4.1 Aleaciones de aluminio.

El aluminio es un metal ligero con una densidad de 2.70 g/cm3, y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen características mecánicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. Es precisamente debido a esto que el aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automoción.
 
Tabla 13.8. Propiedades mecánicas y aplicaciones de algunas aleaciones comerciales de aluminio.
El aluminio también responde fácilmente a los diferentes mecanismos de endurecimiento, tal como se recoge en la tabla 13.8, donde se observa que el mecanismo más notable es el de endurecimiento por precipitación, donde se consigue una dureza hasta 30 veces superior a la del aluminio puro.
Por otra parte, el aluminio no suele presentar un límite de resistencia a la fatiga bien definido, de modo que la fractura puede suceder incluso a niveles muy bajos. Debido a su bajo punto de fusión, el aluminio no se comporta bien a temperaturas elevadas. Finalmente, las aleaciones de aluminio tienen escasa dureza, lo que origina poca resistencia al desgaste abrasivo en ocasiones.

Tabla 13.9. Designación de las diferentes familias de aluminio.
Las aleaciones de aluminio pueden subdividirse en dos grandes grupos, para forja y aleaciones para fundición, de acuerdo con el proceso de fabricación. Las aleaciones para forja, es decir chapas, láminas, extrusión, varillas y alambres, se clasifican de acuerdo con los elementos que contengan en aleación. Para identificar las aleaciones de aluminio se utiliza una designación numérica de cuatro dígitos, el primero de los cuales indica el grupo de aleación e indicando el segundo los límites de impurezas. Los dos últimos identifican la aleación o indican la pureza del metal. En la tabla 13.9 se recogen los diferentes grupos de aleaciones de aluminio indicándose los principales elementos de aleación de cada uno de ellos. El grado de endurecimiento o tratamiento viene expresado por letras colocadas después del número de su designación, tal como se recoge en la tabla 13.10, por ejemplo aleación 6061-T6.
Las aleaciones de aluminio para forja pueden subdividirse en dos grupos, aquellas que son tratables térmicamente y las que no lo son. Las aleaciones de aluminio para forja no tratables térmicamente no pueden ser endurecidas por precipitación y sólo pueden trabajarse en frío para aumentar su resistencia. Los tres grupos más importantes de estas aleaciones corresponden a las familias de aluminio puro, Al-Mg y Al-Mn. En la tabla 13.8 se recogen las composiciones químicas, las propiedades mecánicas y las principales aplicaciones industriales de las aleaciones más utilizadas.
Las aleaciones de la serie 1000 tienen un contenido en aluminio mínimo del 99%, siendo las principales impurezas de Fe y Si. En la aleación 1100 se añade hasta un 0.12% de Cu para aumentar su resistencia, 90 MPa. Se utilizan principalmente para conductores eléctricos y en la obtención de láminas muy finas.

Tabla 13.10. Designaciones del grado de endurecimiento de las aleaciones de aluminio.
Las aleaciones de la serie 3000 tienen como elemento de aleación principal el Mn, siendo la aleación más utilizada la 3003 que contiene un 1.2% de Mn que le proporciona una resistencia de 110 MPa en estado de recocido, utilizando muy frecuentemente cuando se requiere una buena trabajabilidad.
Las aleaciones de la serie 5000 contienen principalmente Mg, que se adiciona por su endurecimiento por solución sólida hasta cantidades de aproximadamente un 5%, figura 13.24. Una de las alea-ciones más importantes de esta serie es la 5052, que contiene un 2.5% de Mg y un 0.2% de Cr, que presenta, en estado de recocido, una resistencia de 193 MPa, utilizándose igualmente en forma de chapas para la industria del transporte tanto naval como terrestre.

Figura 13.24. Diagrama de equilibrio Al-Mg.
 
Sin embargo, el grupo quizás más importante de aleaciones está formado por aquellas que son tratables térmicamente, teniendo lugar el endurecimiento por precipitación. Tales aleaciones combi-nan elementos químicos como el Cu, Zn, Si y Mg formando las series 2000 de Al-Cu y Al-Cu-Mg, la 6000 de Al-Si-Mg y la 7000 de Al-Zn-Mg, todas ellas endurecibles por precipitación tal como se ha expuesto en la unidad 6. En la figura 13.25 se representa esquemáticamente la evolución de la dureza en las diferentes etapas del tratamiento de envejecimiento.
Figura 13.25. Evolución de las características mecánicas obtenidas en función del tiempo de envejecimiento.
 
Las aleaciones de la serie 2000 tienen como principal elemento de aleación el Cu, aunque también contienen pequeñas cantidades de Mg y algún otro elemento de aleación. Una de las aleacio-nes más importantes de la serie es la 2024, que contiene alrededor de un 4.5% de Cu, 1.5% de Mg y 0.6% de Mn, que endurece por la precipitación del compuesto intermetálico Al2CuMg, alcanzando en las condiciones T6 resistencias de hasta 442 MPa.
Las aleaciones de la serie 6000 tienen como principales elementos de aleación el Mg y Si, que al combinarse entre sí forman el compuesto intermetálico Mg2Si, que junto a otros compuestos complejos del tipo FeCrAlSi endurecen fuertemente el material. La aleación más ampliamente utilizada de esta serie, la 6061, presenta contenidos de 1.0% de mg y 0.6% de Si, junto a otros elementos como un 0.2% de Cr y hasta un 0.3% de Cu, que en condiciones de T6 alcanza resistencias de 290 MPa, utilizándose para fines estructurales de carácter general.
Las aleaciones de la serie 7000 añaden al aluminio contenidos variables de Zn, Mg y Cu que al combinarse entre sí forman compuestos intermetálicos del tipo MgZn2 que es el principal elemento endurecedor de estas aleaciones, y debido a la alta solubilidad del zinc y magnesio en el aluminio, permite una alta densidad de precipitados y por lo tanto un elevado índice de endurecimiento. La aleación más importante de esta serie es la 7075, que tiene una composición aproximada de 5.6% de Zn, 2.5% de Mg, 1.6% de Cu y 0.25% de Cr, que con un tratamiento T6 alcanza resistencias a tracción de 504 MPa. La mayor importancia de las aleaciones de esta serie está en que alcanzan mediante envejecimiento natural unas elevadas prestaciones mecánicas por lo que se utilizan ampliamente en estructuras de vehículos de transporte, principalmente en la industria aeronáutica.
Las aleaciones de aluminio para fundición se han desarrollado por sus buenas cualidades de colabilidad, fluidez y capacidad de alimentación de los moldes, así como por la optimización de las propiedades de resistencia y tenacidad o resistencia a la corrosión de estas aleaciones. En la tabla 13.8 se recogen las composiciones químicas, propiedades mecánicas y principales aplicaciones de algunas de las aleaciones más características.
El silicio, en cantidades del 5 al 12%, es el elemento de aleación más importante dentro de estas aleaciones, al aumentar sobre todo la colabilidad de las mismas. La adición de magnesio, en porcentajes del 0.3 al 1%, facilita el endurecimiento por precipitación con lo que aumenta las características resistentes. Adiciones de cobre entre el 1 y el 4% aumentan en gran medida la resistencia, sobre todo a temperaturas elevadas.
Para optimizar las propiedades resistentes de las aleaciones de fundición, se realiza el enfriamiento de las piezas en moldes que permiten elevadas velocidades de enfriamiento, lo que produce estructuras en estado sólido sobresaturadas, que tras las correspondientes etapas de envejecimiento alcanzan niveles resistentes considerables. Un buen ejemplo de la aplicación de este proceso es la fabricación de pistones para automoción, que tras su extracción del molde se somete a un tratamiento de envejecimiento que posibilita su endurecimiento por precipitación, tratamiento denominado T5.
 
4.2 Aleaciones de magnesio.
El magnesio es un metal ligero, con una densidad de 1.74 g/cm3, que compite con el aluminio para aplicaciones que requieren metales de baja densidad, a pesar de su mayor precio, alrededor del doble. Sin embargo, el magnesio y sus aleaciones muestran una serie de desventajas que limitan su utilización. Por una parte la reactividad del magnesio es elevada y sin embargo la estabilidad de sus óxidos es pobre por lo que su resistencia a corrosión es pequeña, sus características mecánicas son del orden de las correspondientes a las aleaciones de aluminio incluso de forma específica, y muestran pobres resistencia a termofluencia, fatiga y desgaste. Además, resultan aleaciones de difícil colabilidad y que en estado fundido arde en contacto con el aire, y su transformación en frío resulta igualmente difícil al cristalizar el Mg en una estructura hexagonal densa que no favorece precisamente su deformación. No obstante tiene amplias aplicaciones en la ingeniería aeronáutica y aerospacial.

Tabla 13.11. Propiedades mecánicas y aplicaciones de algunas aleaciones comerciales de magnesio.
El magnesio tiene el punto de fusión en 651°C, y cristaliza como se ha comentado anteriormente en el sistema hexagonal denso, por lo que es preferible realizar la conformación de sus aleaciones en caliente. Las aleaciones de Mg se dividen fundamentalmente en dos tipos: aleaciones de forja y aleaciones de fundición. En ambos tipos la aleaciones pueden mejorarse mecánicamente por tratamientos de deformación y tratamientos térmicos de envejecimiento.
Las aleaciones de fundición suelen incorporar Al y Zn, ya que estos elementos contribuyen a un endurecimiento por solución sólida, tal como se aprecia en el diagrama de equilibrio de la figura 13.26. La introducción de tierras raras, principalmente cerio, en su composición forma precipitados del tipo Mg9R, que durante la solidificación precipitan en borde de grano formando una fina red frágil.
Las aleaciones de forja, incorporan igualmente Al y Zn como principales elementos de aleación, que además de endurecer el material por solución sólida lo hacen por precipitación de compuestos del tipo Mg17Al12 en los tratamientos de envejecimiento de estas aleaciones. El torio y el circonio también forman, con el magnesio, precipitados endurecedores que estabilizan las características de la aleación a elevadas temperaturas, alrededor de los 425°C.
Figura 13.26. Diagrama de fases Mg-Al.
 
4.3 Aleaciones de titanio.
El titanio es un metal relativamente ligero (densidad de 4.54 g/cm3), altamente reactivo y que presenta una transformación alotrópica de una estructura hexagonal densa a temperatura ambiente a una estructura c.c. (b) a 883°C.
El titanio es un metal caro, precisamente por su elevada reactividad, debido a su dificultad de extracción y transformación. A elevadas temperaturas se combina fácilmente con el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, carbono y hierro, por lo que es necesario la aplicación de técnicas de vacío durante su conformado. No obstante su elevada reactividad, el óxido obtenido es muy estable, por lo que puede utilizarse el titanio y sus aleaciones, una vez pasivado, en aplicaciones de resistencia a la corrosión en ambientes agresivos como ambientes marinos y soluciones cloruradas.
La resistencia del titanio es muy elevada, 684 MPa para el Ti de pureza 99.0%, por lo que tanto el Ti como sus aleaciones pueden competir favorablemente con las aleaciones de Al para algunas aplicaciones aerospaciales, a pesar de su mayor precio, alrededor de unas 5.7 veces superior.
La adición de elementos de aleación modifica la temperatura de transformación alotrópica del titanio, pudiendo dividir las aleaciones en cuatro grupos diferentes tal como se muestra en la figura 13.27. La adición de estaño produce un endurecimiento por solución sólida sin afectar apreciablemente la temperatura de transformación, figura 13.27a. El aluminio, el oxígeno, el hidrógeno y otros elementos estabilizan la fase a, incrementando la temperatura a la cual a se transforma en b. Elementos como el vanadio, tántalo, molibdeno y niobio, estabilizan por el contrario la fase b, haciendo incluso que la fase b sea estable a temperatura ambiente. Finalmente, el manganeso, cromo y hierro, presentan diagramas con transformación eutectoide, reduciendo la temperatura a la cual sucede la transformación a ® b, y produciendo la estructura bifásica, por la transformación eutectoide, a temperatura ambiente.

Figura 13.27. Diagrama de equilibrio de diferentes aleaciones de titanio con: a) estaño, b) aluminio,
c) manganeso, y, d) molibdeno.

Es debido a esto, que el titanio y sus aleaciones se clasifican en cuatro grupos, cuyas propiedades mecánicas fundamentales se recogen en la tabla 13.12, y que pasamos a comentar a continuación:

Tabla 13.12. Propiedades de algunas aleaciones de titanio.
Titanio comercialmente puro. Este metal es relativamente débil, perdiendo su resistencia a temperaturas elevadas, pero tiene una elevada resistencia a la corrosión. En la figura 13.28 se observa la evolución de las propiedades mecánicas, caracterizadas por el límite de elasticidad con la temperatura de ensayo. Las aplicaciones de estas aleaciones incluyen intercambiadores de calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas, para las industrias química y petroquímica.
Figura 13.28. Disminución del límite elástico de diferentes aleaciones de Ti con la temperatura.

Aleaciones de titanio alfa. Estas aleaciones contienen normalmente un 5% de aluminio y 2.5% de estaño, ambos elementos son estabilizadores de la fase a y endurecedores por solución sólida. Estas aleaciones tienen una resistencia a la corrosión y a la oxidación bastante elevada, manteniendo su resistencia a elevadas temperaturas, resultando con una soldabilidad conveniente y normalmente poseen aceptable ductilidad y conformabilidad a pesar de su estructura hexagonal. Las aleaciones alfa se tratan, mediante recocido, a elevadas temperaturas en la zona b, enfriándose posteriormente. Si el enfriamiento es rápido, resulta una estructura a de grano acicular fino, en tanto que un enfriamiento lento, en horno, proporciona una estructura de placas tipo Widmanstaetten, figura 13.29.

a)
b)

Figura 13.29. a) Tratamiento térmico, y, b) microestructura de Ti a enfriado rápidamente. Estructura Widmastaetten de fase a.
 
Aleaciones de titanio beta. Aunque elevadas adiciones de vanadio o de molibdeno producen una estructura enteramente b a temperatura ambiente, ninguna de las aleaciones beta están aleadas hasta ese extremo. En lugar de esto, se combinan los estabilizadores, b, de modo que el enfriamiento rápido produce una estructura b metaestable. Estas aleaciones, por lo tanto, pueden ser tratadas térmicamente, respondiendo a procesos de endurecimiento por precipitación con los que se consigue aumentar la resistencia. Sus aplicaciones incluyen remaches de alta resistencia, vigas y otros elementos estructurales para uso aerospacial.
Aleaciones de Ti a + b. Las aleaciones a + b pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación se solubiliza cerca de la temperatura de transformación en fase b, figura 13.30, lo que permite que todavía quede cierta cantidad de fase a para evitar el crecimiento de grano. Después, la aleación se enfría rápidamente para formar una solución sólida sobresaturada metaestable b' o martensita de titanio a'. Posteriormente, la aleación es envejecida o revenida alrededor de 500°C. Durante el envejecimiento, las fases a y b anteriores al enfriamiento, y los precipitados de las fases b' o a', aumentan considerablemente la resistencia de la aleación.

a)
b)
Figura 13.30. a) Esquema de los tratamientos térmicos de las aleaciones a + b. b) Microestructura conteniendo fase a primaria y una matriz b oscura con agujas de a' formadas durante el envejecimiento.

Normalmente, la martensita de titanio se forma en las aleaciones a + b con menor contenido en elementos de aleación, mientras que la fase b sobresaturada se forma con mayor facilidad cuando el contenido de elementos de aleación se acerca a la composición de la fase b estable. La martensita de titanio tiene el aspecto típico acicular. Durante el envejecimiento, la fase a precipita en una estructura Widmanstatten que mejora las propiedades resistentes manteniendo la tenacidad elevada. Los componentes para estructuras aerospaciales, motores a reacción y trenes de aterrizaje son algunas aplicaciones típicas de estas aleaciones a + b tratadas térmicamente. La aleación Ti6Al4V es la más utilizada en la industria tanto aeronáutica, como en la industria de prótesis quirúrgicas, ya que combina elevadas resistencias mecánicas y a corrosión, junto a propiedades de superplasticidad a deformaciones lentas y posibilidad de soldadura por difusión que amplia sus aplicaciones.