Resumen

El aluminio AA7475 se utiliza comúnmente como material estructural en los sectores aeroespacial y automotriz, como vigas de ala de avión, cubierta de fuselaje, estructura del fuselaje y componentes de automóviles. No obstante, estos elementos enfrentan condiciones de carga complejas durante su uso, por lo que es necesario obtener datos experimentales fiables de tensión y deformación biaxiales, así como de fluencia, para garantizar su seguridad y optimizar el diseño.

En septiembre de 2024, la revista *Journal of Alloys and Compounds* publicó un estudio del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto de Tecnología de la India sobre la evolución de la trayectoria de fluencia y la textura de la aleación de aluminio AA7475-T761 bajo cargas biaxiales planas, con el objetivo de investigar cómo la textura cristalina inicial influye en la respuesta a la deformación biaxial de esta aleación bajo distintas relaciones de carga.

Este estudio se basa en muestras en forma de cruz y realiza ensayos con cinco relaciones de carga: 2:1, 4:3, 1:1, 3:4 y 1:2,comparando su deformación con la obtenida bajo carga uniaxial. Se analiza el comportamiento de fluencia de la aleación de aluminio AA7475-T761 bajo grandes deformaciones en distintas condiciones de carga, y se emplean la difracción de rayos X con dispersión electrónica de fondo (EBSD) y la difracción de rayos X para analizar la microestructura y la evolución de la textura en las zonas de fractura de las muestras.

Diseño de ensayo

Se utilizó una lámina de aluminio AA 7475, sometida a un proceso de recocido T-761 con un espesor de 2,5 mm. En cada brazo se diseñaron tres ranuras de 2 mm de ancho y 40 mm de largo; la zona de marcación representaba el 40% del espesor total de la lámina, lo que permitió lograr una deformación uniforme y significativa.

                                                    Figura 1: Tamaño de la muestra en forma de cruz utilizada

La máquina de ensayo biaxial utilizada en este trabajo es la máquina de ensayo de fatiga biaxial plana servo-hidráulica MTS 100 kN, y todos los ensayos biaxiales se realizan bajo control de carga según la proporción de carga. De las cinco proporciones de carga mencionadas, la tasa de carga más baja se mantiene fija en 1 kN/min. Se emplean dos cámaras CCD de 1280 x 1024 píxeles y 2000 fotogramas por segundo para capturar imágenes DIC, tomando fotografías a 2 fotogramas por segundo, y se utiliza el software VIC-3D para analizar y determinar el desplazamiento y la deformación de la pieza de ensayo.

Resultados de los ensayos

Debido a la anisotropía plana del material, el AA7475 presenta respuestas diferentes en la dirección de laminado (RD) y en la dirección transversal (TD). La deformación total en la dirección TD es menor que en la RD, lo que indica que la amplitud de deformación de las muestras TD es menor que la de las muestras RD, un resultado similar al observado en ensayos de tracción uniaxial. La deformación máxima observada bajo carga biaxial es del 7,8 % en la dirección RD, muy cercana a la deformación uniaxial en RD. En la Figura 3, la resistencia al flujo biaxial es mayor que la resistencia al flujo uniaxial tanto en la dirección RD como en la TD.

Figura 3: Curvas de tensión-deformación biaxiales del AA7475-T761 bajo diferentes ratios de carga: (a) RD y (b) TD

En diferentes ratios de carga, la rotura se produce en el centro de la muestra en cruz. Cuando el ratio de carga es 1:2 y 3:4, la falla ocurre en la dirección opuesta a la de la carga mayor, lo que indica que en el TD se aplica una fuerza mayor. Cuando el ratio de carga es 2:1 y 4:3, la falla también se produce en la dirección opuesta a la de la carga mayor, lo que indica que en el RD se aplica una carga más elevada. En el caso del ratio de carga 1:1, debido a que la dirección de carga TD presenta mayor resistencia y menor ductilidad, la rotura ocurre en la dirección de carga RD.

Figura 4: Muestras biaxiales tras ensayos de tracción biaxial con diferentes relaciones de carga: (a) 1:2, (b) 3:4, (c) 1:1, (d) 4:3 y (e) 2:1.

Análisis de la microestructura y la textura

Los resultados de las pruebas revelaron que el material AA7475-T761 presenta anisotropía plana, con una tasa de elongación que varía en función de la dirección de carga. Por ello, se realizó un análisis exhaustivo de la fractura, la microestructura y la textura cristalina para comprender su comportamiento de deformación bajo cargas multiaxiales.

En la microestructura, el mecanismo de fractura es casi intergranular, presentando zonas alternadas de depresiones en el plano perpendicular al eje principal de tensión y zonas de cizallamiento paralelas a dicho eje. Las grietas transcrísticas se propagan a través de cada partícula metálica individual. Este tipo de fractura suele deberse a una combinación de altas tensiones y defectos del material, como huecos o inclusiones en los gránulos. Los huecos más grandes se originan por fracturas en las partículas, mientras que los de menor tamaño son consecuencia del desprendimiento de la interfaz partícula-matriz.

Figura 5: Imágenes de fractura de ensayos de tracción uniaxial realizados en (a) RD, (b) TD y (c) DD; así como de ensayos biaxiales realizados en las proporciones (d) 1:1, (e) 2:1, (f) 4:3, (g) 1:2 y (h) 3:4.

La muestra deformada bajo una carga de tracción biaxial no presenta cambios significativos en la forma ni el tamaño de los gránulos, tal como se observa en la Figura 6. Una posible explicación es que la deformación alcanzada en cada dirección no es elevada, pero debido a una deformación efectiva más alta, se observa el desarrollo de una diferencia de orientación. La muestra biaxial en la Figura 6(c) muestra un punto no indexado considerable, debido a una deformación efectiva más alta obtenida durante el proceso de deformación (Figura 7). A medida que aumenta la deformación, la densidad de desplazamientos aumenta, mientras que el índice disminuye.

Figura 6: Distribución aleatoria de gránulos en el diagrama de polaridad inversa: (a) en condiciones de recepción, (b) uniaxial, (c) isodisplásico, (d) 4:3, (e) 2:1, (f) 3:4, (g) 1:2 y (h) el diámetro medio de los gránulos bajo carga.

Figura 7 Diferencia media de orientación de los granos bajo distintas relaciones de carga en una deformación efectiva

Resumen completo

1. La fluencia y la resistencia máxima en ambos ejes superan a las correspondientes en el eje único, tanto en el eje RD como en el TD.

2. La deformación plástica máxima alcanzada en la zona de distancia estándar fue del 7,8 %, y se estableció un locus de rendimiento para AA7475-T761 hasta una deformación plástica superior del 0,07. Los puntos de rendimiento se compararon con los estándares de rendimiento Hill's 48, Hill's 93 y Yld2000-2d. El estándar Yld2000-2d proporcionó un locus de rendimiento predicho con precisión, con un error muy reducido (aproximadamente 1 %).

3. El análisis microestructural de las muestras sometidas a ensayo de tracción uniaxial AA7475-T761 revela que la nucleación y el crecimiento de poros constituyen los mecanismos principales de fallo, con la formación de poros que se agrupan debido a la deformación plástica. La superficie de fractura presenta una fractura transcrística tenaz con grupos de depresiones, mientras que el ensayo de tracción biaxial da lugar a una combinación de fracturas tenaz y frágil, incluyendo superficies de fractura y depresiones.

4. El análisis de la textura revela que, bajo las proporciones de carga RD y TD, la deformación uniaxial favorece la textura cúbica y la textura inversa de cobre, mientras que la deformación biaxial presenta una textura inversa gaussiana clara y su fragmentación.

Fuente de los artículos: Amir Hamza Siddiqui, Priya Tiwari, Jeet P. Patil, Asim Tewari, Sushil Mishra Yield locus and texture evolution of AA7475-T761 aluminum alloy under planar biaxial loading: An experimental and analytical study,Journal of Alloys andCompounds,Volume 1000,2024,175115