UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)

Objetivo: Explicar los diferentes fenmenos de recuperacin y recristalizacin que suceden en materiales Cuando un metal a sufrido deformacin plstica se dice que tiene acritud

Fenmeno de recristalizacin: Se deforma plsticamente un metal Se calienta el metal hasta una temperatura del orden de la mitad de la temperatura de fusin y se mantiene un tiempo t

Temperatura de trabajo en froUna regla emprica aproximada es suponer que la deformacin plstica corresponde al trabajo en fro si este se efecta a temperaturas menores de la mitad del punto de fusin medido sobre una escala absoluta.Laminado(rolado)ForjadoTrefiladoExtrusin

EmbutidoEstiradoDobladoEnerga del trabajo mecnicoDisipacin en forma de calor

Energa de deformacin (10%)

Caractersticas del trabajo en fro: Elevada densidad de dislocaciones (1081012 lneas de dislocacin/cm2) Simultneamente se puede endurecer el metal y producir la forma deseada Es un mtodo econmico para producir grandes cantidades de pequeas piezas ya que no se requieren de fuerzas elevadas ni de equipos de conformado costosos. Durante el trabajo en fro la ductilidad, la conductividad elctrica y la resistencia a la corrosin se deterioran. Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrpico adecuadamente controlados pueden ser benficos. Algunas tcnicas de procesamiento por deformacin solo pueden efectuarse si se aplica trabajo en fro (es decir, si la deformacin endurece el material)

Algunas tcnicas de procesamiento por deformacin solo pueden efectuarse si se aplica trabajo en fro (es decir, si la deformacin endurece el material)

Procesos que permitirn aproximar el metal al estado de equilibrio:

La reduccin del nmero de defectos puntuales, por migracin y anulacin recproca en pozos (dislocaciones, uniones de grano) La aniquilacin mutua de dislocaciones de signo opuesto La reordenacin de las dislocaciones en redes ms estables de deslizamiento La absorcin de las dislocaciones por los limites de grano La reduccin del rea total de las superficies que limitan los granos

La elevacin de la temperatura del metal provoca el retorno de las propiedades, o a la estructura, de un estado ms 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 fro y hacer que adopte una forma libre de deformaciones.

Este proceso se realiza totalmente en el estado slido, 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:

Restauracin o recuperacin Recristalizacin Crecimiento de grano.Recocido

Restauracin o recuperacinTodos los fenmenos de recocido que se presentan antes de la aparicin de granos nuevos sin deformacin.

RecristalizacinEs la nucleacin de los granos nuevos sin deformacin

Crecimiento de grano.Consumo gradual de la matriz trabajada en fro debido el crecimiento de estos granos

La fuerza impulsora para la etapa de recuperacin y recristalizacin es la energa almacenada de la matriz trabajada en fro.La fuerza impulsora para el crecimiento de los granos es nicamente la curvatura de los lmites de granos.

Fraccin de energa almacenada en el cobre con relacin a la energa mecnica, en funcin de la tasa de deformacin, para dos valores de tamao de grano

Energa almacenadaCuando una aleacin se deforma plsticamente, se producen defectos en la red cristalina, y estos defectos, junto con la deformacin elstica sirven como mecanismos para el almacenamiento de energa en la aleacin.a) Mecanismos de almacenamiento de energa Deformacin elstica: la energa de deformacin elstica representa solamente de un 5 a 10% de la energa total que se ha almacenado

Defectos reticulares: durante el trabajo en fro se producen dislocaciones, vacancias, tomos intersticiales, fallas de apilamiento y lmites de maclas.

b) Variables que afectan la cantidad de energa almacenada Pureza: la adicin de tomos de impurezas a un metal incrementa la cantidad de energa almacenada (aparentemente estos tomos estorban el movimiento de las dislocaciones y se multiplican) Deformacin: los procesos ms complejos de deformacin producen energas almacenadas ms altas (Una tensin simple activa solo dos planos de deslizamiento en un metal FCC, mientras que la extrusin activar el deslizamiento en las cuatro posibles familias de planos de deslizamiento) Temperatura: la deformacin a temperatura ms baja incrementa la cantidad de energa almacenada (mayor interaccin entre defectos) Tamao de grano: la cantidad de energa almacenada se incrementa al disminuir el tamao de grano (la densidad de dislocaciones producidas por deformacin es inversamente proporcional al tamao de grano)

Cambio de las propiedades durante el recocido (liberacin de la energa almacenada)

1) Restauracin o recuperacina) Restauracin de la resistividad elctricab) Liberacin de la energa almacenadac) Restauracin de las propiedades mecnicasd) Restauracin de la estructura:- Disminucin de defectos puntuales en el interior de los granos- Movimiento de las dislocaciones-Reordenamiento de stas en configuraciones nuevas (poligonizacin)

Mecanismos de recuperacin

TemperaturaMecanismoBaja Migracin de defectos puntuales hacia sumideros (lmites de grano, dislocaciones, etc.) Combinacin de defectos puntualesMedia Nuevo arreglo de dislocaciones Aniquilacin de dislocaciones crecimiento de subgranosAlta Trepado de dislocaciones Aglutinacin de dislocaciones Poligonizacin

Restauracin de la resistividad

Cuando se eleva la temperatura, se observa una disminucin de la resistividad, lo que puede atribuirse a la migracin y eliminacin de vacancias y una reduccin de la densidad de dislocacionesNquel 99,85% (70% deformacin) resistividad elctrica densidad energa almacenada

b) Liberacin de energa almacenada (calorimetra)Nquel CobreDurezaResistividad elec.Energa liberadaResistividad elec.DensidadEnerga liberada

c) Restauracin de las propiedades mecnicas

Las propiedades mecnicas son poco sensibles a los defectos puntuales, ya que solo la agrupacin de vacancias provocan un endurecimiento. La evolucin de las propiedades mecnicas dependen fundamentalmente del comportamiento de las dislocaciones

Metales de baja energa de falla de apilamiento : las propiedades mecnicas solo evolucionan en la etapa de recristalizacin (aleaciones de cobre, nquel)

Metales con alta energa de falla de apilamiento (donde es ms fcil una reordenacin importante de las dislocaciones) se produce una restauracin notable de las propiedades mecnicas antes de la recristalizacin (Fe)

d) Restauracin de la estructura (microscopa ptica, electrnica y DRX)La variacin de la estructura se puede observar en metales donde se produce la restauracin de las propiedades mecnicas antes de la recristalizacin (metales con alto valor de energa de falla de apilamiento)

Poligonizacin despus de flexin (a) monocristal (b) deslizamiento por flexin (c) poligonizacinCoalescencia de dislocaciones para formar bordes de grano de ngulo pequeo

Poligonizacin de un monocristal de Fe-Si (a) Despus de flexin (b) 1 h a 850 C (c) 1 h a 1060C(a)(b)(c)

Poligonizacin del AlPoligonizacin del Cu

Para que las dislocaciones se alineen debe haber deslizamiento y trepado.En general, en los materiales policristalinos, podemos decir que:La poligonizacin requiere un exceso de dislocaciones de borde Se produce nicamente a temperatura de recuperacin ms alta, ya que debe existir trepado de dislocaciones Produce subgranos de tamao 10 veces ms grande que los que se producen va condensacin de laberintos o grupos de dislocaciones

Fotografa de granos Latn, con redisposicin de dislocaciones

2) Recristalizacin La recristalizacin es un proceso que se desarrolla por nucleacin y crecimiento. Los sitios preferenciales de nucleacin de los nuevos granos son las regiones ms deformadas, como bordes de grano, planos de deslizamiento, y en zonas de alta energa como precipitados de segunda fase y, tambin, en torno a inclusiones no metlicas Si el ncleo se forma rpidamente y crece con lentitud, se formarn muchos cristales antes de que se complete el proceso de recristalizacin, es decir, el tamao final del grano ser pequeo. En cambio, si la velocidad de nucleacin es pequea comparada con la velocidad de crecimiento, el tamao de grano ser grande

La recristalizacin ocurre debido a la nucleacin 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 mayora de las dislocaciones. Los nuevos granos recristalizados adoptan formas ms o menos regulares, debido a las anisotropas de su velocidad de crecimiento. Cuando los granos entran en contacto unos con otros, se acaba la fase llamad recristalizacin y se entra en la fase llamada crecimiento de grano Como se ha reducido de manera importante el nmero de dislocaciones, el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero una elevada ductilidad.

Esquema de zonas altamente deformadas en trabajo en fro, donde surgen los nuevos granos.

Inicio de la recristalizacin alrededor de inclusiones de xidos de un hierro altamente deformado

Granos recristalizados en un matriz deformada: hierro electroltico recocido a 575 C despus de una deformacin de 15%

Cintica de la recristalizacinLa etapa de recristalizacin se produce por la nucleacin de granos nuevos sin deformacin, que crecen y consumen la matriz trabajada en fro. La velocidad de recristalizacin (volumen recristalizado por unidad de tiempo) se expresa como:

A una temperatura dada, la velocidad de recristalizacin (volumen recristalizado por unidad de tiempo) parte de cero, crece y pasa por un mximoCintica de recristalizacin del aluminio a 350 C, deformado por traccin 5%

Efecto de la deformacin, pureza y tamao de grano sobre G Al incrementar la energa almacenada se incrementar la velocidad de crecimiento (aumento de deformacin o disminucin de tamao de grano)

Al disminuir la pureza, disminuye la velocidad de crecimiento, por disminuir la movilidad del lmite del grano

Efecto de la deformacin, pureza y tamao de grano sobre N la velocidad de nucleacin de la recristalizacin se incrementa con la deformacin.

A menor tamao de grano, mayor es la velocidad de nucleacin (los granos pequeos producen deformaciones locales ms altas, lo cual aumenta la velocidad de nucleacin)

El efecto de la pureza sobre la velocidad de nucleacin no esta bien definido, Sin embargo, como las impurezas incrementan la cantidad de energa almacenada para un % de deformacin dado, se espera que la velocidad de nucleacin se incremente con la presencia de impurezas.

La recristalizacin se produce solamente despus de una cierta deformacin inicial, llamada acritud crtica. Acritud crtica: dimetro de los granos, d, en funcin de la deformacin Leyes de la recristalizacin

Cuando menor es la deformacin, ms elevada es la temperatura de recristalizacin (La temperatura de recristalizacin corresponde a la temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en fro se recristaliza por completo en una hora)

Variacin de la temperatura de recristalizacin con la cantidad de deformacin

A mayor porcentaje de deformacin inicial, menor tamao de grano recristalizadoVariacin del tamao de grano recristalizado en funcin del tamao de grano inicial

Si la temperatura de recristalizacin aumenta, el tiempo de recocido disminuye Grafico % recristalizacin versus tiempo de recocido

Diagrama temperatura tiempo de recristalizacin de un acero Sin embargo, un metal puede ser recocido sobre un rango de temperaturas

Cuando ms grande es la dimensin de los granos iniciales, mayor es la deformacin requerida para producir la recristalizacin, en unas condiciones dadas de temperatura y tiempo. El tamao de los granos recristalizados depende principalmente del porcentaje de deformacinTamao de grano recristalizado de un latn en funcin de la deformacin inicial, para dos diferentes valores de tamao de grano inicial

Recristalizacin a 760 C de una probeta de hierro despus de deformacin por traccin variando de 7% a 2,9%

La temperatura de recristalizacin disminuye cuando mayor es la pureza del metal

MaterialT de recristalizacin, CCobre (99,999%)121Cobre, 5% zinc315Cobre, 5% aluminio288Cobre, 2% berilio371Aluminio (99,999%)79Aluminio (99,0%+)288Aleaciones de aluminio315Nquel (99,99%)371Aceros bajo en carbono538Magnesio (99,99%)65Aleaciones de magnesio232Zinc10Estao-44Plomo-4

Fuerza impulsora de la recristalizacin:La energa almacenada, en forma elstica, por las dislocaciones producidas durante la deformacin, constituye la fuerza motriz para la formacin y crecimiento de nuevos granos (stos aparecen en las zonas ms fuertemente deformadas.

3) Crecimiento de grano En un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para el crecimiento de los granos corresponde a la disminucin de la energa 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 ngulo entre tres bordes de grano es de alrededor de 120

Crecimiento de burbujas en dos dimensiones

Equilibrio de las tensiones interfaciales de tres granosMecanismo de crecimiento de los granos (las flechas indican las direcciones de crecimiento)

Tamao de grano:

Grado de deformacin previa: Un aumento en la deformacin previa favorece la nucleacin y, como consecuencia, la obtencin de un tamao final de grano pequeo.

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 tamao final.

Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de recristalizacin, cuanto menor sea la temperatura mas fino ser el tamao de grano final

Duracin del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura de recocido mas fino ser el tamao de grano final

Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeas, uniformemente distribuidas, favorecer la obtencin de una estructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleacin y actan como barreras que obstruyen el crecimiento de los granos).

Esquema de un proceso total de recocido con sus respectivas microestructuras.