: Autores del Proyecto 2012

Figura 7. Variación Porcentual de la dureza HR-A para el aluminio 7075 T651, compara con la dureza del material sin tratamientos térmicos.

Fuente: Autores del Proyecto 2012 Los resultados de la prueba de impacto para cada envejecimiento se muestran en

las Tabla 6 y la Figura 8.

La Tabla 6 muestra los resultados de la energía absorbida para cada uno de los

envejecimientos con sus respectivos tiempos, se observa un aumento significativo

de la energía absorbida, comparado con el material en estado de entrega. Tabla 6 Variación porcentual de la energía absorbida (Joules), para el aluminio 7075 T651 envejecido a 150 °C y 180°C durante 2, 4, 8, 12, 18 horas enfriado en agua.

0

10

20

30

40

50

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0 2 h 4 h 8 h 12 h 18 h

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HR-A 150

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-5% 2 h 4 h 8 h 12 h 18 h

150 °C

180 °C


208

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temper

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de 180Figura 9dureza d

Fuente: A 3.2 EnsEn las

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209

Figura 10.Diagramas esfuerzo-deformación para el aluminio 7075 T651, envejecido a 150°C durante 2, 4, 8, 12, 12 horas enfriados en agua.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,011 0,012 0,013

σ(E

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Sin TT

2h

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12h

18h

Fuente: Autores del Proyecto 2012 Figura 11 Diagramas esfuerzo-deformación para el aluminio 7075 T651, envejecido a 180°C durante 2, 4, 8, 12, 12 horas enfriados en agua.

0

50

100

150

200

250

300

350

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0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,011 0,012 0,013

σ(E

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Mpa

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ɛ(m)

SinTT2h

4h

8h

Fuente: Autores del Proyecto 2012

En la Figura 12, se muestra el porcentaje de elongación, para los tiempos de

envejecimiento a 150°C y 180°C. Figura 12.Porcentaje de Elongación para el aluminio 7075 T651, envejecido a 180°C durante 2, 4, 8, 12, 12 horas enfriados en agua.


210

Fuente: Autores del Proyecto 2012 4 DISCUSIÓN Como se observa en la Figura 6, los valores de dureza disminuyeron para ambas

temperaturas, comparándolos con el valor del material sin tratamiento térmico (53,36

HP-A), para los tiempos de envejecimiento de 2h, 12h, 18h los valores de dureza no

estuvieron tan alejados del valor inicial, para esta temperatura el valor más lejano

estuvo para el tiempo de 8 horas con una dureza de 29,60 HR-A. Para la

temperatura de 180°C el pico más bajo se presentó también para el tiempo de 8

horas con una dureza de 25,43 HR-A, esto comparado con el comportamiento de los

valores de dureza según los autores Ning Ai-Lin y 172, LIU Zhi-yi, los cuales

demuestran un aumento en la dureza para el tiempo de 10 min.

En el caso de la propiedad de la resistencia al impacto, parara todos los tiempos

aumento la energía absorbida, teniendo un aumento del 182 %, para el tiempo de 8h

y 150°C como valor más alto, para la temperatura de 180°C el aumento fue de 194

% en el tiempo de exposición de 12h, como valor más alto.

Como se muestra en las Figuras 10 y 11, se evidencia que las propiedades en el

ensayo de tensión disminuyeron comparadas con las propiedades del material sin

tratamientos térmicos, disminuyo el esfuerzo de fluencia para todas temperaturas y

tiempos. En la Figura 12 se observa el porcentaje de elongación para todas las

temperaturas y tiempos de exposición, presentando un mayor porcentaje de

elongación el tiempo de 2h a la temperatura de 180°C con un 8,5% y un minimo de

5,13%, para un T=150°C y t=2h.

2h 4h 8h 12h 18h% E - 180 °C 8,50% 7,91% 8,08% 8,25% 7,95%% E - 150 °C 5,13% 7,31% 8,29% 6,67% 7,65%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

% ɛ

(Elo

ngac

ion)


211

5 CONCLUSION El tratamiento térmico de envejecimiento en aleaciones de aluminio afecta

significativamente las propiedades del material, encontrando que para el aluminio

7075-T651 todas sus propiedades disminuyeron en Tension, dureza y aumentando

el de impacto. Llevando al material a un comportamiento de mayor ductilidad. Se

recomienda realizar los envejecimientos a tiempos menores 2 horas y tomar las

durezas antes de realizar los envejecimientos.

Agradecimientos Los autores expresan sus agradecimientos a:

Mg. Carlos Arturo Bohórquez, por el proceso la colaboración durante todo el proceso

que llevo el proyecto al igual como docente en el transcurso de nuestra carrera

formándonos como ingenieros y guiándonos a culminar con éxito nuestro proyecto.

Y a nuestros padres por su apoyo incondicional.

REFERENCIAS 1 SEROPE, KALPAKJIAN.; STEVEN., SCHMID. Manufactura, ingeniería y tecnología. V. 4,n.6,p. 157-159. 2001. 2 R.J. BUCCI AND C.J. WARREN: J. Aircraft. 2000 vol 37 (1), pp 122-29. 3 ASTM E8 / E8M - 11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials 4 ASTM E23 - 07ae1 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials


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INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE · PDF filealeación aluminio 7075 T651; empleando la secuencia de tratamientos térmicos de homogenización a 500°C por 2...

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