2. RECUPERACION Y RECRISTALIZACION Cuando se deforma plsticamente un metal a temperaturas bastante inferiores a la de su punto de fusin, se dice que el metal ha sido trabajado en fro. La mayor parte de la energa empleada en esta deformacin se disipa como calor, almacenndose una pequea fraccin como energa de deformacin. sta ltima se acumula en forma de dislocaciones y de defectos puntuales, por ejemplo: ruptura de enlaces y vacancias. Como el aumento de densidad de dislocacin no es pareja, se producen zonas de mayor densidad, lo que lleva a la generacin de celdas. Cuando se calienta este material ocurren dos procesos que disminuyen la energa interna almacenada: RecuperacinRecristalizacin

Adems 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, ste ocurre cuando se contina el recocido luego de completarse la recristalizacin.En este punto es importante definir lo que significa baja y alta temperatura; esto vara de un metal a otro, se puede considerar que alta temperatura corresponde aproximadamente a 0,4 0,5 Tfusin en K.

Modelacin del incremento de la densidad de dislocaciones con el incremento de deformacin plstica. A) Estado recocido. B,C,D) Deformaciones plsticas crecientes.

2.1 RECUPERACION Cuando se calienta un metal a temperaturas moderadas, bajo 0,4Tfusin se produce el alivio de esfuerzos internos causados por el trabajo en fro (tensiones residuales) y por otra parte, se producen cambios microestructurales que se detallan ms adelante. Este proceso se denomina recuperacinLa recuperacin comprende una serie de fenmenos como los siguientes:Aniquilacin de defectos puntuales Poligonizacin Cada de la resistividad elctrica (R) La aniquilacin de defectos puntuales consiste en la difusin, mediante la adicin de calor, de las vacancias hacia las dislocaciones y bordes de granos, as se logra disminuir su cantidad hasta el nmero de equilibrio a la temperatura correspondiente. La resistividad elctrica (R) se ve afectada cuando las vacancias emigran a bordes de granos y disminuyen en nmero porque su campo de deformaciones interfiere con el flujo de los electrones.

2.1 RECUPERACIONFigura 2.1-1. Variacin con la temperatura de la resistividad elctrica, R, y de la entrega de calor de un alambre de cobre inicialmente laminado 54% RA a una temperatura de 195 C. Se calent a 2 C/min.. En la Figura 2.1-1 se observa el comportamiento de R para un alambre de cobre, (curva superior), en ella se aprecian grandes cadas 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 ltima define la regin de recristalizacin del Cu.7 Para medir este calor se requiere microcalormetros muy sensibles.

2.1 RECUPERACIONPara recocidos a temperaturas ms altas pero moderadas, las dislocaciones comienzan a agruparse y a redisponerse por medio de ascenso en configuraciones de menor energa, por ejemplo, las dislocaciones entrelazadas desordenadamente, se disponen en hexgonos formando subgranos, ver Figura 2.1-2. Figura 2.1-2. Esquema de disposicin de las dislocaciones en redes hexagonales

Recuperacin. PoligonizacinOcurre tambin el fenmeno denominado poligonizacin, que consiste en un cambio de forma de un cristal flexionado el cual se descompone en cierto nmero de pequeos segmentos cristalinos con leves diferencias de orientacin cristalogrfica, denominados subgranos y separados por bordes de grano de ngulo pequeo. As las dislocaciones se redisponen en una configuracin de menor energa. Un cristal flexionado plsticamente 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 configuracin de dislocaciones de alta energa de deformacin, mientras que la Figura 2.1-3 (b) muestra una disposicin de baja energa de deformacin, en este caso las dislocaciones corren en direccin normal a los planos de deslizamiento, generando lmites de grano de ngulo pequeo. Este fenmeno requiere de abundante difusin atmica 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 fenmenos depende fuertemente de su pureza, puede comenzar en el rango de 50 a 200 C y completarse a alrededor de 500 C.

Recuperacin. PoligonizacinFigura 2.1-3. Realineamiento de dislocaciones de borde durante la poligonizacin: (a) Dislocaciones en exceso permanecen sobre planos desplazamientos activos; despus de la flexin del cristal; (b) Redisposicin de dislocaciones despus de la poligonizacin.Figura 2.1-4. (a) Disposicin de alta energa de dislocaciones; (b) Disposicin de dislocaciones de baja energa. C y T: compresin y traccinCuando dislocaciones de borde del mismo signo se acumulan sobre el mismo plano de deslizamiento, sus campos de deformacin son aditivos, Figura 2.1-4. Las regiones inmediatamente superior e inferior a los planos de deslizamiento son zonas de alta concentracin de tensiones, de traccin y de compresin respectivamente, Figura 2.1-4 (a). Sin embargo, al disponer las dislocaciones en una secuencia perpendicular al plano de deslizamiento, los campos de deformacin de las dislocaciones adyacentes se cancelan parcialmente unos a otros, Figura 2.1-4 (b).

La Figura 2.1-5 muestra experimentalmente como las dislocaciones se redisponen en configuraciones de menor energa, formando subgranos y bordes de grano de ngulo pequeo, esto es posible gracias a una tcnica metalogrfica mediante la cual es posible observar los puntos de salida de las dislocaciones.Figura 2.1-5. Poligonizacin de un monocristal de Fe 3,25 % Si, doblado en torno a un mandril y luego recocido durante una hora a: (a) 650 C; (b) 700 C; (c) 850 C; (d) 925 C. (750x)

2.2 RECRISTALIZACIN Figura 2.2-1. Representacin esquemtica de cmo en regiones de la red cristalina altamente deformadas, se nuclean nuevos granos recristalizados.Si un metal previamente deformado en fro, es recocido a una temperatura suficientemente alta,sobre 0,4 0,5 Tfusion (temperatura de recristalizacin), aparecen nuevos cristales en la microestructura, los que tienen idntica composicin y estructura cristalina que los antiguos granos no deformados. Este fenmeno se llama recristalizacin. Estos nuevos cristales surgen en zonas con alta densidad de dislocaciones, Figura 2.2-1.La fuerza impulsora de la recristalizacin proviene de la energa almacenada del trabajo en fro.

2.2.1. 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, Figura 2.2-2. La recristalizacin es sensible a cambios en la temperatura a la que se realiza, ms que a variaciones de tiempo a temperatura constante. Tambin es sensible a la deformacin en fro previa. (140C con 87,5%; 160C con 75% y 180C con 50%)

Figura 2.2-2 Variacin de la tensin mxima y del porcentaje de elongacin con la temperatura de recocido y con el porcentaje de RA en fro previo para un alambre de cobre puro. Los recocidos son de 1 hora.

Progreso de la recristalizacin por nucleacin y crecimiento

Progreso de la recristalizacin por nucleacin y crecimiento

Recristalizacin 2.2.2. Nucleacin de nuevos granosLa 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, Figura 2.2-1, 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, Figura 2.2-3. Si la velocidad de nucleacin es grande se formarn muchos granos los que no tendrn mucho espacio para crecer y 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 Figura 2.2-3. Nucleacin de granos recristalizados en torno a inclusiones no metlicas 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 energa 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. Migracin del borde de grano avanzado hacia un grano deformado, dejando tras s un grano recristalizado.

Cintica de la recristalizacinLa cintica de la recristalizacin se expresa en las curvas signoidales: % recristalizacin-tiempo de recocido que se muestran en la Figura 2.2-6.Figura 2.2-6. Curvas signoidales: orcentaje de recristalizacin versus tiempo para Fe 0,6% Mn.

Ecuacin de Avrami para la cintica de la recristalizacinAvrami propuso para expresar la cintica de la recristalizacin la siguiente ecuacin:

donde:X es la fraccin de volumen de grano recristalizado. B es una constante negativa; k tambin es constante: Cuando la recristalizacin se desarrolla en forma tridimensional, k est entre 3 y 4 Cuando es bidimensional ( planchas delgadas), k est entre 2 y 3 Cuando es unidimensional, como en alambres, k est entre 1 y 2. Una forma prctica de analizar la cintica de la cristalizacin es mediante un grfico:

Si la cintica sigue la ecuacin de Avrami, el grfico deln{1/(1-X)} versus t , en escalas log-log debera dar una lnea recta de pendiente k,

2.2.4. Algunas leyes de ingeniera de la recristalizacin El objetivo principal de la recristalizacin es ablandar el material y restaurarle su ductilidad. Adicionalmente se puede tambin controlar el tamao del grano. Como ya se dijo, los tiempos para el inicio y trmino de la recristalizacin varan fuertemente con la temperatura, Figura 2.2-7.Figura 2.2-7. Diagrama tiempo temperatura para le inicio y el trmino de la recristalizacin para acero efervescente

Figura 2.2-8. Variacin de la tensin mxima y del porcentaje de elongacin con la temperatura de recocido y con el porcentaje de RA en fro previo para un alambre de cobre puro. Los recocidos son de 1 hora.Temperatura de recristalizacinPor 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 recristalizacin es la que corresponde a la mitad de este intervalo. Como se mencion anteriormente, la temperatura de recristalizacin disminuye al aumentar el % de trabajo en fro previo, esto debido a la mayor energa almacenada por la notable distorsin sufrida por el material, en suma, hay ms fuerza impulsora para la recristalizacin.

Tamao del grano recristalizadoLa Figura 2.2-9 muestra que el tamao del grano justo al trmino del proceso de recristalizacin, es menor si el % de trabajo en fro previo aumenta, dado que los puntos favorables para la nucleacin tambin aumentan, permitiendo abundante formacin de nuevos ncleos, y limitando por tanto su tamao final.Figura 2.2-9. Tamao del grano recristalizado para un latn en funcin del porcentaje de deformacin previa y del tamao del grano del latn antes del laminado

Figura 2.2-10. Estructuras de latn deformado y recristalizado. (a) Trabajado en fro,33% RA; (b) Inicio de la recristalizacin, 3egs a 580C; (c) 8 seg a 580; (d) 15 min a 580, (e) 10 min a 700C, (f) 1 hora a 700C y (g) Incremento de tiempo a 580 C. (400x)