Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

Los metales rara vez se utilizan en su forma bruta o fundida. Para hacerlos lo suficientemente fuertes para aviones, coches o edificios, los ingenieros deben cambiar su estructura interna. Imagine un bloque de metal como una colección de diminutos cristales, o granos, agrupados. En una pieza de aluminio blanda y sin tratar, estos granos son relativamente grandes y están organizados de forma laxa. Para hacer el metal más duro y fuerte, los científicos utilizan una técnica llamada deformación plástica severa. Esto consiste en forzar el metal a través de un espacio confinado sin cambiar su forma general, esencialmente exprimiendo los granos internos hasta que se trituran en piezas mucho más pequeñas. Cuanto más pequeños sean los granos, más fuerte será el metal, porque los límites entre ellos actúan como barreras que impiden que el material se doble o se rompa fácilmente. Este proceso es crucial para las industrias que necesitan materiales ligeros que puedan soportar un estrés inmenso.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron comparar dos métodos específicos de este proceso de exprimido para ver cuál funcionaba mejor para tiras finas de aluminio. Los dos métodos se conocen como prensado por canal igual y prensado multiangular por canal igual. Ambos consisten en empujar una tira de metal a través de una matriz, o molde, que tiene canales que se intersectan. La diferencia radica en el diseño: un método utiliza un único punto de intersección, mientras que el otro utiliza dos. El equipo quería saber qué diseño crearía la estructura de grano más fina y uniforme, y resultaría en un material más fuerte. Eligieron una aleación de aluminio comercialmente pura y común, utilizada a menudo en aislamiento y fabricación general, y la sometieron a estos procesos hasta tres veces para ver cómo cambiaba el metal con cada pasada.

Los investigadores comenzaron con tiras de aluminio que habían sido ablandadas calentándolas en un horno, un paso que hizo que los granos internos fueran grandes y uniformes. Luego, hicieron pasar estas tiras por las dos prensas diferentes a temperatura ambiente. La primera prensa, la versión de canal único, forzó el metal a través de un giro pronunciado. La segunda prensa, la versión multicanal, guio el metal a través de dos giros sucesivos. Después de cada pasada, el equipo examinó el metal bajo potentes microscopios y probó cuánta fuerza podía soportar antes de romperse. También midieron la resistencia del metal al rayado, una propiedad conocida como dureza, y observaron la superficie del metal después de que se partiera para ver cómo fallaba.

Los resultados mostraron que ambos métodos lograron descomponer los granos grandes en otros mucho más pequeños, pero lo hicieron de formas y con distintos niveles de éxito. La prensa de canal único resultó ser la herramienta más agresiva. Después de tres pasadas, redujo el tamaño del grano de un rango de hasta ocho micrómetros a un rango de solo 2,4 micrómetros. Este proceso creó una mezcla de granos muy finos y algunos granos ultrafinos, casi a escala nanométrica. El metal se volvió significamente más fuerte y duro. Su capacidad para resistir fuerzas de tracción, conocida como resistencia a la tracción, aumentó casi un 94 por ciento, y su resistencia a la flexión permanente, o límite elástico, aumentó un 21 por ciento. El metal también se volvió más duro al tacto, con un aumento de dureza de más del 63 por ciento en la dirección de la presión.

La prensa multicanal también mejoró el metal, pero los cambios fueron menos drásticos. Aunque sí refinó los granos, el tamaño final siguió siendo mayor, estabilizándose en un rango de hasta 5,5 micrómetros tras tres pasadas. El metal se volvió más fuerte, con un aumento de la resistencia a la tracción de aproximadamente el 129 por ciento y un aumento del límite elástico de un 3 de 31 por ciento, pero el efecto de endurecimiento no fue tan intenso como con el método de canal único. La dureza del metal aumentó aproximadamente un 54 por ciento en la dirección de la prensa, lo cual fue sustancial pero aun así inferior al resultado del canal único. Los investigadores observaron que el proceso multicanal a veces conducía a una estructura ligeramente más gruesa en ciertas áreas, probablemente debido a que el metal experimentaba un patrón de estrés diferente al moverse a través de los dos giros.

Cuando el equipo observó cómo se rompía el metal, encontró evidencia clara de estos cambios internos. El aluminio original y blando se rompía con hoyos grandes y profundos en su superficie, una señal de que se estiraba y deformaba fácilmente antes de partirse. A medida que el metal era procesado, estos hoyos se volvían más pequeños y superficiales. Este cambio indicaba que el metal se había vuelto más fuerte pero menos flexible. El metal procesado por el canal único mostró la reducción más significativa en el tamaño de los hoyos, confirmando que su estructura interna había sido alterada de la manera más drástica. El equipo señaló que, si bien el metal se volvió mucho más fuerte, también perdió parte de su capacidad de estiramiento, un compromiso común en este tipo de fortalecimiento.

El estudio concluyó que, aunque ambas técnicas son efectivas para refinar la estructura de las tiras de aluminio, el método de canal único es superior para lograr la máxima dureza y resistencia en este material específico. La prensa de canal único creó una estructura de grano más uniforme y fina, lo que condujo a un efecto de fortalecimiento más pronunciado. La prensa multicanal, aunque sigue siendo beneficiosa, produjo un resultado ligeramente más grueso. Estos hallazgos proporcionan una guía clara para los fabricantes: si el objetivo es hacer que las tiras finas de aluminio sean lo más fuertes y duras posible, la ruta de prensado de canal único es la elección más eficiente. La investigación destaca cómo la geometría específica de una herramienta puede dictar la calidad final de un material, ofreciendo una forma precisa de adaptar los metales para aplicaciones industriales exigentes.