2.
RECUPERACION Y RECRISTALIZACION
Cuando se deforma plásticamente un metal a temperaturas bastante
inferiores a la de su punto de fusión, se dice que el metal ha sido trabajado
en frío. La mayor parte de la energía empleada en esta deformación se
disipa como calor, almacenándose una pequeña fracción como energía de
deformación. Ésta última se acumula en forma de dislocaciones y de
defectos puntuales, por ejemplo: ruptura de enlaces y vacancias. Como el
aumento de densidad de dislocación no es pareja, se producen zonas de
mayor densidad, lo que lleva a la generación de celdas.
Cuando se calienta este material ocurren dos procesos que disminuyen la
energía interna almacenada:
Recuperación
Recristalización
Además de los procesos antes mencionados y dependiendo del tiempo y de
la temperatura a la que se caliente el material, puede presentarse un tercer
proceso denominado crecimiento de grano, éste ocurre cuando se continúa
el recocido luego de completarse la recristalización.
En este punto es importante definir lo que significa baja y alta temperatura;
esto varía de un metal a otro, se puede considerar que alta temperatura
corresponde aproximadamente a 0,4 – 0,5 Tfusión en ºK.
Modelación del incremento de la densidad de dislocaciones con el
incremento de deformación plástica. A) Estado recocido. B,C,D)
Deformaciones plásticas crecientes.
2.1
RECUPERACION
• Cuando se calienta un metal a temperaturas moderadas, bajo
0,4Tfusión se produce el alivio de esfuerzos internos causados por
el trabajo en frío (tensiones residuales) y por otra parte, se
producen cambios microestructurales que se detallan más adelante.
Este proceso se denomina recuperación
• La recuperación comprende una serie de fenómenos como los
siguientes:
• Aniquilación de defectos puntuales
• Poligonización
• Caída de la resistividad eléctrica (R)
• La aniquilación de defectos puntuales consiste en la difusión,
mediante la adición de calor, de las vacancias hacia las
dislocaciones y bordes de granos, así se logra disminuir su cantidad
hasta el número de equilibrio a la temperatura correspondiente.
• La resistividad eléctrica (R) se ve afectada cuando las vacancias
emigran a bordes de granos y disminuyen en número porque su
campo de deformaciones interfiere con el flujo de los electrones.
2.1
RECUPERACION
En la Figura 2.1-1 se observa el comportamiento de R para un alambre
de cobre, (curva superior), en ella se aprecian grandes caídas de la
resistividad que se deben a entregas de calor correspondientes a
transformaciones al interior de material; paralelamente se han
registrado los calores entregados7 cuando ocurren cambios en la
estructura interna del metal, (curva inferior), la cumbre de esta última
define la región de recristalización del Cu.
7 Para medir este calor se requiere microcalorímetros muy sensibles.
Figura 2.1-1. Variación con
la temperatura de la
resistividad eléctrica, R,
y de la entrega de calor de
un alambre de cobre
inicialmente laminado
54% RA a una temperatura
de –195º C. Se calentó a 2º
C/min..
2.1
RECUPERACION
• Para recocidos a temperaturas más altas pero
moderadas, las dislocaciones comienzan a agruparse y
a redisponerse por medio de ascenso en
configuraciones de menor energía, por ejemplo, las
dislocaciones entrelazadas desordenadamente, se
disponen en hexágonos formando subgranos, ver Figura
2.1-2.
Figura 2.1-2.
Esquema de disposición
de las dislocaciones en
redes hexagonales
Recuperación. Poligonización
Ocurre también el fenómeno denominado poligonización, que consiste
en un cambio de forma de un cristal flexionado el cual se descompone
en cierto número de pequeños segmentos cristalinos con leves
diferencias de orientación cristalográfica, denominados subgranos y
separados por bordes de grano de ángulo pequeño. Así las
dislocaciones se redisponen en una configuración de menor energía.
Un cristal flexionado plásticamente debe tener un exceso de
dislocaciones de borde positivas que quedan a lo largo de planos
deslizantes activos; en la Figura 2.1-3 (a) se aprecia una configuración
de dislocaciones de alta energía de deformación, mientras que la Figura
2.1-3 (b) muestra una disposición de baja energía de deformación, en
este caso las dislocaciones corren en dirección normal a los planos de
deslizamiento, generando límites de grano de ángulo pequeño. Este
fenómeno requiere de abundante difusión atómica y por tanto de
temperaturas relativamente elevadas, por ejemplo, en el caso de un
cristal de Fe 3,25% Si este proceso se desarrolla entre 700 y 925 °C.
Nota: en el hierro la temperatura a la cual ocurren estos fenómenos
depende fuertemente de su pureza, puede comenzar en el rango de 50 a
200° C y completarse a alrededor de 500º C.
Recuperación. Poligonización
Cuando dislocaciones de borde del mismo signo se acumulan sobre el mismo plano
de deslizamiento, sus campos de deformación son aditivos, Figura 2.1-4. Las
regiones inmediatamente superior e inferior a los planos de deslizamiento son zonas
de alta concentración de tensiones, de tracción y de compresión respectivamente,
Figura 2.1-4 (a). Sin embargo, al disponer las dislocaciones en una secuencia
perpendicular al plano de deslizamiento, los campos de deformación de las
dislocaciones adyacentes se cancelan parcialmente unos a otros, Figura 2.1-4 (b).
Figura 2.1-3. Realineamiento de
dislocaciones de borde durante la
poligonización: (a) Dislocaciones en
exceso permanecen sobre planos
desplazamientos activos; después de la
flexión del cristal; (b) Redisposición de
dislocaciones después de la
poligonización.
Figura 2.1-4. (a) Disposición de
alta energía de dislocaciones;
(b) Disposición de dislocaciones
de baja energía.
C y T: compresión y tracción
La Figura 2.1-5 muestra experimentalmente como las dislocaciones se
redisponen en configuraciones de menor energía, formando subgranos
y bordes de grano de ángulo pequeño, esto es posible gracias a una
técnica metalográfica mediante la cual es posible observar los puntos
de salida de las dislocaciones.
Figura 2.1-5.
Poligonización de
un monocristal de
Fe 3,25 % Si,
doblado en torno a
un mandril y luego
recocido durante
una hora a:
(a) 650º C; (b) 700º
C; (c) 850º C; (d)
925º C. (750x)
2.2
RECRISTALIZACIÓN
Si un metal previamente deformado en frío, es recocido a una temperatura
suficientemente alta,sobre 0,4 – 0,5 Tfusion (temperatura de recristalización),
aparecen nuevos cristales en la microestructura, los que tienen idéntica
composición y estructura cristalina que los antiguos granos no deformados.
Este fenómeno se llama recristalización. Estos nuevos cristales surgen en
zonas con alta densidad de dislocaciones, Figura 2.2-1.
La fuerza impulsora de la recristalización proviene de la energía almacenada
del trabajo en frío.
Figura 2.2-1.
Representación
esquemática de cómo
en regiones de la red
cristalina altamente
deformadas, se nuclean
nuevos granos
recristalizados.
2.2.1.
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, Figura 2.2-2.
• La recristalización es sensible a cambios en la temperatura a la que
se realiza, más que a variaciones de tiempo a temperatura
constante. También es sensible a la deformación en frío previa.
(140ºC con 87,5%; 160ºC con 75% y 180ºC con 50%)
Figura 2.2-2 Variación de
la tensión máxima y del
porcentaje de elongación
con la
temperatura de recocido y
con el porcentaje de RA en
frío previo para un alambre
de cobre puro. Los
recocidos son de 1 hora.
Progreso de la recristalización por nucleación y crecimiento
Progreso de la recristalización por nucleación y
crecimiento
Recristalización 2.2.2. Nucleación de nuevos granos
• 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, Figura 2.2-1, 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, Figura 2.2-3.
• Si la velocidad de nucleación es grande se formarán muchos granos los
que no tendrán mucho espacio para crecer y 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
Figura 2.2-3.
Nucleación de granos
recristalizados
en torno a inclusiones
no metálicas de
hierro.
(600x)
2.2.3.
Crecimiento de los nuevos granos
• En un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para
el crecimiento de los granos corresponde a la energía de superficie
de bordes de estos. El crecimiento de los nuevos granos se produce
por movimiento de la interfase grano recristalizado-grano deformado
como se muestra en la Figura 2.2-5.
Figura 2.2-5.
Migración del borde
de grano avanzado
hacia un grano
deformado, dejando
tras sí un grano
recristalizado.
Cinética de la recristalización
• La cinética de la recristalización se expresa en las curvas
signoidales: % recristalización-tiempo de recocido que se muestran
en la Figura 2.2-6.
Figura 2.2-6.
Curvas
signoidales:
orcentaje de
recristalización
versus
tiempo para Fe
0,6% Mn.
Ecuación de Avrami para la cinética de la
recristalización
•
Avrami propuso para expresar la cinética de la recristalización la siguiente
ecuación:
X  1  exp( B  t )
k
•
•
•
(4)
donde:
X es la fracción de volumen de grano recristalizado. B es una constante
negativa; k también es constante:
– Cuando la recristalización se desarrolla en forma tridimensional, k
está entre 3 y 4
– Cuando es bidimensional ( planchas delgadas), k está entre 2 y 3
– Cuando es unidimensional, como en alambres, k está entre 1 y 2.
Una forma práctica de analizar la cinética de la cristalización es mediante
un gráfico:
  1 
log  ln 
  versus log ( tiempo )
 1 x 
•
•
Si la cinética sigue la ecuación de Avrami, el gráfico de ln{1/(1-X)} versus t
,
en escalas log-log debería dar una línea recta de pendiente k,
2.2.4. Algunas leyes de ingeniería de la recristalización
• El objetivo principal de la recristalización es ablandar el material y
restaurarle su ductilidad. Adicionalmente se puede también
controlar el tamaño del grano.
• Como ya se dijo, los tiempos para el inicio y término de la
recristalización varían fuertemente con la temperatura, Figura 2.2-7.
Figura 2.2-7.
Diagrama tiempo
– temperatura
para le inicio y el
término de la
recristalización
para acero
efervescente
Temperatura de recristalización
Por otra parte la Figura 2.2-8 muestra dos ideas importantes:
Existe un rango bastante estrecho de temperatura en el cual se produce el
ablandamiento y aumento de ductilidad del metal, la temperatura de
recristalización es la que corresponde a la mitad de este intervalo.
Como se mencionó anteriormente, la temperatura de recristalización disminuye
al aumentar el % de trabajo en frío previo, esto debido a la mayor energía
almacenada por la notable distorsión sufrida por el material, en suma, hay
más fuerza impulsora para la recristalización.
Figura 2.2-8. Variación de la tensión
máxima y del porcentaje de
elongación con la
temperatura de recocido y con el
porcentaje de RA en frío previo para
un alambre
de
cobre puro. Los recocidos son de 1
hora.
Tamaño del grano recristalizado
La Figura 2.2-9 muestra que el tamaño del grano justo al término del
proceso de recristalización, es menor si el % de trabajo en frío previo
aumenta, dado que los puntos favorables para la nucleación también
aumentan, permitiendo abundante formación de nuevos núcleos, y
limitando por tanto su tamaño final.
Figura 2.2-9.
Tamaño del grano
recristalizado para
un latón  en
función
del porcentaje de
deformación
previa y del
tamaño del grano
del latón antes
del laminado
Figura 2.2-10.
Estructuras de latón
deformado y
recristalizado. (a)
Trabajado en frío,33%
RA; (b) Inicio de la
recristalización, 3egs a
580ºC; (c) 8 seg a 580º;
(d) 15 min a 580º, (e) 10
min a 700ºC, (f) 1 hora a
700ºC y (g) Incremento
de tiempo a 580º C.
(400x)
Figure 7.16 Photomicrographs showing the effect of
annealing temperature on grain size in brass. Twin
boundaries can also be observed in the structures. (a)
Annealed at 400oC, (b) annealed at 650oC, and (c)
annealed at 800oC (75). (Adapted from Brick, R. and
Phillips, A., The Structure and Properties of Alloys,
1949: McGraw-Hill.)
Descargar

Document