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1. TEMA 3:
TRATAMIENTO TÉRMICO
DE ALEACIONES LIGERAS
CIENCIA DE MATERIALES II

2. CIENCIA DE MATERIALES II 2
ÍNDICE
Introducción
Nucleación y Crecimiento
Endurecimiento por precipitación

3. INTRODUCCIÓN
CIENCIA DE MATERIALES II 3
Al menos 14 metales puros tienen densidades < 4,5 g/cm3.
De ellos el Ti, Al y Mg, se utilizan comúnmente como materiales estructurales.
Esto es debido a que el ratio propiedades mecánicas/densidad es mayor que
en el acero.
Las aleaciones ligeras deben su resistencia al:
 Endurecimiento por solución sólida
 Endurecimiento por maduración (o precipitación)
 Endurecimiento por deformación.

4. CIENCIA DE MATERIALES II 4
La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas.
• La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera
una superficie sólido-líquido que tiene una energía de superficie (energía por
unidad de superficie).
• La segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que desciende
la temperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases,
sólida y líquida.
La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento
determinará la forma y el tamaño de los granos del sólido resultante.
NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO

5. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
CIENCIA DE MATERIALES II 5
Los átomos del líquido están en agitación continua. De vez en cuando, un
pequeño grupo de átomos se juntarán, por casualidad, y formarán un
minúsculo cristal.
• Si la T>Tf del líquido, tras un tiempo corto, el cristal se disgregará.
• Si la T<Tf del líquido, existe la posibilidad de que el cristal sea
termodinámicamente estable, y continúe su crecimiento.
Existe un radio crítico, por debajo del cual el cristal se disgregará y por encima
del cual continuará su crecimiento.
A esta nucleación, se le conoce como Nucleación Homogénea.
Nucleación en líquidos

6. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
CIENCIA DE MATERIALES II 6
• Es la nucleación que tiene lugar en un líquido sobre la superficie del
recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales
estructurales que disminuyan la energía libre requerida para formar un
núcleo estable.
• Esta nucleación es la que ocurre en operaciones de fundición industrial,
normalmente varia entre 0.1 y 10 ºC el subenfriamiento.
• Para que esta se produzca, el agente de nucleación sólido debe ser mojado
por el metal líquido, además el líquido debiera poder solidificar fácilmente
sobre el agente de nucleación.
• La nucleación heterogénea tiene lugar sobre el agente de nucleación por
que la energía superficial para formar un núcleo estable sobre este material
es más baja que si el núcleo se formara sobre el propio líquido puro.
Nucleación Heterogénea

7. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
CIENCIA DE MATERIALES II 7
Nucleación en Sólidos
• Es similar a la nucleación en líquidos.
• Como los sólidos tiene alta energía de defectos (como dislocaciones, bordes
de grano y superficies) las nuevas fases nuclean de forma heterogénea.
• La nucleación homogénea, raramente ocurre, ya que no hay zonas libres de
defectos.

8. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
CIENCIA DE MATERIALES II 8
Crecimiento de grano
• La forma de crecimiento de un sólido en un líquido depende del gradiente de
temperatura delante de la interfase sólido-líquido, (S-L).
• Para producir solidificación es necesario sobreenfriar el líquido bajo la
temperatura de fusión Tf ; al formarse una cierta cantidad de sólido se expulsa
calor latente el cual eleva la temperatura de la interfase S-L produciéndose
alguna de las siguientes situaciones:

9. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
CIENCIA DE MATERIALES II 9
Crecimiento de grano
• Cuando se tiene un gradiente de temperatura positivo el calor debe ser
extraído por el sólido. El movimiento de la interfase es controlado por la
cantidad de calor removido a través del sólido. Se produce así un crecimiento
con una interfase de forma plana o redondeada, pero sin protuberancias.
• Cuando se tiene un gradiente de temperatura negativo el calor puede ser
extraído tanto por el sólido como por el líquido, por lo tanto, el movimiento de
la interfase no es controlado por la cantidad de calor removido a través del
sólido. El crecimiento del grano se produce en forma de dendritas.

10. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
CIENCIA DE MATERIALES II 10
Crecimiento de grano

11. CIENCIA DE MATERIALES II 11
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
 Endurecimiento de una matriz dúctil y tenaz, gracias a la resistencia al paso de
dislocaciones que provoca la presencia de pequeños y abundantes precipitados
de una segunda fase uniformemente dispersados en la matriz.
 El mecanismo de endurecimiento por precipitación requiere aplicar un
tratamiento térmico (no funciona en condiciones de enfriamiento de equilibrio),
ya que se requiere obtener precipitados de pequeños tamaño.
Fundamento
Una aleación para usos industriales es endurecible por precipitación si cumple:
Requisitos
 Los precipitados o fase dura deben ser solubles a alta temperatura e insolubles a
baja temperatura (La composición cruza una línea de solubilidad en el diagrama
de fases, con grandes diferencias de solubilidad al incrementar la temperatura).
 La matriz debe ser dúctil y tenaz , y el precipitado debe provocar un incremento
notable de propiedades (Dureza, Re, Rm).

12. CIENCIA DE MATERIALES II 12
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
L
α
L + α
A B
L
α
L + α
β
L + β
α + β
A B
L
α
L + α
β
L + β
α + β
A B
a) b) c)
¿A cuál de las aleaciones del metal A puede aplicarse el proceso de
endurecimiento por precipitación?

13. CIENCIA DE MATERIALES II 13
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
Diagrama parcial de fases Al-Mg-Si. Zona de las aleaciones
tratables de la serie 6XXX

14. CIENCIA DE MATERIALES II 14
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
Etapas del tratamiento

15. CIENCIA DE MATERIALES II 15
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
1. Solubilización: Calentamiento de la
solución sólida hasta una temperatura
intermedia (To), dentro de la región
monofásica α, y mantenimiento durante
un tiempo suficiente para disolver y
homogeneizar (los átomos de soluto
serán disueltos) formando una solución
sólida monofásica.
2. Temple: Enfriamiento rápido que permita
retener la fase α a T ambiente formando
una solución sólida sobresaturada fuera
de equilibrio (metaestable)
la fase α se mantiene dúctil y blanda

16. CIENCIA DE MATERIALES II 16
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
3. Tratamiento de precipitación (envejecimiento): La solución sólida sobresaturada
se mantiene a T ambiente (envejecimiento natural) o es calentada hasta una
temperatura intermedia T2 dentro de la región bifásica (envejecimiento
artificial).
Los precipitados de la segunda fase están formados por partículas finamente
dispersas dentro de la matriz (envejecimiento). No tienen movilidad suficiente
para segregarse en bordes de grano.

17. CIENCIA DE MATERIALES II 17
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN

18. CIENCIA DE MATERIALES II 18
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
Sobreenvejecimiento
• Si se excede el tiempo de envejecimiento, los granos precipitados aumentan su
tamaño.
• También aumenta la posibilidad de formación de granos incoherentes con la
estructura matriz.
• En ambos casos, se produce una disminución de las propiedades mecánicas
de la aleación.

19. CIENCIA DE MATERIALES II 19
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN

20. CIENCIA DE MATERIALES II 20
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
 W.D. Callister; Ciencia e Ingeniería de los materiales. Cp. 10
Transformaciones de fase en los metales. Ed. Reverté.
 Shackelford; Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros.
Tema 6. Cinética-Tratamiento térmico. Ed. Prentice Hall.
 Smith W.F. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales.
Tema 9: Aleaciones en ingeniería; Ed. McGraw Hill.
 D. Askeland. Ciencia e Ingeniería de los materiales. Cap. 11.
Modificación de las propiedades por transformaciones de fase y
tratamientos térmicos; Cap. 12. Aleaciones férreas. Ed.Paraninfo.