Post on 06-Jan-2015
UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)
Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos de recuperación y
recristalización que suceden en materiales
Cuando un metal a sufrido deformación plástica se dice que tiene acritud
Fenómeno de recristalización:
- Se deforma plásticamente un metal
- Se calienta el metal hasta una temperatura del orden de la
mitad de la temperatura de fusión y se mantiene un tiempo t
Temperatura de trabajo en frío
Una regla empírica aproximada es suponer que la deformación plástica
corresponde al trabajo en frío si este se efectúa a temperaturas menores
de la mitad del punto de fusión medido sobre una escala absoluta.
Laminado
(rolado)
Forjado Trefilado
Extrusión
Embutido Estirado Doblado
Energía del trabajo mecánico
Disipación en forma de calor
Energía de deformación (10%)
Características del trabajo en frío:
- Elevada densidad de dislocaciones (108–1012 líneas de dislocación/cm2)
- Simultáneamente se puede endurecer el metal y producir la forma
deseada
- Es un método económico para producir grandes cantidades de
pequeñas piezas ya que no se requieren de fuerzas elevadas ni de
equipos de conformado costosos.
- Durante el trabajo en frío la ductilidad, la conductividad eléctrica y la
resistencia a la corrosión se deterioran.
- Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico
adecuadamente controlados pueden ser benéficos.
- Algunas técnicas de procesamiento por deformación solo pueden
efectuarse si se aplica trabajo en frío (es decir, si la deformación
endurece el material)
Algunas técnicas de procesamiento por deformación solo pueden
efectuarse si se aplica trabajo en frío (es decir, si la deformación
endurece el material)
Procesos que permitirán aproximar el metal al estado de equilibrio:
- La reducción del número de defectos puntuales, por migración y anulación recíproca en pozos (dislocaciones, uniones de grano)
- La aniquilación mutua de dislocaciones de signo opuesto
- La reordenación de las dislocaciones en redes más estables de deslizamiento
- La absorción de las dislocaciones por los limites de grano
- La reducción del área total de las superficies que limitan los granos
La elevación de la temperatura del metal provoca el retorno de las propiedades, o a la estructura, de un estado más estable.
Microestructura con acritud: los granos deformados son inestables, al someter
esta estructura a temperaturas elevadas, el material puede ablandarse y es
posible que se generen una nueva microestructura
Tratamiento cuyo objeto es destruir mediante un calentamiento, la
estructura distorsionada por el trabajo en frío y hacer que adopte una forma
libre de deformaciones.
Este proceso se realiza totalmente en el estado sólido, y el calentamiento
va seguido normalmente de un enfriamiento lento en el horno desde la
temperatura de trabajo.
El proceso de recocido puede dividirse en tres fases:
Restauración o recuperación
Recristalización
Crecimiento de grano.
Recocido
Restauración o recuperación
Todos los fenómenos de recocido que se presentan antes de la
aparición de granos nuevos sin deformación.
Recristalización
Es la nucleación de los granos nuevos sin deformación
Crecimiento de grano.
Consumo gradual de la matriz trabajada en frío debido el crecimiento
de estos granos
La fuerza impulsora para la etapa de recuperación y recristalización es
la energía almacenada de la matriz trabajada en frío.
La fuerza impulsora para el crecimiento de los granos es únicamente la
curvatura de los límites de granos.
Fracción de energía almacenada en el cobre con relación a la energía
mecánica, en función de la tasa de deformación, para dos valores de
tamaño de grano
Energía almacenada
Cuando una aleación se deforma plásticamente, se producen defectos
en la red cristalina, y estos defectos, junto con la deformación elástica
sirven como mecanismos para el almacenamiento de energía en la
aleación.
a) Mecanismos de almacenamiento de energía
- Deformación elástica: la energía de deformación elástica representa
solamente de un 5 a 10% de la energía total que se ha almacenado
- Defectos reticulares: durante el trabajo en frío se producen
dislocaciones, vacancias, átomos intersticiales, fallas de apilamiento y
límites de maclas.
2
2
1
2
1 EEnergía
b) Variables que afectan la cantidad de energía almacenada
- Pureza: la adición de átomos de impurezas a un metal incrementa la
cantidad de energía almacenada (aparentemente estos átomos estorban
el movimiento de las dislocaciones y se multiplican)
- Deformación: los procesos más complejos de deformación producen
energías almacenadas más altas (Una tensión simple activa solo dos
planos de deslizamiento en un metal FCC, mientras que la extrusión
activará el deslizamiento en las cuatro posibles familias de planos de
deslizamiento)
- Temperatura: la deformación a temperatura más baja incrementa la
cantidad de energía almacenada (mayor interacción entre defectos)
- Tamaño de grano: la cantidad de energía almacenada se incrementa al
disminuir el tamaño de grano (la densidad de dislocaciones producidas
por deformación es inversamente proporcional al tamaño de grano)
Cambio de las propiedades durante el recocido (liberación de la energía almacenada)
1) Restauración o recuperación
a) Restauración de la resistividad eléctrica
b) Liberación de la energía almacenada
c) Restauración de las propiedades mecánicas
d) Restauración de la estructura:
- Disminución de defectos puntuales en el interior de los granos
- Movimiento de las dislocaciones
-Reordenamiento de éstas en configuraciones nuevas
(poligonización)
Temperatura Mecanismo
Baja - Migración de defectos puntuales hacia sumideros
(límites de grano, dislocaciones, etc.)
- Combinación de defectos puntuales
Media - Nuevo arreglo de dislocaciones
- Aniquilación de dislocaciones
- crecimiento de subgranos
Alta - Trepado de dislocaciones
- Aglutinación de dislocaciones
- Poligonización
Mecanismos de recuperación
a) Restauración de la resistividad
Cuando se eleva la temperatura, se observa una disminución de la
resistividad, lo que puede atribuirse a la migración y eliminación de
vacancias y una reducción de la densidad de dislocaciones
Níquel 99,85% (70% deformación)
(1) resistividad eléctrica
(2) densidad
(3) energía almacenada
b) Liberación de energía almacenada (calorimetría)
Níquel Cobre
(1) Dureza
(2) Resistividad elec.
(3) Energía liberada
(1) Resistividad elec.
(2) Densidad
(3) Energía liberada
c) Restauración de las propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas son poco sensibles a los defectos
puntuales, ya que solo la agrupación de vacancias provocan un
endurecimiento.
La evolución de las propiedades mecánicas dependen
fundamentalmente del comportamiento de las dislocaciones
Metales de baja energía de falla de apilamiento : las propiedades
mecánicas solo evolucionan en la etapa de recristalización (aleaciones de
cobre, níquel)
Metales con alta energía de falla de apilamiento (donde es más fácil una
reordenación importante de las dislocaciones) se produce una restauración
notable de las propiedades mecánicas antes de la recristalización (Fe)
d) Restauración de la estructura (microscopía óptica, electrónica y DRX)
La variación de la estructura se puede observar en metales donde se
produce la restauración de las propiedades mecánicas antes de la
recristalización (metales con alto valor de energía de falla de apilamiento)
Poligonización después de flexión (a) monocristal (b) deslizamiento por flexión (c) poligonización
Coalescencia de dislocaciones para formar bordes de grano de ángulo pequeño
Poligonización de un monocristal de Fe-Si (a) Después de flexión (b) 1 h a 850 ºC (c) 1 h a 1060ºC
(a) (b)
(c)
Poligonización del Al
Poligonización del Cu
Para que las dislocaciones se alineen debe haber deslizamiento y
trepado.
En general, en los materiales policristalinos, podemos decir que:
-La poligonización requiere un exceso de dislocaciones de borde
- Se produce únicamente a temperatura de recuperación más alta, ya
que debe existir trepado de dislocaciones
- Produce subgranos de tamaño 10 veces más grande que los que se
producen vía condensación de laberintos o grupos de dislocaciones
Fotografía de granos Latón, con redisposición de dislocaciones
2) Recristalización
La recristalización es un proceso que se desarrolla por nucleación y
crecimiento.
Los sitios preferenciales de nucleación de los nuevos granos son las
regiones más deformadas, como bordes de grano, planos de
deslizamiento, y en zonas de alta energía como precipitados de segunda
fase y, también, en torno a inclusiones no metálicas
Si el núcleo se forma rápidamente y crece con lentitud, se formarán
muchos cristales antes de que se complete el proceso de recristalización,
es decir, el tamaño final del grano será pequeño. En cambio, si la
velocidad de nucleación es pequeña comparada con la velocidad de
crecimiento, el tamaño de grano será grande
La recristalización ocurre debido a la nucleación y crecimiento de nuevos
granos que contienen pocas dislocaciones.
El crecimiento de estos nuevos granos ocurre en los bordes de celda de
la estructura poligonizada, eliminando la mayoría de las dislocaciones.
Los nuevos granos recristalizados adoptan formas más o menos
regulares, debido a las anisotropías de su velocidad de crecimiento.
Cuando los granos entran en contacto unos con otros, se acaba la fase
llamad recristalización y se entra en la fase llamada crecimiento de grano
Como se ha reducido de manera importante el número de dislocaciones,
el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero una elevada ductilidad.
Esquema de zonas altamente deformadas en trabajo en frío, donde surgen los nuevos granos.
Inicio de la recristalización alrededor de inclusiones de óxidos
de un hierro altamente deformado
Granos recristalizados en un matriz deformada: hierro electrolítico
recocido a 575 ºC después de una deformación de 15%
Cinética de la recristalización
La etapa de recristalización se produce por la nucleación de granos
nuevos sin deformación, que crecen y consumen la matriz trabajada en
frío. La velocidad de recristalización (volumen recristalizado por unidad
de tiempo) se expresa como:
)tB(exp1v
ocrecimientdevelocidadG
tiempodeunidadpornucleosdenúmeroN
G*Nv
n
A una temperatura dada, la velocidad de recristalización (volumen
recristalizado por unidad de tiempo) parte de cero, crece y pasa por un
máximo
Cinética de recristalización del aluminio a 350 ºC,
deformado por tracción 5%
Efecto de la deformación, pureza y tamaño de grano sobre G
Al incrementar la energía almacenada se incrementará la velocidad de
crecimiento (aumento de deformación o disminución de tamaño de
grano)
Al disminuir la pureza, disminuye la velocidad de crecimiento, por
disminuir la movilidad del límite del grano
Efecto de la deformación, pureza y tamaño de grano sobre N
la velocidad de nucleación de la recristalización se incrementa con la
deformación.
A menor tamaño de grano, mayor es la velocidad de nucleación (los
granos pequeños producen deformaciones locales más altas, lo cual
aumenta la velocidad de nucleación)
El efecto de la pureza sobre la velocidad de nucleación no esta
bien definido, Sin embargo, como las impurezas incrementan la
cantidad de energía almacenada para un % de deformación dado, se
espera que la velocidad de nucleación se incremente con la
presencia de impurezas.
La recristalización se produce solamente después de una cierta
deformación inicial, llamada acritud crítica.
Acritud crítica: diámetro de los granos, d, en función de la deformación
Leyes de la recristalización
Cuando menor es la deformación, más elevada es la temperatura de
recristalización (La temperatura de recristalización corresponde a la
temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío
se recristaliza por completo en una hora)
Variación de la temperatura de recristalización con la
cantidad de deformación
A mayor porcentaje de deformación inicial, menor tamaño de grano
recristalizado
Variación del tamaño de grano recristalizado en función
del tamaño de grano inicial
Si la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocido
disminuye
Grafico % recristalización versus tiempo de recocido
Diagrama temperatura – tiempo de recristalización de un acero
Sin embargo, un metal puede ser recocido sobre un rango de temperaturas
Cuando más grande es la dimensión de los granos iniciales, mayor es la
deformación requerida para producir la recristalización, en unas
condiciones dadas de temperatura y tiempo.
El tamaño de los granos recristalizados depende principalmente del
porcentaje de deformación
Tamaño de grano recristalizado de un latón en función de la
deformación inicial, para dos diferentes valores de tamaño de grano inicial
Recristalización a 760 ºC de una probeta de hierro después de
deformación por tracción variando de 7% a 2,9%
La temperatura de recristalización disminuye cuando mayor es la pureza del metal
Material Tª de recristalización, °C
Cobre (99,999%) 121
Cobre, 5% zinc 315
Cobre, 5% aluminio 288
Cobre, 2% berilio 371
Aluminio (99,999%) 79
Aluminio (99,0%+) 288
Aleaciones de aluminio 315
Níquel (99,99%) 371
Aceros bajo en carbono 538
Magnesio (99,99%) 65
Aleaciones de magnesio 232
Zinc 10
Estaño -44
Plomo -4
Fuerza impulsora de la recristalización:
La energía almacenada, en forma elástica, por las dislocaciones producidas
durante la deformación, constituye la fuerza motriz para la formación y
crecimiento de nuevos granos (éstos aparecen en las zonas más
fuertemente deformadas.
3) Crecimiento de grano
En un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para el
crecimiento de los granos corresponde a la disminución de la energía
asociada con los bordes de grano.
El crecimiento de los nuevos granos se produce por movimiento de la
interfase grano recristalizado-grano deformado
Los bordes de grano tienden a moverse hacia el centro de la curvatura
El ángulo entre tres bordes de grano es de alrededor de 120º
Crecimiento de burbujas en dos dimensiones
Equilibrio de las tensiones interfaciales de tres granos
Mecanismo de crecimiento de los granos (las flechas indican las direcciones de crecimiento)
Tamaño de grano:
Grado de deformación previa: Un aumento en la deformación previa favorece la nucleación y, como consecuencia, la obtención de un tamaño final de grano pequeño.
Permanencia a temperatura: Cualquiera sea la temperatura de recocido, cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura, mayor es la facilidad que tiene el grano para crecer y, por tanto, mayor es su tamaño final.
Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de recristalización, cuanto menor sea la temperatura mas fino será el tamaño de grano final
Duración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura de recocido mas fino será el tamaño de grano final
Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleación y actúan como barreras que obstruyen el crecimiento de los granos).
Esquema de un proceso total de recocido con sus respectivas microestructuras.