Anisotropia De Los Metales

UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO) Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos recristalización que suceden en materiales

de

recuperación

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

y

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

Extrusión

Trefilado

Embutido

Estirado

Doblado

Disipación en forma de calor Energía del trabajo mecánico Energía de deformación (10%)

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

Características del trabajo en frío: -Elevada densidad de dislocaciones (108 – 1012 líneas de dislocación por 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 p 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)

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 os 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 Mi t t con acritud: it d los l granos deformados d f d son inestables, i t bl all someter t esta estructura a temperaturas elevadas, el material puede ablandarse y es posible que se generen una nueva microestructura

Recocido

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: ¾ Restauración o recuperación ¾ Recristalización ¾ Crecimiento de grano.

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 (poligonización)

de

éstos

en

configuraciones

nuevas

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

Niquel q 99,85% ((70% def)) (1) resistividad eléctrica (2) densidad (3) energía almacenada

b) Liberación de energía almacenada (calorimetría)

Níquel

Cobre

(1) Resistividad elec.

(1) Dureza

(2) Densidad

(2) Resistividad elec.

(3) Energía liberada

(3) Energía liberada

c) Restauración de las propiedades mecánicas 9 Las propiedades mecánicas son poco sensibles a los defectos puntuales, ya que solo la agrupación de vacancias provocan un endurecimiento. endurecimiento 9 La evolución de las propiedades mecánicas dependen fundamentalmente del comportamiento de las dislocaciones

¾ Metales de baja energía de falla de apilamiento : las propiedades mecánicas solo evolucionan en la etapa de recristalización (aleaciones de cobre)

¾ 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 (Feα)

d)) Restauración de la estructura ((microscopía p óptica, p , 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

(b)

(a)

(c) Poligonización de un monocristal de Fe-Si (a) Después de flexión (b) 1 h a 850 ºC (c) 1 h a 1060ºC

Poligonización del Al

Poligonización g del Cu

Fotografía de granos Latón, con redisposición de dislocaciones

2) Recristalización 9 La recristalización es un proceso que se desarrolla por nucleación y crecimiento. 9 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 9 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

9 La recristalización ocurre debido a la nucleación y crecimiento de nuevos granos que contienen pocas dislocaciones. 9 El crecimiento de estos nuevos granos ocurre en los bordes de celda de la estructura poligonizada, eliminando la mayoría de las dislocaciones. 9 Los nuevos granos recristalizados adoptan formas más o menos regulares, debido a las anisotropías de su velocidad de crecimiento. 9 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 9 Como C se ha reducido de manera importante el número ú 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 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 C después de una deformación de 15%

Leyes de la recristalización: 9 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 ε

9 Cuando menor es la deformación, más elevada es la temperatura de recristalización ((La temperatura p de recristalización corresponde p a la temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío se recristaliza por completo en una hora)

Efecto de la previa deformación en frío sobre la temperatura de recristalización del cobre puro, tiempo recocido 1 hr.

9 Si la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocido disminuye

Grafico % recristalización versus tiempo de recocido

Sin embargo, un metal puede ser recocido sobre un rango de temperaturas

Diagrama g temperatura p – tiempo p de recristalización de un acero

9 Cuando más grande es la dimensión de los granos iniciales, mayor es la deformación requerida para producir la recristalización, recristalización en unas condiciones dadas de temperatura y tiempo. 9 El tamaño de los granos recristalizados depende principalmente del porcentaje de deformación

Tamaño de grano recristalizado de un latón α en función de la deformación inicial, para dos diferentes valores de tamaño de grano inicial

Recristalización a 760 ºC de una probeta de hierro α después de deformación por tracción variando de 7% a 2,9%

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 Cobre,

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

9 A una temperatura dada, 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%

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.

Mecanismo de la recristalización La recristalización es un proceso que se divide en dos etapas: nucleación y crecimiento. La velocidad de recristalización (volumen recristalizado por unidad de tiempo) se expresa como: •

v = N*G •

N = número de nucleos por unidad de tiempo G = velocidad de crecimiento v = 1 − exp (− B t n )

3) Crecimiento de grano 9 En un metal completamente p recristalizado,, la fuerza impulsora p para el p crecimiento de los granos corresponde a la disminución de la energía asociada con los bordes de grano. 9 El crecimiento de los nuevos granos se produce por movimiento de la interfase grano recristalizado-grano deformado 9 Los bordes de grano tienden a moverse hacia el centro de la curvatura 9 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) i i t )

Tamaño de grano: ¾ Grado de deformación previa: Un aumento en la deformación previa favorece la nucleación y, como consecuencia, la obtención de un tamaño final de g grano p pequeño. q ¾ 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, y por tanto, tanto mayor es su tamaño final. final ¾ Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de recristalización, cuanto menor sea la temperatura mas fino será el tamaño de grano final ¾ 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 ¾ Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura t t d grano fino de fi (las (l impurezas i aumentan t la l nucleación l ió y actúan tú como barreras que obstruyen el crecimiento de los granos).

E Esquema d un proceso total de t t l de d recocido id con sus respectivas ti microestructuras. i t t