Aluminio 2014: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones
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Visión General Completa
La aleación 2014 pertenece a la serie 2xxx de aleaciones de aluminio-cobre trabajadas, donde el cobre es el principal elemento aleante utilizado para aumentar la resistencia mediante endurecimiento por precipitación. Es una aleación tratable térmicamente que responde fuertemente al tratamiento de solubilización, temple y envejecimiento artificial para desarrollar alta resistencia relativa a muchas otras familias de aluminio.
Los principales elementos de aleación son cobre (típicamente ~3.9–5.0 % en peso), con adiciones menores de manganeso, magnesio y cromo para controlar la estructura del grano y la resistencia. La aleación alcanza su desempeño mecánico a través de la formación de finos precipitados Al2Cu (θ) durante el envejecimiento, combinado con trabajo en frío cuando aplica, produciendo altas resistencias a la tracción y al límite elástico a costa de cierta ductilidad y resistencia a la corrosión.
Sus características clave incluyen una resistencia muy alta para una aleación de aluminio trabajada, resistencia a la corrosión de moderada a baja en ambientes agresivos, soldabilidad limitada sin procedimientos especiales y formabilidad moderada en tratamientos más blandos. Las industrias típicas que emplean el 2014 son la aeroespacial para piezas estructurales y forjados, defensa y equipamiento militar, componentes de alta resistencia en transporte y aplicaciones especializadas de mecanizado donde las altas relaciones fuerza-peso son críticas.
Los diseñadores seleccionan el 2014 cuando la resistencia y la resistencia a la fatiga (en condición tratada térmicamente) son prioritarias sobre la facilidad de conformado y la conductividad pura, o cuando se requiere una combinación de alta resistencia estática y maquinabilidad. Las desventajas son una menor resistencia generalizada a la corrosión y un desempeño soldable reducido en comparación con las aleaciones de las series 5xxx y 6xxx, lo que hace que la selección sea dependiente del contexto.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Formabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Bajo | Alta | Excelente | Excelente | Recristalizado completamente; el más fácil de conformar y soldar, resistencia más baja |
| H14 | Medio | Moderada | Buena (limitada) | Difícil | Endurecido por deformación; resistencia moderada por trabajo en frío |
| T5 | Medio-Alto | Moderado-Bajo | Regular | De pobre a moderada | Enfriado tras trabajo en caliente y envejecido artificialmente; buena estabilidad dimensional |
| T6 | Alto | Bajo | Limitada | Pobre | Tratado térmicamente por solubilización y envejecido artificialmente; resistencia máxima |
| T651 | Alto | Bajo | Limitada | Pobre | T6 con alivio de tensiones por estirado; común en forjados aeroespaciales |
La designación del temple tiene un impacto importante en el comportamiento mecánico y de fabricación del 2014: el material recocido (O) es dúctil y fácil de conformar, mientras que los tratamientos T6/T651 maximizan la resistencia a costa de la elongación y formabilidad. La soldadura y los procedimientos de unión a altas temperaturas son más propensos a crear zonas blandas y cambios microestructurales en tempers de máxima resistencia, por lo que se deben planificar el diseño y los tratamientos post-soldadura adecuadamente.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.5 | Impureza menor; bajo Si ayuda a mantener tenacidad |
| Fe | ≤ 0.7 | Impureza común; exceso de Fe puede formar intermetálicos que reducen ductilidad |
| Mn | 0.4–1.2 | Refina la estructura de grano y mejora resistencia/tenacidad |
| Mg | 0.2–0.8 | Contribuye al endurecimiento por envejecimiento junto con Cu |
| Cu | 3.9–5.0 | Elemento principal de fortalecimiento (forma precipitados Al2Cu) |
| Zn | ≤ 0.25 | Menor; niveles altos de Zn no son típicos en la serie 2xxx |
| Cr | 0.1–0.4 | Controla la recristalización y crecimiento de grano durante procesado térmico |
| Ti | ≤ 0.15 | Refinador de grano para productos fundidos y trabajados |
| Otros | ≤ 0.15 (cada uno) | Incluye elementos traza y residuales; balance Al |
El cobre es el elemento crítico que impulsa la respuesta al endurecimiento por envejecimiento mediante la formación de precipitados finamente dispersos de Al2Cu. El manganeso y el cromo actúan principalmente como microaleantes para controlar la estructura del grano y mitigar el ablandamiento durante la exposición térmica. La combinación de estos elementos proporciona un equilibrio entre una microestructura endurecible y maquinabilidad, mientras que reduce parte de la resistencia a la corrosión asociada con aleaciones de aluminio más puras.
Propiedades Mecánicas
En comportamiento a tracción, la aleación muestra una fuerte dependencia del temple: el 2014 recocido (O) presenta curvas dúctiles de tracción con resistencia última a la tracción (UTS) modestamente baja, mientras que T6/T651 exhibe alta UTS y límites elásticos pronunciados. La elongación a la fractura disminuye significativamente en estados de máxima resistencia, moviéndose típicamente de valores de elongación en porcentaje de dos dígitos medios en O a valores de un solo dígito en T6. El espesor y el procesado previo (extrusión, laminado, forjado) influyen adicionalmente sobre el comportamiento de endurecimiento por trabajo y los gradientes de resistencia residual a través de la sección.
La dureza sigue la misma tendencia que las propiedades a tracción, con valores de dureza Brinell o Rockwell sustancialmente más altos en T6/T651 que en los tratamientos O o H. El desempeño a fatiga del 2014 en T6 es generalmente bueno para aleaciones de aluminio cuando las superficies están bien terminadas y existen tensiones residuales compresivas; sin embargo, la susceptibilidad a fatiga por corrosión y la fisuración por corrosión bajo tensión pueden limitar la vida a fatiga en ambientes de servicio. Las secciones más gruesas pueden retener mayor resistencia residual en servicio, pero la acumulación de tensiones residuales y la inhomogeneidad microestructural también pueden afectar la tenacidad a la fractura y el comportamiento de propagación de grietas.
| Propiedad | O/Recristalizado | Temple Clave (T6/T651) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la Tracción (UTS) | 180–260 MPa | 420–480 MPa | La UTS se incrementa considerablemente tras solubilización y envejecimiento |
| Límite Elástico (0.2% offset) | 70–150 MPa | 340–410 MPa | El límite elástico en T6 alcanza centenas medias/altas MPa |
| Elongación (A%) | 20–30% | 4–10% | La ductilidad se sacrifica a cambio de resistencia en tempers tratados térmicamente |
| Dureza (HB) | 40–70 HB | 120–150 HB | La dureza se correlaciona con la densidad de precipitados y el temple |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | 2.78 g/cm³ | Típico para aleaciones de aluminio-cobre trabajadas |
| Rango de Fusión | Solidus ~500–515°C; Liquidus ~635–645°C | La aleación desplaza el solidus a valores más bajos comparado con el Al puro |
| Conductividad Térmica | ~120–150 W/m·K | Inferior al aluminio puro debido a la aleación; depende del temple y estado del grano |
| Conductividad Eléctrica | ~30–40 % IACS | Reducida por el cobre y otros elementos en solución comparado con el Al puro |
| Calor Específico | ~880 J/kg·K (0.88 J/g·K) | Calor específico típico en el rango del aluminio |
| Coeficiente de Expansión Térmica | ~23.5–24.0 µm/m·K | Coeficiente similar a otras aleaciones de aluminio; se debe diseñar para expansiones diferenciales |
Las propiedades físicas reflejan el compromiso introducido por la aleación para obtener resistencia. Las conductividades térmica y eléctrica son sustancialmente menores que las del aluminio puro, por lo que el 2014 no suele seleccionarse para conductores principales o roles de disipadores térmicos de máximo rendimiento excepto cuando la resistencia mecánica es la prioridad. La densidad se mantiene baja comparada con los aceros, proporcionando una alta resistencia específica que es valiosa en aplicaciones aeroespaciales y de transporte.
Formas del Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento Mecánico | Temple Común | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Chapa | 0,3–6,0 mm | El laminado puede producir propiedades fuertes y uniformes | O, H14, T3, T6 | Chapa de calibre fino usada cuando el mecanizado sigue al conformado |
| Placa | 6–100+ mm | Secciones gruesas sensibles a la tasa de enfriamiento y tensiones residuales | T6, T651 | La placa gruesa requiere tratamiento térmico y control cuidadoso del enfriamiento |
| Extrusión | Secciones transversales hasta varios cientos de mm² | El flujo de extrusión afecta la distribución de precipitados | O, T5, T6 (después del tratamiento térmico) | Perfiles complejos posibles pero el tratamiento térmico de extrusiones más gruesas es complicado |
| Tubo | Diámetro exterior hasta varios cientos de mm | La calidad de soldadura y costura es importante para aplicaciones a presión | O, T6 | Tubos trefilados o soldados; la resistencia varía con el espesor de pared |
| Barra/Varilla | Diámetros 5–200 mm | Equilibrio entre maquinabilidad y resistencia para sujetadores/forjas | O, T6, T651 | Común para componentes mecanizados y piezas forjadas |
La forma afecta las propiedades alcanzables: los productos más delgados se enfrían más rápido durante el temple, permitiendo una retención más completa del soluto sobresaturado y por ende una mayor respuesta al envejecimiento artificial. La placa y las piezas forjadas pesadas son más sensibles al tamaño de la sección y a las tasas de enfriamiento, requiriendo frecuentemente T651 (estirado y envejecido) para controlar las tensiones residuales. Las formas extruidas y trefiladas pueden procesarse casi a su geometría final antes del tratamiento térmico para controlar la distorsión durante los ciclos de temple y envejecimiento.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| AA | 2014 | USA | Designación de la American Aluminum Association comúnmente usada en especificaciones |
| EN AW | 2014 | Europa | EN AW-2014 corresponde a AA2014 con composición y temple similares |
| JIS | A2014 | Japón | Designación japonesa A2014 alineada estrechamente con los estándares AA2014 |
| GB/T | 2A14 | China | Norma china 2A14 aproxima límites químicos y mecánicos de AA2014 |
La equivalencia entre normas es generalmente cercana en especificación química y designaciones de temple, pero las tolerancias permitidas, procedimientos de ensayo y límites de propiedades mecánicas pueden variar ligeramente. Los compradores deben verificar el procesamiento del temple (por ejemplo, diferencias en criterios de aceptación entre T6 y T651) y los ensayos de aceptación entre normas cuando se adquiere internacionalmente para evitar discrepancias en las expectativas de propiedades.
Resistencia a la Corrosión
En servicio atmosférico, el 2014 exhibe resistencia moderada a la corrosión; se desempeña aceptablemente en ambientes protegidos y poco corrosivos, pero es inferior a aleaciones Al-Mg como la serie 5xxx y a las aleaciones Al-Mg-Si 6xxx. El alto contenido de cobre incrementa la actividad galvánica y la formación de celdas locales, haciendo aconsejable la protección pintada o con recubrimientos metálicos para exposiciones prolongadas al exterior. Los tratamientos superficiales, el recubrimiento (p. ej. Alclad) y las capas inhibidoras son comunes para mitigar la corrosión generalizada.
En ambientes marinos o ricos en cloruros, la aleación 2014 es más susceptible a la corrosión por picaduras y grietas en comparación con las aleaciones 5xxx y 6xxx. El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es una preocupación para las aleaciones de la serie 2xxx con cobre bajo tensión y en medios corrosivos; los temple de envejecimiento máximo (T6/T651) son particularmente vulnerables y requieren un diseño conservador e inspecciones en ambientes agresivos. El diseño protector, la selección de material y consideraciones catódicas/anódicas son necesarias cuando se especifica 2014 para componentes en zonas marinas.
Se deben considerar las interacciones galvánicas, ya que el 2014 (con mayor potencial de circuito abierto debido al cobre) tiende a ser catódico frente a muchas aleaciones de aluminio puro y anódico frente a aceros inoxidables dependiendo del electrolito. Al combinarse con metales distintos, materiales aislantes y el uso de sujetadores compatibles o recubrimientos protectores reducen el riesgo. En comparación con aleaciones de alta resistencia de la serie 7xxx, el 2014 generalmente tiene mejor tenacidad pero un comportamiento frente a la corrosión similar o marginalmente inferior, por lo que la selección suele basarse en el conjunto completo de compromiso entre resistencia, resistencia a la corrosión y requisitos de fabricación.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
La soldadura del 2014 es un desafío debido a su alto contenido de cobre y microestructura envejecida; la soldadura por fusión (MIG/TIG) comúnmente produce debilitamiento en la zona afectada por el calor (ZAC) y puede ocasionar fisuración en caliente si no se controla adecuadamente. La práctica recomendada para ensamblajes suele favorecer el unión mecánica o el adhesivo; cuando se requiere soldadura, se usan aleaciones de aporte especializadas y tratamientos térmicos pre/post para restaurar las propiedades. La soldadura por resistencia y la brasadura pueden ser rutas alternativas, pero cada método requiere calificación para SCC y comportamiento frente a la corrosión.
Maquinabilidad
La aleación 2014 es considerada una de las aleaciones de aluminio de alta resistencia más maquinables; en temple T6 y T651 se mecaniza limpiamente con buen acabado superficial y control dimensional. Aceros para herramientas como carburo o carburo revestido se usan comúnmente a velocidades moderadas de corte con geometrías de filo positivo para manejar el flujo de viruta y evitar el borde construido. La baja tendencia al trabajo en frío y la formación estable de virutas favorecen la productividad, pero el uso de refrigerante y la evacuación de virutas son importantes para preservar la vida útil de la herramienta y la integridad superficial.
Conformabilidad
La conformabilidad es mejor en temple O y temple H más suaves; los temple de envejecimiento máximo tienen limitada la capacidad de doblado y requieren radios mayores para evitar grietas. Los radios mínimos internos de doblado recomendados para chapa T6 son del orden de 3–6× el espesor dependiendo de la dirección y la matriz, mientras que en temple O pueden acercarse a 1–3× el espesor en muchos casos. El conformado en caliente y las técnicas de conformado incremental pueden mejorar los resultados, pero los diseñadores deben preferir conformar antes del tratamiento térmico final cuando se requiera alta resistencia.
Comportamiento en Tratamiento Térmico
Como aleación susceptible de tratamiento térmico, el 2014 se procesa mediante tratamiento de solución, temple y envejecimiento artificial para desarrollar la máxima resistencia. Las temperaturas típicas de tratamiento de solución rondan 495–505°C (dependiendo del tamaño de la sección) donde las fases que contienen cobre se disuelven formando una solución sólida sobresaturada; se requiere un temple rápido a temperatura ambiente para retener el soluto en solución antes del envejecimiento. Tasas de temple inadecuadas en secciones gruesas pueden producir propiedades no homogéneas debido a la precipitación parcial durante el enfriamiento.
El envejecimiento artificial (T6) se realiza habitualmente a temperaturas entre aproximadamente 160–190°C durante varias horas para precipitar Al2Cu y fases asociadas con una distribución fina que maximiza la resistencia. El temple T5 (enfriado tras trabajo en caliente y envejecido artificialmente) proporciona buena estabilidad dimensional sin un tratamiento total de solución. T651 indica tratamiento térmico de solución, alivio de tensiones por estirado y luego envejecido artificial para mejorar la rectitud y reducir tensiones residuales; esto es común en aplicaciones aeroespaciales y piezas de mecanizado de precisión.
El sobremadurez reduce la resistencia pero puede mejorar la tenacidad y la resistencia a la corrosión; los diseñadores a veces especifican temple sub- o sobremadurado cuando el SCC o la relajación de tensiones son preocupaciones. Debido a que la ZAC de las zonas soldados se ablanda por las reacciones de solución y envejecimiento, a menudo se requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura o reparación mecánica para recuperar el rendimiento mecánico original.
Comportamiento a Alta Temperatura
El 2014 pierde resistencia a la tracción y límite elástico progresivamente con el aumento de la temperatura debido al coarsening de los precipitados y el ablandamiento de la solución sólida; la resistencia útil se reduce sustancialmente por encima de ~150–200°C dependiendo del temple y el tiempo de exposición. La exposición prolongada a temperaturas elevadas puede causar un importante sobremadurez y pérdida de integridad mecánica, limitando la temperatura continua de servicio a rangos moderados para aplicaciones estructurales.
La oxidación de aleaciones de aluminio a temperaturas elevadas es comparativamente leve frente a los aceros, pero las películas de óxido protector pueden verse comprometidas por los elementos de aleación y los ciclos térmicos. La ZAC adyacente a soldaduras experimenta cambios microestructurales durante excursiones térmicas que pueden favorecer la iniciación de grietas bajo cargas cíclicas o mecánicas. Para necesidades estructurales a alta temperatura, normalmente se seleccionan aleaciones especiales con mejor retención de propiedades a temperatura elevada en lugar del 2014.
Aplicaciones
| Industria | Componente Ejemplo | Por qué se usa el 2014 |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Accesorios, forjas, costillas de ala | Alta relación resistencia-peso y buen comportamiento a la fatiga en T6/T651 |
| Automotriz | Soportes mecanizados de alta resistencia, insertos estructurales | Resistencia y mecanizabilidad para componentes críticos de seguridad |
| Defensa | Accesorios blindados, monturas para armas | Alta resistencia estática y durabilidad bajo carga |
| Electrónica | Marcos estructurales y carcasas de alta resistencia | Estabilidad dimensional y mecanizabilidad para piezas de precisión |
El 2014 sigue siendo valioso cuando se requiere aluminio forjado de alta resistencia y cuando el acabado mecanizado, la estabilidad dimensional y la resistencia a la fatiga son más importantes que la superior resistencia a la corrosión. Su combinación de endurecimiento por envejecimiento y buena mecanizabilidad lo convierte en un material fundamental para componentes estructurales de precisión, especialmente en los sectores aeroespacial y de defensa.
Consideraciones para la Selección
Utilice 2014 cuando el diseño priorice alta resistencia al límite elástico y a la tracción combinada con buena mecanizabilidad, y cuando sea aceptable un tratamiento térmico posterior al conformado o un control dimensional estricto. Especifique los temple O o H solo cuando se requiera un conformado significativo antes del envejecimiento final o mecanizado.
En comparación con el aluminio comercialmente puro (por ejemplo, 1100): el 2014 sacrifica conductividad eléctrica y térmica y facilidad de conformado a cambio de una resistencia y una resistencia a la fatiga considerablemente superiores. En comparación con aleaciones comúnmente trabajadas en frío (por ejemplo, 3003 / 5052): el 2014 ofrece una resistencia máxima mucho mayor, pero generalmente peor resistencia a la corrosión y conformabilidad ligeramente inferior. En comparación con aleaciones comúnmente tratables térmicamente (por ejemplo, 6061 / 6063): el 2014 a menudo proporciona mayor resistencia en T6/T651 para aplicaciones específicas, pero a costa de una menor soldabilidad y resistencia a la corrosión; elija 2014 cuando la resistencia y la mecanizabilidad prevalezcan sobre estas penalizaciones.
Consideraciones prácticas para la selección: evalúe el entorno de operación (riesgo de corrosión y fragilización por tensión SCC), las rutas de unión/fabricación requeridas (soldadura frente a fijación mecánica) y si es factible un tratamiento térmico o revestimiento posterior a la fabricación. Para abastecimiento global, confirme las equivalencias de temple y norma para asegurar que el material entregado cumpla con las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión especificadas.
Resumen Final
La aleación 2014 sigue siendo una opción de alto valor en aplicaciones que demandan una combinación de alta resistencia, buena mecanizabilidad y características estables de envejecimiento, particularmente en equipos aeroespaciales y de defensa. Su endurecimiento por precipitación inducido por cobre proporciona un desempeño estructural que supera a muchas aleaciones de uso general, pero los diseñadores deben manejar cuidadosamente la protección contra la corrosión, los procedimientos de soldadura y el tratamiento térmico para maximizar la vida útil en servicio.