Capitulo 4 Metalurgia Fisica y Mecanica

UNIDAD 4

RECUPERACIÓN

Y

RECRISTALIZACIÓN

UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)

Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos de recuperación y recristalización que suceden en materiales

- Porque la gran mayoría de los artefactos metálicos están elaborados mediante deformación (conformado).

- Porque ocupando los procesos de deformación y recocido puede modificarse la estructura cristalina y por tanto las propiedades mecánicas de los materiales.

¿Por qué estudiar los procesos de deformación y recocido?

Cuando un metal a sufrido deformación plástica se dice que tiene acritud

Recuperación Recristalización Crecimiento de grano

Tiempo

Recocido:

Temperatura de trabajo en fríoUna 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.

ForjadoLaminado Trefilado

Extrusión

Laminado(rolado)

Forjado Trefilado

Extrusión

Conformado:

Embutido Estirado Doblado

Energía del trabajo mecánico

Disipación en forma de calor

Energía de deformación (10%)

Características del trabajo en frío:

-Durante el trabajo en frío solo el 10% de la energía es ocupada en deformación el resto se transforma en calor.

-Elevada densidad de dislocaciones (108–1012 líneas de dislocación/cm2)

- Simultáneamente se 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)

Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades y microestructura

Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades y microestructura

Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades y microestructura

Ejercicio: Una barra de Aluminio 6061 de 20 cm de largo y 3 cm de diámetro, se somete en una primera etapa a una deformación de 2%, luego se retira completamente la carga:¿Qué fuerza debió aplicarse a la pieza?¿Cuál es el esfuerzo a la fluencia que podría soportar, la pieza deformada?¿Qué largo posee ahora la pieza?

Energía almacenada del trabajo en frío:•La energía almacenada en el material es pequeña menor al 10%.

•Se generan defecto (puntuales, lineales y planares) en el material.

•Se estima que entre el 80-90% de la energía almacenada se debe a la generación de dislocaciones.

•Se generan deformaciones elásticas.

•Se estima que entre el 5-10% de la energía almacenada se debe a deformación elástica.

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

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21 EEnergía

Energía almacenada del trabajo en frío:

- 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)

Variables que afectan la cantidad de energía almacenada

Entre las principales variables que afectan la energía almacenada durante el trabajo en frío son:

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 (es un tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío).

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.

RECOCIDO / RESTAURACIÓN

Restauración o recuperación a).- Liberación de la energía almacenada

b).- Restauración de la resistividad eléctrica

c).- Restauración de las propiedades mecánicas

d).- Restauración de la estructura:

Disminución de defectos puntuales

Movimiento de las dislocaciones (poligonización)

a) Liberación de energía almacenada (calorimetría)

Níquel Cobre(1) Dureza

(2) Resistividad elec.

(3) Energía liberada

(1) Resistividad elec.

(2) Densidad

(3) Energía liberada

b) 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

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)

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

Poligonización del Al Poligonización del Cu

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

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

RECOCIDO / RECRISTALIZACIÓN

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.

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%

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.

Efecto de la temperatura y tiempo sobre la recristalización:

Progress of recrystallization and resulting grain structure of AlMg5Mn after hot compression at various temperatures and quenching after holding times indicated

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 la nucleación y velocidad de crecimiento

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

La velocidad de nucleación de la recristalización se incrementa con la deformación.

Efecto de la deformación sobre la recristalización:

Relación tiempo temperatura para la recristalización completa de circonio.

Energía de activación para la recristalización del circonio como función del trabajo en frío.

Efecto de la deformación sobre la recristalización:

Variación del tamaño de grano recristalizado en función del tamaño de grano inicial y deformación

A mayor porcentaje de deformación inicial, menor tamaño de grano recristalizado

A menor tamaño inicial, menor tamaño de grano recristalizado

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)

Efecto de la pureza y tamaño de grano inicial sobre la recristalización:

Elemento Aumento T °CNi 0Co 15Fe 15Ag 80Sn 180Te 240

Aumento de la temperatura de recristalización del Cu puro por la adición de 0,01 % at. de los elementos indicados.

Efecto de las impurezas sobre la temperatura de recristalización de aluminio laminado en frío 80%.

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)

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

Ejercicio:

Determine la energía de activación para el proceso de recristalización de cobre deformado en frío un 98%.

Determine el tiempo que tardaría en recristalizar este cobre a 90°C.

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

RECOCIDO / CRECIMIENTO DE GRANO

Crecimiento de burbujas en dos dimensiones

La diferencia de presión entre el interior y exterior de una burbuja de jabón puede expresarse:

Donde R es el radio de la burbuja y σ la tensión superficial.

Las burbujas de mayor tamaño crecen a expensas de las pequeñas.

Efecto de los átomos de impureza y segundas fases en el crecimiento de grano

Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de grano fino.

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.