6.ALEACIONES DE ALUMINIO
El aluminio ha tenido un gran incremento de
consumo porque presenta diversas ventajas:
Bajo peso específico, esto es de gran interés
en aviación y tecnología aerospacial.
Algunas aleaciones logran alta resistencia
Buena conductividad eléctrica y térmica
Alta reflectividad de la luz y el calor
Resistente a la corrosión en diversas
condiciones
No es tóxico
Se puede fundir fácilmente
Se pueden dar muchas terminaciones
superficiales, lo cual le da un atractivo
decorativo
Clasificación y Designaciones
•
•
Las aleaciones destinadas a deformación en frío o caliente se designan de
acuerdo con la Norma "Aluminum Standards and Data", Aluminum
Association Inc. 1976:
Aleación:
X1
X2
X3
X4
•
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•
•
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•
•
•
•
X1 caracteriza el principal elemento de aleación:
1  Al  99%
2  Cu
3  Mn
4  Si
5  Mg
6  Mg y Si
7  Zn
8  Otros
•
X2 indica una aleación modificada respecto de la original, de este modo si
X2 = 0, indica la aleación original.
•
•
•
X3 y X4: dependen de la serie, de esta forma se tiene que:
Para la serie 1XXX, X3 y X4 implican 99, donde X3 X4 indican el % de Al.
Para las series 2 a 8, estos dígitos no tienen un significado muy preciso,
sólo diferencian aleaciones
Designación según nivel de dureza por
deformación y recocido
•
•
•
•
•
•
F : (as fabricated), no se dan límites a las propiedades mecánicas.
O : Recocido y recristalización
H : Endurecido por deformación
T : Tratado térmicamente
El endurecimiento H se puede subdividir: HX1X2X3, donde:
- X1 =1: sólo endurecido por deformación;
=2: endurecimiento por deformación + recocido parcial;
= 3: endurecimiento por deformación + estabilización a baja
temperatura
• - X2 indica el grado de endurecimiento por deformación, donde 1 es
mínimo y 8 es máximo.
• - X3 representa las variaciones del endurecimiento indicado por X2.
Designación por tratamiento térmico
• T1 : Producto enfriado desde la temperatura de
fabricación, y luego envejecido naturalmente
• T3 : Solución, trabajada en frío y con
envejecimiento natural
• T4 : Solución con envejecimiento natural
• T5 : igual a T1, pero con envejecimiento artificial
• T6 : igual a T4, pero con envejecimiento artificial
• T7 : Solución y estabilizado
• T8 : Solución, trabajado en frío y con
envejecimiento artificial
6.1 Aluminio Puro Comercial
•
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•
•
Tiene 99,30 a 99,70% de Al.
La mayor pureza se utiliza en conductores eléctricos.
Es blando, dúctil, conformable y soldable.
Se pueden dar terminaciones superficiales de distintos tipos y tiene
buena resistencia a la corrosión.
• Típicas inclusiones que se observa en el aluminio puro son: FeAl3 y Si
• Propiedades Mecánicas Típicas
• Tipo Dureza
UTS (MPa)
YS (MPa)
•
0
90
34,5
• 1100
H14
124
117
H18
166
152
% Elongación
35
9
5
6.2 Aleaciones Al - Mn, Serie 3XXX
Si se agrega un 1,2% de Mn, lo que corresponde a la serie 3XXX, la matriz de
aluminio se endurece por solución sólida y por una fina dispersión de
precipitados (Mn, Fe)Al6. La UTS llega a 6 Kpsi y el % de elongación es del 20
%.
6.3 Aleaciones Al - Mg, Serie 5XXX
•
•
•
•
•
En general estas aleaciones
contienen 1 a 5 % de Mg.
Si bien la forma del diagrama de
fases se presta para
endurecimiento por precipitación,
este endurecimiento es
significativo solo para % Mg > 7.
La mayor cantidad de Mg queda
en solución sólida y sobre 3,5% de
Mg precipita Mg2Al3 a baja
temperatura.
El Mg endurece la aleación y le
aumenta su coeficiente de acritud,
n,
Muchas de estas aleaciones se
usan con fines decorativos, ya que
poseen buena formabilidad y
soldabilidad con arcos protegidos
con Argón.
Figura 6.3-1. Diagrama
de fases del Al-Mg.
•
6.3 Aleaciones Al - Mg, Serie 5XXX
• Propiedades Mecánicas Típicas
• Tipo
Grado
UTS (MPa)
5456
0
310
• (5,1% Mg) H323
352
YS (MPa)
159
262
%Elongación
24
10
6.4 Aleaciones Aluminio - Cobre, Serie 2XXX
El cobre es uno de los más importantes elementos de aleación del Al por
que produce considerable endurecimiento por solución sólida y
también por envejecimiento.
Algunas aleaciones Al-Cu típicas son las siguientes:
2011: 5,5% Cu; 0,4% Bi y 0,4% Pb
2025: 4,5% Cu; 0,8% Cu; 0,8% Si; se usa para piezas de forja y productos
para aviación.
2219: 6,3% Cu; 0,3% Mn; 0,06% Ti; 0,1% V; 0,18% Zr; se usa principalmente
para piezas para aviación.
En general el porcentaje de Cu es cercano al máximo que puede disolverse
en solución sólida a 548°C, esta solubilidad baja fuertemente al
descender la temperatura hasta la temperatura ambiente, la
característica antes mencionada hace posible el endurecimiento por
precipitación o envejecimiento.
6.4 Aleaciones Aluminio - Cobre, Serie 2XXX
(continuación)
•
•
•
5.4.1 Endurecimiento por precipitación de una aleación
Al - 4%Cu
1-Tratamiento de solución: se alcanza región  a 515 °C
2.- Temple rápido a temperatura ambiente o menor; es importante que este
enfriamiento sea realizado rápidamente para evitar cualquier precipitación
de CuAl2
3.- Envejecimiento o precipitación de finos precipitados de segunda fase.
5.4.1 Endurecimiento por precipitación de una aleación
Al - 4%Cu
•
•
•
•
Precipitación de Zonas Guinier Preston y CuAL2
La precipitación de la segunda fase sigue 5 etapas
secuenciales:
Solución sobresaturada
Zonas Guinier-Preston, GP1: Luego de envejecer 16
horas a 130°C se forman placas, discos, GP1, paralelos
al plano {100} de la matriz FCC. Estas placas tienen 100
Å de diámetro y unos pocos átomos de espesor, 4 a 6
Å. Se observan con microscopio electrónico, (x106), por
los campos de deformaciones en torno a ellos. Estas
zonas GP1 impiden el movimiento de dislocaciones,
aumentan la dureza y bajan la ductilidad. No se conoce
bien su estructura cristalina, pero si se sabe que su %
Cu es < que 17.
Zonas GP2: Estas zonas son también coherentes con
los planos {100} de la matriz. A medida que pasa el
tiempo, éstas se van engrosando a dimensiones de: 100
a 1000 Å de diámetro y 10 a 40 Å de espesor. Su
estructura cristalina es tetragonal con c igual a 8,08 Å y
a igual a 7,65 Å, poseen un %Cu < 17. Las zonas GP2
aumentan aun más la dureza del material.
Precipitación incoherente
Precipitación coherente
Fases θ y θ’. Sobreenvejecimiento
• Fase ': Cuando se forma la fase ' ya se produce
sobreenvejecimiento. ' no se genera a partir de
GP1 o GP2, sino que nuclea heterogéneamente en
dislocaciones y no es coherente con la matriz. Su
tamaño depende del tiempo de envejecimiento y
varía entre 100 y 6000 Å de diámetro y entre 100 y
150 Å de espesor. Su estructura cristalina
tetragonal.
• Fase : Cuando el envejecimiento se realiza a alta
temperatura, 190°C, y por tiempos prolongados se
produce la fase de equilibrio , CuAl2, ésta es
incoherente con la matriz y tiene una estructura
cristalina tetragonal centrada en el cuerpo con c
igual a 4,87 Å y a igual a 6,07 Å. Su presencia
produce sobreenvejecimiento o reblandecimiento.
Envejecimiento y sobre envejecimiento
Relación dureza – temperatura - tiempo de
envejecimiento
• La Figura 5.4-2
muestra la relación
entre temperatura y
tiempo de
envejecimiento con
la dureza adquirida.
El envejecimiento a
menor temperatura
toma tiempos más
prolongados, pero
permite alcanzar
mayores durezas,
debido a que hay
más abundante
nucleación de
precipitados que no
alcanzan a crecer
mucho.
Figura 5.4-2. Relación entre fases precipitadas y
durezas del Al-4 %Cu para envejecimiento a 130 ºC
y 190 ºC.
La Figura 5.4-3 muestra la secuencia de formación de
fases en función del tiempo y de la temperatura
(a )
(b)
(c)
Figura 5.4-3. Secuencia de precipitación de segunda fase en aleación Al 4% Cu.
(a) Al-4% Cu, calentada a 540ºC, templada en agua y
envejecida por 16 horas a 130ºC; (b) Al-4% Cu, calentada a 540ºC,
templada en agua y envejecida por 1 día a 130ºC; (c) Al-4% Cu,
calentada a 540ºC, templada en agua y envejecida por 3 días a 200ºC.
Estas aleaciones pueden endurecerse aún más si luego del temple se deforman en
frío y luego se envejecen, (tratamientos T81 y T87). La deformación en frío introduce
una mayor densidad de dislocaciones, lo cual genera una mayor cantidad de puntos
de nucleación para la segunda fase, lográndose así una más abundante nucleación
(Figura 5.4-4).
(a )
(b)
(c)
Figura 5.4-4. Secuencia de precipitación de segunda fase en aleación 2024,
mediante envejecimiento precedido por deformación plástica.
(a) Aleación 2024-T6, tratada térmicamente, templada y envejecida por 12 horas
a 190ºC;
(b) Aleación 2024-T81, tratada térmicamente, templada, deformada un 1.5% y
envejecida por 12 horas a 190ºC;
(c) Aleación 2024-T86, tratada térmicamente, templada, laminada en frío y
envejecida por 12 horas a 190ºC.
Propiedades mecánicas de aleaciones
envejecidas
Aleación
Tratamiento
Tensión
Fluencia
(Mpa)
Tensión
Máxima
(Mpa)
%
elongación
2011
T3
296
380
15
2011
T6
270
393
17
2011
T8
310
407
12
2219
O
70
172
20
2219
T31
250
372
17
2219
T62
290
415
10
2219
T87
393
476
10
5.5 Aleaciones Aluminio-Cu-Mg
•
•
La adición de Mg a las aleaciones
Al-Cu, acelera e intensifica el
endurecimiento por precipitación.
Produciéndose la siguiente
secuencia de precipitaciones:
Solución sobresaturada 
Zonas GP

(Al2CuMg)' ( S )' 
(Al2CuMg) ( S )
•
Características típicas que se
pueden obtener con aleaciones
Al-Cu-Mg se presentan en la tabla
siguiente:
La variación de la resistencia
mecánica en función del tiempo y de
la temperatura de envejecimiento se
muestra en la Figura 5.5-1. Se
observa que se obtienen mayores
resistencias con envejecimientos a
menor temperatura, aunque se
emplean tiempos más largos.
Aleación
Tratamiento
térmico
Tensión
Fluencia
(Mpa)
Tensión
Máxima
(Mpa)
% Elongación
2014
O
97
186
18
2014
T4
290
428
20
2014
T6
414
483
13
2224
O
76
186
20
2224
T3
345
483
18
2224
T4
324
470
20
2224
T6
393
476
10
2224
T86
490
517
6
Otras aleaciones endurecibles por
precipitación
•
•
Con esto se logra alta resistencia mecánica 45 a 57 kpsi con
un tratamiento T6. Además tienen buena resistencia a la
corrosión, este aspecto es importante por que las aleaciones
endurecidas por precipitación tienen menor resistencia a la
corrosión que el aluminio puro, pues se forman corrientes de
corrosión entre los precipitados y la matriz.
•
•
•
•
•
•
•
Serie 6XXX, Al-Mg-Si
Serie 7XXX, Al- Zn-Mg
Contienen 4,8% Zn y 1 a 3% Mg. Estas aleaciones desarrollan
las más altas resistencias mecánicas de las aleaciones
comerciales de aluminio. Una aleación muy conocida es la 7075,
ésta contiene como elementos aleantes:
5,6% Zn, 2,5% Mg, 1,6% Cu y 0,3% Cr.
La secuencia de precipitación es:
1. Zonas GP (coherente)
2. (MgZn2) (semicoherente)
3. (MgZn2) (incoherente)
Figura 5.6-1. Relación
entre resistencia
mecánica, temperatura
y tiempo de
envejecimiento en una
aleación 2014.
5.7 Aleaciones de Aluminio Para Piezas
Fundidas
•
•
•
•
•
•
Con estas aleaciones se busca fluidez, aptitud para alimentar el molde,
resistencia, ductibilidad y resistencia a la corrosión. Entre este tipo de
aleaciones destacan:
Aleaciones Al-Si.
Son las aleaciones de más importancia para piezas fundidas, tienen
alta fluidez, por lo que es fácil de alimentar los moldes con ella.
Además el Si no reduce la resistencia a la corrosión del Al puro. El
diagrama de fases es un simple eutéctico.
Las aleaciones más importantes son la 443 (5,3% Si) y la 413 (12%
Si). Las partículas de Si se refinan al agregar Na en pequeña
proporción, alrededor de 0,025%, así por ejemplo al agregar Na a una
aleación de 7% Si, la UTS pasa de 6 a 10%, y al refinar el Si, el Na
mejora la alimentación del aluminio en el molde.
Aleaciones Al-Mg-Si
Se puede aumentar la resistencia mecánica de los anteriores, si se
agrega 0,35% de Mg. El Mg produce un cierto envejecimiento por
precipitación. En estas aleaciones hay que disminuir su contenido de
fierro, ya que éste forma agujas, espadas, de Fe2Si2Al9, aquí el Fe
reduce drásticamente la ductilidad de 14% a 1% y la UTS de 31 a 11
kpsi.
Aleaciones Aluminio-Silicio, Al-Si
La Figura muestra el
diagrama de fases
Aluminio – Silicio, el que
presenta un punto
eutéctico.
El Silicio se desarrolla en
forma faceted.
Cuando el crecimiento se
efectúa a baja velocidad,
la fase Si se desarrolla con
formas geométricas más
regulares.
Si se agrega Na a la
aleación el Silicio toma
forma de fibras más cortas
aumentando la ductilidad
de la aleación Figura 1.818 (a).
(a)
(b)
(a) Aleación Al-Si refinamiento
mediante la adición de Na; (b)
Fibras de Si en aleación
eutéctica Al-Si modificada con
Na, observación con
microscopio electrónico de
barrido.
Aleación Al – Si hipoeutéctica
(<12,6%Si)
Islotes blancos son dendritas
de fase , muy rica en Al.
La matriz es eutéctico  + Si.
El Si aparece como agujas
muy finas, revelando que fue
refinado por adición de Na.