Endurecimiento de metales
51
Click here to load reader
description
Endurecimiento de metales y aleaciones
Transcript of Endurecimiento de metales
VV
Endurecimiento Endurecimiento dede
metales y metales y aleacionesaleaciones
Mecanismos de endurecimiento
Cuanto menor sea la movilidad de las dislocaciones mayor será la resistencia mecánica y también la dureza del metal. Las formas para endurecer las que se resumen en las siguientes:
1.- Endurecimiento por deformación en frío
2.- Endurecimiento por afino de grano
3.- Endurecimiento por solución sólida
4.- Endurecimiento por segunda fase gruesa y fina
5.- Endurecimiento por martensita
1. Endurecimiento por deformación en frío
Ttrab < 0,5 Tf [K]
La deformación en esta condición térmica produce un incremento de la densidad de dislocaciones y como consecuencia una interacción entre ellas que hace disminuir la facilidad de movimiento.
Una lata de aluminio para bebida puede aumentar su resistencia en casi un 70% por la deformación en su fabricación.
Trabajo en frío y curva Esfuerzo-Deformación
Ttrab < 0,5 Tf [K]La primera curva en rojo es un ensayo completo de tracción.Supongamos un esfuerzo de un valor S1 y después se elimina el esfuerzo, quedará una deformación e1.
Una muestra con las características S1- e1 sometida a S2 se deformaría e2. Su límite elástico es ahora mayor y su resistencia también.
Sucesivas experiencias se resumen en la tercera figura. En cada etapa la deformación máxima de un material deformado es menor, es decir con la deformación disminuye la ductilidad.
Trabajo en frío y curva Esfuerzo-Deformación
Las figuras siguientes explican la recuperación elástica.
La deformación total es la suma de las componentes elástica y plástica.Cuando se elimina el esfuerzo se recupera la deformación elástica , pero la deformación elástica no.
Recuperación elástica
Coeficiente de endurecimiento por deformación
La pendiente de la porción plástica de la curva esfuerzo real – deformación real es el coeficiente o exponente de endurecimiento por deformación.
nK
nLnLnKLn
σ = Esfuerzo real o verdaderoK = Coeficiente de resistencia Si ε = 1 entonces σ = Kn = Coeficiente de endurecimientoε = Deformación real o verdadera
n grande
n pequeño
Deformación real
Esfu
erzo
rea
l
En los metales el endurecimiento por deformación es el resultado de la multiplicación e interacción de dislocaciones.
Esfuerzo requerido para deformar
bkd
c
e
Aplicando logaritmo natural se tiene:d
bkC Ln Ln
d, Distancia entre planos más compactos
Ln
d
bk
Del gráfico se deduce que a mayor distancia entre planos más compactos, menor es el esfuerzo necesario para deformar.
La separación da holgura para la distorsión que se provoca.
Deformación en frío
La deformación en frío es la que se realiza por debajo de la temperatura de recristalización (TR 0,5Tf ) produce un gran aumento de dislocaciones en la estructura cristalina, como consecuencia la red atómica adquiere un importante nivel de distorsión, luego todas las propiedades dependientes de la estructura cristalina experimentan alteración:
- Resistencia a la tensión- Límite elástico- Dureza- Ductilidad- Conductividad eléctrica
La dureza y el límite elástico se incrementan en mayor grado que la resistencia a la tensión, principalmente en la primera etapa de la deformación (10 %).
Resis
tenc
ia a
la te
nsió
n
Lí
mite
elá
stico
% de trabajado en frío
T
Y
Energía de la dislocación
La distorsión provocada por las vacancias se extiende a cortas distancias, en cambio el esfuerzo causado por una dislocación es significativo a distancias sobre 100 ao (distancias interatómicas).
Se consideran tres aspectos:1.- La energía asociada con el esfuerzo alrededor de una dislocación es
bastante grande.
2.- En este extenso campo de esfuerzo, dislocaciones lejanas interactúan entre ellas y cambian sus posiciones para disminuir la energía de esfuerzo total de la red.
3.- En el recocido, al calentar un metal deformado en frío, lo primero que ocurre es una disminución de la energía del metal.
Características del trabajo en frío
Características del trabajo en frío
6. La baja de conductividad eléctrica es menor que con la adición de aleantes, entonces para endurecer es mejor deformar en frío para el caso de los conductores eléctricos.
7. La anisotropía puede ser beneficiosa si los esfuerzos residuales son controlados adecuadamente.
8. No se puede usar el endurecimiento por deformación en frío en componentes sometidos a altas temperaturas de servicio.
9. Algunos procesos de deformación resultan sólo si es en frío, como el trefilado de alambres.
El σ en A0 debe ser mayor que σy ,pero σ sobre Af debe ser menor que σy .
Se logra sólo si se endurece por def. en frío.
Energía debida a la deformación en frío
En la deformación en frío la mayor parte de la energía utilizada para la deformación, se disipa como calor, una cantidad menor se almacena en la estructura como defectos creados durante el proceso.
Se ha indicado varias veces que la deformación en frío aumenta la energía interna del material, luego, este aumento energético es equivalente al ascenso de una esfera por un cerro, con el consiguiente incremento de energía potencial.
E1 depende de la cantidad de deformación en frío E2 depende de la temperatura de fusión.
Las tres etapas del recocido
El recocido de recristalización se compone de tres etapas:
- Recuperación- Recristalización- Crecimiento de grano
El máximo de deformación en frío que admite una aleación no permite acumular energía suficiente como para superar la energía de activación del proceso de recristalización.
Recocido de recristalización
Normalmente este proceso se desarrolla a continuación de una deformación en frío debido a una gran disminución de la ductilidad o a un gran aumento de la dureza por un aumento de las dislocaciones. Luego, si se logra reducir su número se invertirán los efectos del trabajo en frío.
Debido a que el sistema siempre tiende hacia un mínimo de energía libre, hay una tendencia a una eliminación o disminución de dislocaciones, de modo que la energía de esfuerzo total decrezca.
La velocidad, a la cual ocurren estos rearreglos de dislocaciones, depende fuertemente de la temperatura.
De manera que estas se mueven en respuesta al campo de esfuerzos circundante.- Dislocaciones con fuerzas atractivas entre ellas se desplazan juntándose.Dislocaciones con fuerzas atractivas entre ellas se desplazan juntándose.- Dislocaciones con fuerzas repulsivas entre ellas se desplazan alejándoseDislocaciones con fuerzas repulsivas entre ellas se desplazan alejándose.
I Etapa, Recuperación
Ocurre en la primera parte del recocido, a baja temperatura.
En esta etapa las dislocaciones se mueven y formen límites de una estructura estructura subgranular poligonizadasubgranular poligonizada, pero sin cambio en la estructura del grano.
La formación de estos arreglos de dislocaciones prácticamente no producen disminución de la dureza o la resistencia, ya que la densidad de dislocaciones permanece, virtualmente, sin cambio y ahora se ha creado una gran cantidad de límites de subgranos, de manera que mantienen las barreras al movimiento de dislocaciones. Sin embargo, se reducen o eliminan esfuerzos residuales cuando se acomodan las dislocaciones. No cambia el número de ellas.
a) Metal trabajado en frío
b) Después de la Recuperación
La conductividad eléctrica sube notoriamente, pero las propiedades mecánicas no experimentan cambio alguno.
Esto permite fabricar alambre de cobre o aluminio para la transmisión de energía eléctrica que sea resistente y con alta conductividad.
La recuperación mejora la resistencia a la corrosión de los metales.
A consecuencia de las diferentes orientaciones de los cristales, al suprimir la carga, no se elimina toda la deformación elástica, o sea no todos los átomos recuperan sus posiciones, sino hasta que sube algo más la temperatura o sea en la recuperación.
Recuperación
II Recristalizació
n
Esta etapa se realiza sólo si es necesario recobrar las propiedades iniciales; para seguir deformando o si el material se requiere con las propiedades iniciales.
Este proceso ocurre según la siguiente secuencia:- Nucleación de pequeños granos libres de deformación , es decir libres de
esfuerzos.- Crecimiento de estos granos, en la matriz deformada a expensas de átomos de
la matriz.- A medida que estos crecen y se consume la matriz, las dislocaciones van
disminuyendo en número, quedando algunas en los bordes de los nuevos granos.
- Cuando los granos nuevos se tocan con otros la recristalización se ha completado.
- A la temperatura a la que aparece una microestructura de nuevos granos se le denomina temperatura de recristalización.
Resumen variación de las propiedades
Durante la recristalización se forman por nucleación y crecimiento cristales y posteriormente granos libres de deformación, alcanzando, posteriormente, todo el material y por tanto recobrando las propiedades originales, es decir las que el metal poseía antes de la deformación.
Control del recocido y temperatura de recristalización
El objeto del control del recocido es obtener las propiedades deseadas, como dureza, ductilidad, tamaño de grano u otras.
Para ello hay que conocer la temperatura de recristalización y el tamaño de grano recristalizado.
TR no es una temperatura fija como la temperatura de fusión de un metal puro, depende de varios factores:- Cantidad de deformación en frío- Tamaño de grano inicial- Metal puro o aleación- Temperatura de fusión del metal o aleación
TR define el límite entre trabajo en frío y trabajo en caliente.
Temperaturas mín. recristalización para FeTemperaturas mín. recristalización para FeDeformación crítica aprox. 4 %Deformación crítica aprox. 4 %
Así como los diferentes grados de deformación en frío introducen diferentes niveles energéticos en la estructura cristalina del metal, la temperatura de recristalización también será diferente para cada % de deformación.
Temperatura de recristalización
Variación de las propiedades a Variación de las propiedades a diferentes temperaturas de recocido diferentes temperaturas de recocido según % de deformación en fríosegún % de deformación en frío
Temperatura de Recristalización es la temperatura a la cual los granos deformados comienzan a transformarse, mediante nucleación y crecimiento en granos equiaxiados y libres de dislocaciones,.
Para recristalizar es necesaria una deformación, en frío mínima que va de 3 a 8 % y con una temperatura también mínima que depende, como ya se sabe, de la temperatura de fusión de la aleación.
1. La temperatura de Recristalización disminuye si la cantidad de trabajo en frío aumenta.
2. Un tamaño inicial menor de los granos deformados en frío reduce la temperatura de recristalización.
3. A tiempos más largos de recocido las temperaturas de recristalización son menores.
Temperatura de recristalización
4. Las aleaciones con temperaturas de fusión más altas tienen temperaturas de recristalización más altas.
5. La temperatura de recristalización define el límite entre trabajo en frío y trabajo en caliente.
Deformación en caliente
Si se analizan las temperaturas de recristalización de diferentes metales, se podrá verificar que el Zn, Sn, y Pb tienen temperaturas de recristalización inferiores a la temperatura ambiente, luego no pueden trabajarse en frío.En estos casos, se produce espontáneamente una recristalización a continuación de la deformación.
Crecimiento de granos
La recuperación y la recristalización es más rápida si la temperatura es más alta, de manera que casi simultáneamente con el término de la recristalización comienza el crecimiento de grano.
Se produce con reducción de los bordes de grano y los granos más grandes eliminan a los granos más pequeños.
Este proceso es casi siempre indeseable por la pérdida de propiedades que lo acompañan.
Las ampolletas antiguas tenían filamento de tungsteno y la alta temperatura de operación ocasionaba el crecimiento de grano y era uno de los factores de la falla del filamento.
Crecimiento de grano
La predominancia de factores que afecten la nucleación y el crecimiento de granos provocarán granos grandes o chicos. Los factores son:
a) Cantidad de deformación en fríob) Temperatura de recocidoc) Tiempo d) Contenido de impurezas insolublese) Tamaño de grano inicial
a) En el umbral de la cantidad de deformación en frío necesaria para recristalizar, nuclean pocos granos y el tamaño resultante es muy grande. Esta característica es usada en la fabricación de monocristales.Generalmente, por aumento de la cantidad de deformación en frío, se aumenta la velocidad de nucleación más que la velocidad de crecimiento, entonces el tamaño de grano recristalizado es menor, si mayor es la deformación en frío.
Crecimiento de grano
b) La temperatura es un factor de crecimiento de grano, entonces mientras es más baja la temperatura (siempre que esté sobre 0,5 Tf K) del tratamiento más finos serán los granos.
c) El tiempo a temperatura también favorece el crecimiento de grano ya que es un proceso que opera por difusión.
d) Impurezas insolubles contribuyen a afinar el grano pues actúan como centros nuclantes y como barreras al crecimiento de los granos
e) Si el tamaño de grano inicial es pequeño habrá mayor energía acumulada por mayor energía de superficie, entonces rquerirá menos aporte calórico para vencer la energía de activación que uno de grano grande.
Un material policristalino tiene muchos bordes de grano, y representa una alta energía (de superficie), a causa de la ineficiente compactación de los átomos. Si se reduce el área total de bordes de grano mediante su crecimiento, el material tendrá una energía inferior.
Durante el crecimiento de grano los átomos difunden a través de los bordes de grano. Altas temperaturas o bajas energías de activación incrementarán el tamaño de los granos.
Crecimiento de grano
Crecimiento de grano I
Existe una teoría generalizada:
Los granos de mayor tamaño tienen, generalmente, superficies cóncavas y los de menor tamaño presentan superficies convexas”.Lo átomos ubicados en superficies convexas tienen un menor número de vecinos cercanos o un menor número de coordinación y por tanto, una energía más alta que el resto de los átomos del grano.
De manera que ante un aumento del nivel térmico los átomos más energizados serán los primeros en salir de su condición metaestable y pasar a incorporar la superficie cóncava.
Así, el grano grande crece a expensas del pequeño.
Crecimiento de grano I
Superficies convexas retroceden
Superficies cóncavas avanzan
De esta manera los granos grandes crecen a expensas de los más pequeños.
Crecimiento de grano II
Los átomos ubicados en los bordes de cualquier grano están más energizados que los del interior.
Entonces, la fracción de átomos que cambian de posición es mayor en los granos pequeños que en los grandes.
Como consecuencia, se produce una reducción de tamaño de los granos pequeños en beneficio de los mayores.
grano el todode átomos Ngrano de bordesen posición decambian que átomos N
f
Crecimiento de grano
Efecto de la temperatura de recocido sobre el tamaño de grano en el latón. 75 Xa) Recocido a 400 ºC, b) Recocido a 650 ºC, c) Recocido a 800 ºC
Tratamientos térmicos de metales, que implican mantener el metal a una temperatura, deben ser controlados cuidadosamente a fin de evitar un crecimiento excesivo de los granos con el consiguiente deterioro de las propiedades.
Crecimiento de grano
(1) 20
2 tkdd dd = tamaño de granodd00 = tamaño inicial de granokk = cte. dependiente del material y de la temperaturatt = tiempo de tratamiento
RTEa
ekk
0
EEaa = energía de activación del proceso de crecimientoRR= constante universal de los gases T T = temperatura absoluta
Reemplazando en (1) (2) RTE
02
02
a etkdd
T1
Crecimiento de grano
Aplicando logaritmos a la ecuación (2)
LntLnKRTEddLn a 0
20
2 )(
Ln(d
2 -d02 )
Aumentando la temperatura, la diferencia R-R0 se hace mayor.
2. Endurecimiento por afino de grano
Los límites de grano actúan como barreras al movimiento de dislocaciones, entonces al aumentar como consecuencia de un menor tamaño de granos, la dureza se incrementará.Existe una relación experimental entre límite elástico, σy y el tamaño medio de grano: Relación de Hall - Petch d
KY 0
σ0 , K : son constantes dependientes del material y la temperatura
Índice ASTM y tamaño de grano por mm2 y por mm3
Al reducir el tamaño de grano se incrementa la cantidad de ellos y en consecuencia la cantidad de límites de grano. Las dislocaciones podrán desplazarse sólo distancias cortas incrementando la resistencia, límite elástico y dureza del material.
2/10
Kdy Ecuación de Hall-Petch relaciona el tamaño de grano con el límite elástico.
σy = límite elásticoσ0, K = constantes para el metald = diámetro de grano
Tamaño de grano y límite elástico
Esta ecuación no es valida para granos muy grandes o ultrafinos.
El límite elástico de un bicristal aumenta linealmente con el aumento de la desorientación a través del límite de grano y extrapolando a un ángulo de cero desorientación da un valor cercano al limite elástico de un monocristal
Efecto del tamaño de grano sobre el límite elástico del acero a temperatura ambiente.
Tamaño de grano y límite elástico
3. Endurecimiento por solución sólida
La deformación o distorsión de la red se produce por:
- diferencias de tamaño de los átomos del soluto y los del solvente en el caso de soluciones sustitucionales.
- diferencias de tamaño entre los átomos intersticiales y el espacio intersticial que son más pequeños. Los átomos pequeños se alojan también en las vacancias que dejan las dislocaciones haciendo que estas se anclen o estabilicen.
Se puede ver en ambos casos la distorsión que provoca el átomo soluto.
Endurecimento del cobre aleado con elementos de diferente tamaño atómico.
Siempre una aleación es más fuerte que c/u de sus elementos puros.
3. Endurecimiento por solución sólida
Se puede apreciar que el factor tamaño del átomo soluto es fundamental para el fortalecimiento de la aleación.
Si dos metales cumplen las reglas de Hume Rothery forman soluciones sólidas.
Si el factor tamaño es mayor que 15 % la solubilidad es restringida a menos de 1 %.
Metales que no tienen una fuerte afinidad química tienden a formar soluciones sólidas.
Metales que están lejos en la serie electroquímica tienden a formar compuestos intermetálicos.
Solución sólida
La solubilidad de un metal con valencia más alta en un solvente de valencia más baja es más extensa que para la situación inversa.
Ej Zn es más soluble en Cu que Cu en Zn (Valencia Zn = 2; Valencia Cu =1 y 2)
El incremento de dureza está relacionado con la diferencia de tamaño de los átomos solventes y solutos o con el cambio del parámetro de red resultante por la adición de soluto.
Sin embargo, el factor tamaño no explica por si solo el endurecimiento por solución sólida. También debe considerarse la valencia relativa del soluto y del solvente. Hume Rothery descubrió que, independientemente del elemento de aleación, el cambio de fase ocurre a un valor fijo de la relación electrón/ átomo, [e/a]. Como los diferentes átomos de soluto puede tener diferentes valencias, la relación e/a cambia a diferentes composiciones en c/u de los diferentes sistemas estudiados.
Relación electrón/átomo, e/a
Límite elástico de la aleación de cobre en función de la razón electrón / átomo (e/a).O sea, el número promedio de electrones de valencia por átomo soluto y solvente en la aleación.
Solución sólida
El esfuerzo de cizalle requerido para mover una dislocación está dado por:
cGb 3G = modulo de cizalle (G = τ/γ)b = vector de BurgerC = concentración de solutoε = deformación causada por el soluto
Aumentando la concentración de soluto aumenta el límite elástico, pero hay un límite a la concentración de soluto, la que se puede obtener del diagrama de fases respectivo.
En general el endurecimiento por solución sólida depende de:
- Concentración de átomos soluto- Módulo de cizalle de los átomos soluto- Tamaño del átomo soluto- Valencia del átomo soluto (para materiales iónicos)- Simetría del campo de esfuerzos provocados por el soluto
4. Endurecimiento por segunda fase
Un número relativamente pequeño de átomos permite solubilidad total entre ellos.
También el fortalecimiento por solución sólida es limitado, luego muchas aleaciones comerciales contienen microestructura heterogénea de dos o más fases.
Segunda fase de Fe-Cr en Zircaloy 4 Dos fases en aleación Be-Al
En general la microestructura se presenta en dos tipos:
(a)El tamaño de la segunda fase aparece es del orden del tamaño de grano de la matriz.
Fase beta en latón de matriz alfa o colonias de perlita en matriz ferrítica en acero recocido.(b) La segunda fases se presenta dispersa en la matriz. Cada partícula está rodeada por la matriz.
4. Endurecimiento por segunda fase
La segunda fases aparece por sobresaturación de la fase matriz.
Cada fase contribuye a las propiedades promedio de la aleación, por ejemplo la densidad de una aleación de dos fases será igual a la suma de la fracción de volumen de cada fase por sus respectivas densidades, lo que indica que si hay una aleación con dos fases dúctiles no necesariamente la aleación se fortalece con la segunda fase.
2211
2211
ff
ff
prom
prom
σ = resistenciaf = fracción en volumen de faseε = deformación de la fase
4. Endurecimiento por segunda fase fina
También es llamado endurecimiento por precipitación o envejecimiento
En 1903(6) un investigador alemán Alfred Wilm descubrió el endurecimiento en una aleación Al – 2,5-4,5Cu; 0,3-0,9Si; 0,3-1Mg; 0,5-0,8Mn que en 1909 se produjo comercialmente con el nombre de Duraluminio.
Posteriormente se dedujo, acertadamente, que la dureza se debía a la aparición de precipitados submicroscópicos
La presencia de segunda fase en la matriz continua produce esfuerzos internos que modifican las propiedades plásticas de la fase continua. Varios factores deben considerarse: tamaño, forma, número y distribución de partículas de segunda fase.
En este caso partículas duras de la segunda fase deben ser solubles a alta temperatura y el diagrama de fases debe exhibir disminución de la solubilidad al bajar la temperatura.
Con esta condición, es posible, teóricamente producir un número extremadamente grande de finísimas partículas que representan barreras al movimiento de dislocaciones
Endurecimiento por precipitación o envejecimiento
Una aleación como la indicada primero forma una fase sólida proeutéctica en medio del líquido, luego todo el sólido está formado por esa fase, la que finalmente se sobresatura y aparece una segunda fase.
Un tratamiento térmico como el indicado produce precipitación muy fina o envejecimiento:- Solubilización (debe estar homogénea)- Enfriamiento violento- Envejecimiento
El envejecimiento se produce por nucleación y crecimiento de precipitados de una segunda fase al difundir átomos B hacia las partículas nucleadas.
Envejecimiento
Cantidad de precipitado en función del tiempo. Aleación Fe-0,018%C a 76 °C
Velocidad a la que se produce el 100% de precipitación, según la temperatura
Aleación Al-7Si-0,3Mg Tiempo de envejecimiento [hrs]
Efecto de la temperatura y la composición
A mayor temperatura la difusión es más rápida y la dureza máxima se alcanza en menor tiempo, pero es más baja.Menos precipitados y más grandes.
A bajas concentraciones de soluto la saturación es menor y menor la fuerza impulsora, lo que dificulta la nucleación de segunda fase y el endurecimiento ocurre lentamente a temperatura constante. La dureza máxima será menor.
Secuencia en aleaciones de Al-4Cu
1.- Precipitados tetragonales coherentes, 8 a 10 nm de diámetro.
2.- Fase ”. Estructura tetragonal coherentes con planos (100) de la matriz. Tamaño 10 a 100 nm.
3.- Fase . Estructura tetragonal incoherente con la matriz. Tamaño 100 a 1000 nm.
4.- Fase incoherente con la matriz, composición CuAl2.
Son fases metaestables
Variación de dureza según el tiempo de TT
