UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)

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

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

Temperatura de trabajo en frío

Una regla empírica aproximada es suponer que la deformación plásticacorresponde al trabajo en frío si este se efectúa a temperaturas menoresde la mitad del punto de fusión medido sobre una escala absoluta.

Laminado(rolado)

Forjado Trefilado

Extrusión

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 energíamecánica, en función de la tasa de deformación, para dos valores detamaño de grano

Características del trabajo en frío:8 12 2-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 pequeñasEs un método económico para producir grandes cantidades de pequeñaspiezas ya que no se requieren de fuerzas elevadas ni de equipos deconformado costosos.

- Durante el trabajo en frío la ductilidad, la conductividad eléctrica y laDurante el trabajo en frío la ductilidad, la conductividad eléctrica y laresistencia a la corrosión se deterioran.

- Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico adecuadamentecontrolados pueden ser benéficos.p

- Algunas técnicas de procesamiento por deformación solo pueden efectuarsesi 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 yanulación recíproca en pozos (dislocaciones, uniones de grano)

- La aniquilación mutua de dislocaciones de signo opuesto

- La reordenación de las dislocaciones en redes más estables dedeslizamiento

- La absorción de las dislocaciones por os limites de granoLa 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 laspropiedades, o a la estructura, de un estado más estable.

Mi t t it d l d f d i t bl l tMicroestructura con acritud: los granos deformados son inestables, al someteresta estructura a temperaturas elevadas, el material puede ablandarse y esposible que se generen una nueva microestructura

Recocido

Tratamiento cuyo objeto es destruir mediante un calentamiento, la estructuradistorsionada por el trabajo en frío y hacer que adopte una forma libre dedistorsionada por el trabajo en frío y hacer que adopte una forma libre dedeformaciones.

Este proceso se realiza totalmente en el estado sólido, y el calentamiento vaEste proceso se realiza totalmente en el estado sólido, y el calentamiento vaseguido normalmente de un enfriamiento lento en el horno desde latemperatura de trabajo.

El proceso de recocido puede dividirse en tres fases:

Restauración o recuperaciónRestauración o recuperaciónRecristalizaciónCrecimiento de grano.

1) Restauración o recuperación1) Restauración o recuperación

a) Restauración de la resistividad eléctrica

b) Liberación de la energía almacenadab) Liberación de la energía almacenada

c) Restauración de las propiedades mecánicas

d) Restauración de la estructura:d) Restauración de la estructura:

- Disminución de defectos puntuales en el interior de los granos

- Movimiento de las dislocaciones- Movimiento de las dislocaciones

-Reordenamiento de éstos en configuraciones nuevas(poligonización)

a) Restauración de la resistividad

Cuando se eleva la temperatura, se observa una disminución de laresistividad, lo que puede atribuirse a la migración y eliminación de vacanciasy una reducción de la densidad de dislocacionesy una reducción de la densidad de dislocaciones

Niquel 99,85% (70% def)q ( )

(1) resistividad eléctrica

(2) densidad

(3) energía almacenada

b) Liberación de energía almacenada (calorimetría)

Níquel Cobre

(1) Dureza(1) Resistividad elec.

(2) Resistividad elec.

(3) Energía liberada

(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 endurecimientoya que solo la agrupación de vacancias provocan un endurecimiento.

La evolución de las propiedades mecánicas dependen fundamentalmentedel comportamiento de las dislocaciones

Metales de baja energía de falla de apilamiento : las propiedadesmecánicas solo evolucionan en la etapa de recristalización (aleaciones decobre)

Metales con alta energía de falla de apilamiento (donde es más fácil unareordenación importante de las dislocaciones) se produce una restauraciónreordenación importante de las dislocaciones) se produce una restauraciónnotable de las propiedades mecánicas antes de la recristalización (Feα)

d) Restauración de la estructura (microscopía óptica, electrónica y DRX)) ( p p , y )

La variación de la estructura se puede observar en metales donde seproduce la restauración de las propiedades mecánicas antes de larecristalización (metales con alto valor de energía de falla de apilamiento)recristalización (metales con alto valor de energía de falla de apilamiento)

Poligonización después de flexión Coalescencia de dislocacionesPoligonización después de flexión (a) monocristal (b) deslizamiento por flexión (c) poligonización

para formar bordes de grano deángulo pequeño

(a) (b)

(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 del Cug

Fotografía de granos Latón, con redisposición de dislocaciones

2) Recristalización2) Recristalización

La recristalización es un proceso que se desarrolla por nucleación ycrecimiento.

Los sitios preferenciales de nucleación de los nuevos granos son lasregiones más deformadas, como bordes de grano, planos de deslizamiento, yen zonas de alta energía como precipitados de segunda fase y, también, entorno a inclusiones no metálicas

Si el núcleo se forma rápidamente y crece con lentitud, se formarán muchoscristales antes de que se complete el proceso de recristalización, es decir, eltamaño final del grano será pequeño. En cambio, si la velocidad denucleación es pequeña comparada con la velocidad de crecimiento, el tamañode 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 dela estructura poligonizada, eliminando la mayoría de las dislocaciones.

Los nuevos granos recristalizados adoptan formas más o menosregulares, debido a las anisotropías de su velocidad de crecimiento.

Cuando los granos entran en contacto unos con otros, se acaba la fasellamad recristalización y se entra en la fase llamada crecimiento de grano

C úComo 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 granosdonde 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%recocido a 575 C después de una deformación de 15%

Leyes de la recristalización:Leyes de la recristalización:

La recristalización se produce solamente después de una ciertadeformación inicial, llamada acritud crítica

Acritud crítica: diámetro de los granos, d, en función de la deformación ε

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

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

Si la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocidoSi la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocidodisminuye

Grafico % recristalización versus tiempo de recocido

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

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

Cuando más grande es la dimensión de los granos iniciales, mayor es ladeformación requerida para producir la recristalización en unas condicionesdeformación requerida para producir la recristalización, en unas condicionesdadas de temperatura y tiempo.

El tamaño de los granos recristalizados depende principalmente delporcentaje 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%

La temperatura de recristalización disminuye cuando mayor es la purezadel metal

Material Tª de recristalización, °C

Cobre (99,999%) 121

Cobre 5% zinc 315Cobre, 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

A una temperatura dada la velocidad de recristalización (volumenA una temperatura dada, la velocidad de recristalización (volumenrecristalizado por unidad de tiempo) parte de cero, crece y pasa por unmáximo

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 producidasdurante la deformación, constituye la fuerza motriz para la formación ycrecimiento de nuevos granos (éstos aparecen en las zonas más fuertementecrecimiento de nuevos granos (éstos aparecen en las zonas más fuertementedeformadas.

Mecanismo de la recristalizaciónMecanismo de la recristalización

La recristalización es un proceso que se divide en dos etapas: nucleacióny crecimiento. La velocidad de recristalización (volumen recristalizado porunidad de tiempo) se expresa como:

G*Nv =•

tiempodeunidadpornucleosdenúmeroN =•

)tB(exp1v

ocrecimientdevelocidadG

n−−=

=

3) Crecimiento de grano

En un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para elp , p pcrecimiento de los granos corresponde a la disminución de la energíaasociada con los bordes de grano.

El crecimiento de los nuevos granos se produce por movimiento de lainterfase grano recristalizado-grano deformado

Los bordes de grano tienden a moverse hacia el centro de la curvaturaLos 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

i i t )crecimiento)

Tamaño de grano:

Grado de deformación previa: Un aumento en la deformación previafavorece la nucleación y, como consecuencia, la obtención de un tamaño finalde grano pequeño.g p q

Permanencia a temperatura: Cualquiera sea la temperatura de recocido,cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura, mayor es lafacilidad que tiene el grano para crecer y por tanto mayor es su tamaño finalfacilidad que tiene el grano para crecer y, por tanto, mayor es su tamaño final.

Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura derecristalización, cuanto menor sea la temperatura mas fino será el tamaño degrano final

Duración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarda enalcanzar la temperatura de recocido mas fino será el tamaño de grano finalalcanzar la temperatura de recocido mas fino será el tamaño de grano final

Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolublespequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una

t t d fi (l i t l l ió túestructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleación y actúan comobarreras que obstruyen el crecimiento de los granos).

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