Envejecimiento del metal, tipos, artificial, natural, cómo ocurre y de qué depende

Envejecimiento de los metales un proceso bastante lento que produce cambios mecánicos y alteraciones en las propiedades físicas y químicas.

En envejecimiento de los metales está influenciado por una serie de factores, entre ellos:

• movimiento térmico de átomos y moléculas;
• impacto mecánico (diversas cargas de flexión/compresión/desgarro, etc.);
• radiación luminosa (especialmente radiación invisible para los humanos);
• campo magnético (magnetización/desmagnetización), etc.

La esencia del envejecimiento del metal reside en que alcanza un estado de equilibrio, durante el cual sus propiedades se desvían de lo normal. En concreto, el material puede volverse más blando, quebradizo, menos elástico, etc.

Tipos de envejecimiento de metales

Se distingue entre envejecimiento natural y artificial.

El envejecimiento artificial del metal consiste en la rápida adquisición de la composición y las propiedades deseadas. Se logra mediante tratamiento térmico y deformación plástica. Por ejemplo, en la producción de duraluminio, se envejece artificialmente durante varias horas.

El envejecimiento natural se produce de forma natural y no requiere condiciones adicionales. Sin embargo, el proceso es más intenso con periodos más largos y temperaturas cercanas a los 20 °C.

Aplicación de procesos de envejecimiento en metalurgia y metalmecánica

El envejecimiento, como tratamiento adicional, se utiliza como paso final. Se aplica a ciertos metales y aleaciones en los que una solución sólida sobresaturada puede precipitar el exceso de componentes y descomponerse espontáneamente con el tiempo. Este método es especialmente útil para preparar materiales para la producción de componentes y piezas individuales, para los cuales el proceso descrito anteriormente es crucial.

Tras el envejecimiento, la dureza y la resistencia del metal aumentan, pero su viscosidad y ductilidad disminuyen. Sin embargo, es importante destacar que estos valores se mantienen durante toda la vida útil del material.

El envejecimiento del acero se realiza para modificar su estructura interna y se aplica después del temple. La solución de ferrita sólida resultante, saturada de nitrógeno y carbono, se descompone al calentarse. Dependiendo del volumen de inclusiones de carbono en el material envejecido, la estructura interna adopta las siguientes formas:

• cúbico;
• esférico;
• en forma de disco (en forma de placas delgadas);
• en forma de aguja.

El tratamiento térmico (envejecimiento artificial del metal) se aplica a aleaciones en las que la solubilidad de un elemento en estado sólido se reduce significativamente. Esta propiedad se acentúa al disminuir la temperatura.

En aceros con bajo contenido de carbono, no superior a 0,051 TP3T, el envejecimiento artificial provoca la descomposición de la solución alfa sólida sobresaturada. Como resultado, precipitan las fases sobrantes. Tras este tratamiento, la ductilidad disminuye, pero la dureza y la resistencia aumentan significativamente. Estas son precisamente las cualidades que se suelen requerir en el producto metalúrgico final.

El modelo de Orowan

La figura muestra el modelo de Orowan, que ilustra claramente el movimiento de dislocación. El efecto máximo se puede lograr mediante el envejecimiento natural. Sin embargo, esto requiere un tiempo considerable, lo cual no es rentable ni práctico para una producción continua a gran escala (no es como reposar vino o coñac en barricas). Por lo tanto, existen métodos artificiales para acelerar estos procesos naturales (es una pena que no se pueda hacer lo mismo con el whisky). Sin embargo, cabe destacar que el envejecimiento artificial reducirá significativamente las propiedades de resistencia del material.

Dureza en función del tiempo de envejecimiento

El gráfico mostrado demuestra claramente el problema descrito anteriormente: reducir el tiempo de envejecimiento del metal no aumenta sus características de resistencia.

El proceso de envejecimiento depende en gran medida del carbono y el nitrógeno. Esto es especialmente evidente en los aceros con bajo contenido de carbono. El nitrógeno se disuelve con menos facilidad en el hierro alfa a medida que disminuye la temperatura. Por ejemplo, a 590 °C, el contenido de nitrógeno disuelto es de 0,11 TP₃T, pero a 20 °C, su contenido desciende a 0,0041 TP₃T. Durante el envejecimiento, la solución alfa libera nitruros. Por lo tanto, el efecto del nitrógeno es menos pronunciado que el del carbono bajo influencias térmicas.

A medida que aumenta el contenido de carbono del acero, aumentan los cambios estructurales producidos por el tratamiento térmico. La cantidad máxima de carbono que se puede disolver en el hierro alfa es de 0,02-0,041 TP3T. Con este contenido, un producto templado y sometido a envejecimiento natural presenta una dureza una vez y media mayor que la obtenida tras el recocido.

El envejecimiento es el principal método para aumentar la resistencia de las aleaciones termorresistentes (aleaciones con alto contenido de níquel). Este grupo también incluye las aleaciones de aluminio, cobre y magnesio. Además, la estructura modificada de estos metales y aleaciones les confiere coercitividad.

El aluminio y las aleaciones de aluminio y cobre se degradan a diferentes temperaturas (superiores a 100 °C) debido a las diferencias en las temperaturas de descomposición estructural de los distintos metales. Por lo tanto, se distingue entre descomposición estructural a baja y alta temperatura.

La descomposición de una solución sólida se produce de dos maneras. En el primer caso, la formación y el crecimiento de las partículas de fase se produce en todo el volumen. En el segundo caso, la descomposición es discontinua (celular). Durante este proceso, las células crecen en colonias. Las colonias tienen una estructura celular y el crecimiento se produce desde el límite de grano hacia el interior, disminuyendo de tamaño.

Envejecimiento mecánico y térmico

Existen dos tipos de envejecimiento del metal: térmico y mecánico. Analicemos cada uno con más detalle.

Envejecimiento térmico

La fase que refuerza el metal durante el tratamiento térmico se produce en su punto máximo. Es aquí donde se produce la fase de solución metaestable en la zona Guinier-Preston. Este tipo de reforzamiento de metales y aleaciones se conoce comúnmente como reforzamiento por dispersión.

Dependencia de la resistencia con el tiempo y la temperatura de envejecimiento

Con una exposición más prolongada, comienza el sobreenvejecimiento, lo que implica una reducción de las características de resistencia. Esto se ve influenciado por:

• coagulación;
• sustitución parcial de partículas por otras incoherentes.

Tipos de envejecimiento térmico del metal:

• Dos etapas: enfriamiento, luego mantenimiento a la temperatura de sustitución y luego mantenimiento a una temperatura elevada para lograr la homogeneidad de la solución sólida.
• Temple – temple y una etapa de mantenimiento con enfriamiento natural.
• Natural - para aleaciones de aluminio.
• Artificial – para aleaciones de metales no ferrosos mediante calentamiento a una temperatura superior a la utilizada para la destrucción natural.
• Estabilización: la alta temperatura de envejecimiento y el largo período de retención ayudan a mantener las dimensiones y propiedades de la pieza.

Envejecimiento mecánico del metal

La destrucción del acero por fuerzas de deformación ocurre en un rango de temperatura inferior al del proceso de recristalización. Esto se debe a la formación y el movimiento de dislocaciones. La deformación plástica en frío aumenta la densidad de dislocaciones, que aumenta aún más con el aumento de las cargas.

Los cambios en las propiedades mecánicas del metal provocan que los átomos de carbono y nitrógeno se desplacen hacia las dislocaciones ubicadas en la solución alfa. Al llegar a las dislocaciones, los átomos forman nubes (atmósferas de Cottrell). Estos cúmulos impiden el movimiento de las dislocaciones, lo que provoca un cambio en las propiedades. Aparecen las propiedades inherentes a las piezas envejecidas por calor.

Si bien el nitrógeno, el níquel y el cobre afectan significativamente el efecto de envejecimiento por deformación, la adición de vanadio, titanio y niobio elimina por completo este efecto. Por lo tanto, se recomienda utilizar acero con un contenido de aluminio de 0,02-0,071 TP3T.

Modos recomendados para el envejecimiento

Tratamiento térmico:

• para aceros con alto contenido de carbono: temperatura de aproximadamente 130°C-150°C, tiempo de mantenimiento de aproximadamente 25-30 horas;
• Para aleaciones de metales no ferrosos: temperatura de aproximadamente 250°C, tiempo de mantenimiento de aproximadamente 1 hora.

Procesamiento de plástico:

• para un proceso natural: temperatura de unos 20°C;
• Para flujo de proceso artificial: temperatura de aproximadamente 250°C, tiempo de mantenimiento de aproximadamente 1 hora.

La temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento se seleccionan individualmente para cada grado de metal y aleación dependiendo de su composición.