Recristalizacion, Recuperación y Crecimiento Del Grano. Deformacion AltaTemperatura

7/23/2019 Recristalizacion, Recuperación y Crecimiento Del Grano. Deformacion AltaTemperatura

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La deformación plástica de una probeta metálica policristalina a temperaturas que son bajas respecto a la temperaturacambios en la microestructura y en las propiedades. Algunos de los cambios son:(1).- Cambio en la forma del grano(2).- Endurecimiento por deformación(3).- Aumento en la densidad de dislocaciones ( ).

RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO DEL GRANO

Alteración de la estructura del gran

como resultado de la deformación (a).- Antes de la deformación los gr(b).-La deformación ha producido g

Además, otras propiedades tales como laconductividad eléctrica y la resistencia a lacorrosión pueden modificarse comoconsecuencia de la deformación plástica.

Las propiedades y estructuras pueden recuperar sus valores anteriores a la deformación en frío medianapropiados. Tales fenómenos de restauración resultan de distintos procesos que ocurren a temperatura

• RECUPERACIÓN• RECRISTALIZACIÓN

después de los cuales puede ocurrir el CRECIMIENTO DEL GRANO.

m( ) , R ,e p T R Gb R A

Consecuencias de la deformación en frío:



PROCESOS A ALTA TEMPERATURA

1.- Recristalización estática

Recristalización primaria

Recristalización terciaria

Recristalizaciónsecundaria

2.- Procesos dedeformación en caliente

Procesos deconformado industrial

Procesos dconformad

Procesos dsuperplásti

Fluencia o creep



INTRODUCCIÓN

LA DEFORMACIÓN EN FRÍO CONFIERE ACRITUD A LOS MATERIALES METÁLICOS. El estado agrio supone un aumentdel agregado policristalino no deformado en frío. Los cristales metálicos resultan energéticamente más estables cuandislocaciones. Por ello, LAS ESTRUCTURAS AGRIAS TIENDEN A EVOLUCIONAR HACIA OTRAS CON MENOR NÚMERO

Los cristales agrios no ceden espontáneamente su exceso de energía para pasar a cristales regulares. Para ello se reqACTIVACIÓN, comunicada por CALENTAMIENTO EXTERNO y un PROCESO DE DIFUSIÓN DE ÁTOMOS a la temperatu

El tratamiento térmico para eliminar la acritud de un metal o aleación, suele denominarse RECOCIDO CONTRA ACRITse conoce con el nombre de RECOCIDO DE RECRISTALIZACIÓN (o, en determinados casos, RECOCIDO DE RESTAURA

Cuando un metal, suficientemente deformado en frío, es sometido a un calentamiento adecuado (Recocido contra a(queremos pasar de 109 a 105-106

┴ /cm2) para recuperar paulatinamente las propiedades que presentaba el metal

• el metal ablanda• disminuye su resistencia en el ensayo de tracción

• aumenta el alargamiento• cambia la textura, etc.

La recuperación plena de las propiedades (hasta lograr las que tenía el metal antes de ser deformado en frío) está vinAPARICIÓN DE UNA NUEVA ESTRUCTURA, de granos regulares, formada a partir de la estructura agria.LA NUEVA ESTRUCTURA RECIBE EL NOMBRE DE RECRISTALIZADA.



La formación de la ESTRUCTURA RECRISTALIZADA tiene lugar cuando el calentamiento se realiza por etemperatura TR, , denominada temperatura de recristalización primaria estática. Esta -generalmente sudepende, en buena medida, de la deformación previa conferida en frío a cada metal o aleación y, por ttemperatura constante.

3 E

RECRISTA

E

T T

T Temperatur

Una vez recristalizada la estructura, si se prolonga su permanencia a la temperatura de recristalización,el efecto resultante es UN CRECIMIENTO DEL TAMAÑO MEDIO DEL GRANO.

Para temperaturas de calentamiento inferiores a la de recristalización hay una cierta variación de propi

aleación, pero no se aprecia modificación de la estructura agria visible al microscopio óptico, ni de su terecuperación parcial de propiedades, sin modificación de la microestructura, se denominarestauración

La temperatura de recristaliz

(Tm/2)↔ M

(Tm/3)↔ Ale



En el recocido contra acritud o recocido de recristalización al calentar isotérmicamente (Figura), a temperaturas difereiguales, distintas probetas de un mismo metal, con igual grado de deformación en frío, pueden distinguirse tres etapa

* RESTAURACIÓN.** RECRISTALIZACIÓN PRIMARIA.*** CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADO.

Etapas durante el recocido de chapas agrias:(a).- Cobre (↓ SFE)(b).- Aluminio ( SFE)

I Restauración.II Recristalización.

III Crecimiento de grano.

El conjunto de mecanismosfisicometalúrgicos relativos a estas etapasson fundamentales para el estudio de losrecocidos contra acritud y de los

tratamientos termomecánicos.

(a) (b)

R1

R2



Influencia de la temperatura de recocido en las propiedades mecánicas

Suponemos un proceso de calentamientoisotérmico a una temperatura mayor que lade recristalización

En la PRIMERA ETAPA hay una disminución dellímite elástico y una mejora de la ductilidad. Almicroscopio la textura agria no varía. Los granos

no presentan ninguna diferencia respecto alestado agrio

En la SEGUNDA ETAPA hay una variación sustancial de ambas. Larecristalización sigue un proceso de nucleación y crecimiento con períodode incubación. Solamente algunos gérmenes progresan y aparecen otrosnuevos granos. Al final se completa toda la masa.El final de la etapa se establece cuando aparece un tamaño de granopromedio estable y de aspecto equiaxico. No existe rastro del estado

agrio.

En la TERCERA ETAPA no se modifican las propiedades mecánicas. Hayun crecimiento de grano (A mayor temperatura o mayor tiempo depermanencia, hay un mayor crecimiento)

Influencia de la temperatura de recocido sobre la resistencia a la tracción y sobre laductilidad de un latón. Se representa el tamaño del grano en función de latemperatura de recocido. Estructura del grano durante la restauración,

recristalización y crecimiento del grano.



PROCESO DE RESTAURACIONDurante esta etapa NO SE MODIFICA LA TEXTURA CRISTALINA CORRESPONDIENTE AL ESTADO AGRIO (los granos deninguna diferencia con el estado agrio), pero pueden apreciarse, entre otras, las siguientes variaciones:

• Parte de la energía interna almacenada como energía de deformación es liberada debido al movimiento de disloresultado del aumento de la difusión atómica a temperaturas elevadas.

• Reducción en el número de dislocaciones y las configuraciones de dislocaciones tienden a adoptar bajas energía• Desaparición de tensiones internas.

• Recuperación de propiedades eléctricas, habida cuenta que la deformación en frío aumenta la resistividad eléct• Recuperación parcial de propiedades mecánicas, por ejemplo, pérdida de dureza y aumento del alargamiento

Los metales, aunque cristalicen en el mismosistema, suelen comportarse mecánicamente,durante esa restauración, de modo diferente.

El aluminio, por ejemplo, ablanda bastante durantela restauración.

Otros materiales metálicos del mismo sistemacristalino cúbico centrado en las caras, tales comocobre, latones alfa, bronces alfa, cuproluminos alfa,níquel, cuproníqueles, aceros austeníticos, etc., noexperimentan disminución apreciable de durezadurante la restauración.



En la figura se representa el proceso que sigue un material de alta energía de defectos de apilamiento ( SFE) en la redeterminada densidad de defectos (1) (Exceso de dislocaciones). Por activación térmica aumenta la movilidad de losprobabilidad de que las dislocaciones se cancelen entre si y se reorganizan en un proceso de poligonalización (2): denforman subgranos en cuyo interior hay una baja ρ ┴ , pero en sus contornos hay una alta ρ ┴ . Los defectos se concen

Metales cúbicos de caras centradas y alta energía de defectos de apilamiento (

SFE), como el alumini

Esto se puede apreciar por microscopía electrónica o incluso, a veces, por microscopia óptica (Figura 1).

Figura 1.- Poligonización en el A

estables de dislocaciones).

La formación de subgranos, de finas subjuntas poligonizadas,va acompañada de:

• Notable disminución de la dureza• Aminoración de la resistencia a la tracción• Aumento del alargamiento.

El ablandamiento durante la restauración -en realidad una compleja formade poligonización- puede ser de tal magnitud que, a veces, puedenemplearse recocidos de restauración en vez de recocidos derecristalización total. De todas maneras, si se desea lograr unablandamiento pleno de esos metales aptos para poligonizar, es precisoefectuar un recocido de recristalización.

Esta formación obtención de subgranos puede favorecerse cuandose aplica una tensión durante la restdinámica].

M t i l d b j í d d f t d il i t ( SFE)



Materiales de baja energía de defectos de apilamiento (

SFE)(cobre, latones alfa, bronces alfa, cuproluminos alfa, níquel, cuproníqueles, aceros austeníticos, etc)

En este caso la estructura de restauración también es agria y debido a su alta w, apenas poligonizan, nsubgranos. No ablandan apreciablemente durante la restauración y requieren siempre recocidos de rdisminuir apreciablemente su dureza.

low



Extended dislocations (in particular screw dislocations) define a specific slip plane. Thus, extendislocations can only cross-slip when the partial dislocations recombine.

PROCESO DE RECRISTALIZACION



Fotomicrografías mostrando varias etapas de la recristalización y del crecimiento del grano del latón(a) Estructura del grano del material deformado en frío (33 % CW)(b) Etapa inicial de la recristalización después de calentar durante 3 segundos a 580 °C. Los granos muy pequeños son los que(c) Reemplazo parcial de los granos con acritud por granos recristaIizados (4 s a 580 °C)(d) Recristalización completa (8 s a 580 °C)(e) Crecimiento del grano después de 15 min a 580 °C

(f) Crecimiento del grano después de 10 min a 700 °C .(x 75 en todas las fotomicrografías).

Aun después de la RECUPERACIÓN, los granos están todavía en un estado de alta energía de deformación. LA RECRISTFORMACIÓN DE UN NUEVO CONJUNTO DE GRANOS EQUIAXIACOS LIBRES DE DEFORMACIÓN QUE TIENEN BAJA DEDISLOCACIONES, LO CUAL ES UNA CARACTERÍSTICA DE LA CONDICIÓN DEL MATERIAL ANTES DE SER DEFORMADO.La FUERZA MOTRIZ para producir esta nueva estructura de granos es la diferencia en energía interna entre el materiadeformado. Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que reemplazan completamentproceso en el cual tiene lugar la difusión de corto alcance. En las figuras 1a-1d se muestran varias etapas del proceso microfotografías, los granos pequeños son aquellos que han recristalizado.

RECRISTALIZACIÓN DE LOS METALES TRABAJADOS EN FRÍO PUEDE UTILIZARSE PARA REFINAR LA ESTRUCTURA DE LO





Fotomicrografías mostrando varias etapas de la recristalización y del crecimiento del grano del latón(a) Estructura del grano del material deformado en frío (33 % CW)(b) Etapa inicial de la recristalización después de calentar durante 3 segundos a 580 °C ; los granos muy pequeños son los que(c) Reemplazo parcial de los granos con acritud por granos recristaIizados (4 s a 580 °C)(d) Recristalización completa (8 s a 580 °C)(e) Crecimiento del grano después de 15 min a 580 °C

(f) Crecimiento del grano después de 10 min a 700 °C .(x 75 en todas las fotomicrografías).


También, durante la recristalización, las propiedades mecánicas que fueron modificadas durante el proceso de trabasus valores previos a la deformación, es decir, el metal se hace MÁS BLANDO, MENOS RESISTENTE Y MÁS DÚCTIL.

La recristalización es un proceso cuya extensión depende tanto del tiempo como de la temperatura. El grado (o fracaumenta con el tiempo, tal como puede observarse en las fotomicrografías mostradas en las figuras 1a-1d

El comportamiento de recristalización para una determinada aleación se suele especificar



El comportamiento de recristalización para una determinada aleación se suele especificarmediante la TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIÓN, temperatura a la cual ocurreexactamente en 1 hora.

Generalmente, esta temperatura se sitúa entre un tercio y la mitad de la temperaturaabsoluta de fusión del metal o aleación y depende de varios factores, entre los cuales cabecitar el % de trabajo en frío y la pureza de la aleación. Aumentando el % de trabajo en fríoaumenta la velocidad de recristalización, de manera que la temperatura de

recristalización disminuye (figura 2).

Existe un grado crítico de trabajo en frío por debajo del cual la recristalización no puedeocurrir, tal como se muestra en la figura. Normalmente, este valor está comprendido entreel 2 y el 20 % de trabajo en frío.

Figura 1.- Influencia de la la resistencia a la tracciónlatón. Se representa el tamla temperatura de recocid

la restauración, recristaliz

Figura 2.- Influencia de latemperatura de recocidosobre la resistencia a latracción y sobre laductilidad de un latón. Serepresenta el tamaño delgrano en función de latemperatura de recocido.Estructura del granodurante la restauración,recristalizaciónycrecimiento del grano, talcomo se muestra de formaesquemática.





La recristalización ocurre de forma más rápida en metales que en aleaciones. El hecho de alear aumentarecristalización, algunas veces de forma muy substancial. Para metales puros, la temperatura de recrista0.3Tm , donde Tm es la temperatura absoluta de fusión, mientras que en algunas aleaciones comerciales alta como 0.7Tm. Las temperaturas de recristalización y de fusión para algunos metales y aleaciones se in

Las operaciones de deformación plástica de losmetales y aleaciones a menudo se realizan a

temperaturas superiores a de la temperatura derecristalización en un proceso denominado trabajoen caliente.

El material permanece relativamente blando y dúctildurante la deformación debido a que no seendurece por deformación, de manera que sepueden alcanzar deformaciones grandes.

El GRADO DE DEFORMACIÓN EN FRÍO DEL METAL,la TEMPERATURA QUE ES NECESARIO ALCANZAR PARAQUE ÉSTE PUEDA INICIAR LA RECRISTALIZACIÓN yel TIEMPO DE PERMANENCIA A ESA TEMPERATURA hastalograr una estructura regular, están relacionados entre sí.

Características de la recristalización



Características de la recristalización

1.- La recristalización no supone un cambio de fase: no hay cambio alotrópico, sinosencillamente una nueva combinación de los átomos, por difusión, para formar nuevasagrupaciones cristalinas con un número muy inferior de dislocaciones (104 — 105

dislocaciones( ┴ )/cm2).

2.- El proceso es irreversible ( ST>0), es decir, cuando dejamos de aplicar la temperatura es sistema noinicial, quedando parcialmente recristalizado. Una vez lograda la recristalización de una estructura agrdebajo de la temperatura de recristalización no devuelve al estado agrio.

La energía de activación necesaria para movilizar los átomos y formar esas agrupaciones"recristalizadas", con pocas dislocaciones, es tanto menor cuanto más deformado en frío se halle

el metal antes del calentamiento. LA TEMPERATURA ISOTÉRMICA QUE ES PRECISO ALCANZARPARA EL INICIO DE LA RECRISTALIZACIÓN ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA ACRITUD DELMETAL. Por consiguiente, cuanto más pequeño es el grado de deformación en frío más alta debeser la temperatura necesaria para poder iniciar la recristalización.

Para lograr la recristalización isotérmica de una aleación a la temperatura T1 se precisa un mínimode acritud previa. Esta recibe el nombre de acritud crítica para la temperatura T1. Esta acritudcrítica debe ser tanto mayor cuanto menor sea la temperatura a que se desea recristalizar. Portanto, cuando la recristalización va precedida de una permanencia a temperaturas derestauración que disminuyan sensiblemente la acritud, para iguales grados de deformacióninicial se requieren temperaturas de recristalización más altas.

Re

Línea don

T1

3.- Es un proceso termicamente favorable ( G<0), pues se pasa a un estado de mayor equilibrio (Re TG G crista



4.- Es un proceso de nucleación y crecimiento

NOTA: Proceso difusional(proceso activado térmicamente)

0

Qrec

RT D D e

x Dt

2

(Re

( )

G cristalizado

G Agrio Gb

Por tanto, el proceso de recristalización consta de dos fases: una donde se requiere un tiempo t para laformación de núcleos y otra donde los núcleos crecen por movilidad de los átomos desde la matriz agriaatravesando la frontera que supone la junta de grano núcleo/matriz. Esa junta avanza y, por tanto, el núcleocrece. Finalmente la matriz agria desaparece y es completamente reemplazada por una nueva estructura degranos regulares, cuando las juntas de los diferentes cristales en crecimiento interaccionan entre si.

- Tamaño de los núcleos críticos que acabarán dando un núcleo permanente

eR

2*

ag rec

cris Agrio

r G G

se refiere a la energía libre de superficie de las caras constituidas por un lado de mapor el otro del posible material recristalizado

-Fuerza inductora que genera la recristalización del material

Viene dada por la densidad de defectos ( ┴ ) y la temperatura que hace que las dislocaciones se desplacen. Es lo queVIBRACIONAL (COMBINACIÓN DE ┴ Y TEMPERATURA APLICADA). El estado vibracional es mayor cuando ┴ y la temayores (La fuerza inductora es este estado vibracional). Si

┴es muy baja, por grande que sea la temperatura aplic

inductora. También, si la temperatura aplicada es baja por grande que sea ┴ tampoco se alcanza. Hay valores crítico

3. Es un proceso termicamente favorable (

G 0), pues se pasa a un estado de mayor equilibrio ( e

( ) (Re

T G G

G Agrio G

La temperatura (T) y el tiempo (t) son parámetros complementarios. Así, cuanto menor sea la temperatura,mayores serán los tiempos necesarios y la energía necesaria será menor cuanto más deformado seencuentre el material, previa aplicación del calentamiento.

CONSIDERACIONES SOBRE LA NUCLEACIÓN DE LOS GRANOS RECRISTALIZADOS



CONSIDERACIONES SOBRE LA NUCLEACIÓN DE LOS GRANOS RECRISTALIZADOS

Por ello a mayor acritud de la aleación y, por tanto, mayor el número de núcleos de recristalización que resulta el tamaño promedio de los granos recristalizados al concluir la recristalización primaria a temper

con pequeñas acritudes el grano recristalizado es muy grande (sobre todo cuando la acritud es del orde

Para una temperatura isotérmica T1 de recristalización, el número de núcleos formados al cabo de un cimayor cuanto mayor es el grado de deformación en frío del metal. Puede decirse que el grado de reduces la fuerza inductora para la recristalización.

Correlación entre acritudrecristalización, diámetro

T1

Ensayo e una pro eta trapezoi a



sayo e u a p o eta t ape o aTomamos unas probetas trapezoidales, donde no en todas las zonas, fruto de la tracción, se alcanza ladeformación crítica (C), a partir de la cual se produce una recristalización.

Se observa que hay una gradación de la tensión, , entre los extremos de la probeta (0 > 1), debido a lavariación de superficie entre los mismos.

En la zona ancha hay más material para resistir la tensión aplicada, luego en el primer tercio se tiene que < C.

En el segundo > C y en el último >> C.

Aparte de una gradación de la tensión, , hay una gradación del tamaño de grano. Los granos en la zona donde < C son los iniciales sin recristalizar (granos grandes y alargados). En >> C es la zona donde más finos son losgranos, mientras que en la zona donde > C tenemos un caso intermedio entre los indicados. Por tanto, a mayordeformación menor tamaño de núcleo.

Nos podemos encontrar probetas de este tipo totalmente recristalizadas cuando la línea divisoria entre < C y > C. se sale fuera de la pieza (pero sigue habiendo un gradiente de grano). En ocasiones hay áreas donde algunos

granos están recristalizados y otros no. Esto se debe a la orientación del grano inicial (textura). Si la orientación esfavorable la deformación plástica es prematura, produciendo playas recristalizadas y otras no, llegando las queforman un ángulo de 45 º con la deformación a poder recristalizar prematuramente, a diferencia de sus vecinos.

Los efectos de una acritud crítica suelen ser perjudiciales. Así, por ejemplo, ocurre en codosligeramente curvados, cuando son luego calentados por necesidades de servicio. La acritudintroducida al curvar puede ser suficiente para que esa zona recristalice a la temperatura decalentamiento. El tamaño de grano resultará grande y por tanto disminuirá la resistenciamecánica en ese punto; en tanto que las zonas contiguas, con menor acritud que la crítica,

no experimentarán modificaciones en la estructura por no haber llegado a recristalizar.

EFECTO DE LAS IMPUREZAS



El tamaño promedio del grano recristalizado no depende exclusivamente de la mayor o menor cantidad de núcleos demotivados por la acritud, sino también del EFECTO DE LAS IMPUREZAS. Es decir, de los ÁTOMOS EN SOLUCIÓN SÓLID

1.- Elementos en solución sólidaEn relación a la nucleación son inocuos, no la modifican. En cuanto a la recristalización (considerando esta a partir del“solute drag effect”, dificultando el paso 5 % → 95 % de recristalización. Retardan el avance de las superficies límite d

2.- Precipitados

(a).- Precipitados groseros (dPRECIPITADO )

Con respecto a la NUCLEACIÓN puede decirse que las impurezas, o segundas fasesprecipitadas en la matriz agria, ACELERAN la formación de núcleos si el tamaño de lassegundas fases es grande (del orden de varias micras) , ello es debido a la concentraciónlocal de esfuerzos que la deformación en frío produce sobre la matriz agria que rodea ala partícula. En la interfase el d recristalizado es menor que el promedio.

En la recristalización los precipitados groseros (dPRECIPITADO ) no inhiben elproceso, no ejercen restricción al movimiento y no tienen efecto “pinning”,

no anclando el desplazamiento de la junta de grano.LOS PRECIPITADOS DE GRAN TAMAÑO NO INTERFIEREN EL CRECIMIENTO.

Zona

azul

(b).-(Precipitados finos (dPRECIPITADO )



Como ejemplo de importante repercusión industrial cabe citar la inhibición efectuada por el NAl sobre las subjuntas dfavorece el crecimiento de subgranos con textura {111} muy favorables para la embutición

PRECIPITADO

• Los precipitados finos o muy finos retrasan la nucleación• En la recristalización restringen el crecimiento por efecto “pinning”(restringe el avance de las juntas

EJEMPLO: pequeñas cantidades de Niobio (que puede precipitar en forma de NNb, con tamaño de pocos nanómetr

contenido de carbono denominados aceros microaleados. Al laminar estos aceros a alta temperatura, en estado austdeforma y adquiere acritud, pero no llega a recristalizar durante la laminación en caliente (laminación controlada de impedirlo los precipitados de NNb. En estos aceros la inhibición de la recristalización resulta muy ventajosa: al transfalotrópicamente la austenita agria en ferrita, durante el enfriamiento, se obtienen granos de ferrita de un tamaño men un mm2), imposible de obtener a partir de granos de austenita recristalizada.

Estos aceros microaleados de bajo contenido en C —y en consecuencia buena soldabilidad— presentan además, porgrano, un alto límite elástico y excelente tenacidad a baja temperatura (se emplean para oleoductos y gaseoductos eplataformas marinas, etc.).

En algunos casos los precipitados nanométricos pueden no solamente retrasar la nucleación sino, inclurecristalización.

El crecimiento de los núcleos, una vez formados, se ve retrasado por el obstáculo (pinning) que, para l

fronteras núcleo/matriz agria, suponen los precipitados si son PEQUEÑOS Y NUMEROSOS . La obstrucccuanto más finos y menos separados están los precipitados. Esos precipitados nanométricos elevan la recristalización, prolongan el tiempo para recristalizar a esa temperatura y, en consecuencia, pueden grano de recristalización primaria obtenido a esa temperatura.

EFECTO PINNING DE LOS PRECIPITADOS (INFLUENCIA DE LAS PARTICULAS EN LA MOVILIDAD DE LAS JU



(

La precipitación puede ser un potente inhibidor del movimiento de la junta de grano conseguimos un tamaño de gpor tanto se debe analizar la influencia de las partículas en la movilidad de las juntas de grano.La junta de grano tiende a desplazarse hacia el centro de curvatura. La presencia de precipitados evita este movimien

1.- Expansión del granoPara pasar de r a r+r es necesaria una presión, P, que desarrolle un esfuerzo, puesese paso supone un aumento de superficie. Consideremos un grano esférico.

2

4 F r P

A esta fuerza se opone otra, F’, que provoca la aparición de una nueva junta de

grano (aumento de la superficie). F’ es opuesta a la anterior (F).

Ambas fuerzas se deben compensar

2' 4 8 F dS d r rdr

2 2' 4 8 EXPANSION

grano

F F r P rdr P r

Por tanto, rg necesita Pexpansión y los rg necesita Pexpansión, lo lo que ocurre en realidad es que los granos pequeñlos granos grandes

EFECTO PINNING DE LOS PRECIPITADOS (INFLUENCIA DE LAS PARTICULAS EN LAO S S G O)



MOVILIDAD DE LAS JUNTAS DE GRANO)

2.- Fuerza de anclaje de los precipitadosSi un límite de grano que se mueve bajo la acción de la fuerza motriz debida a sucurvatura se encuentra con una inclusión, habrá una interacción entre el límite degrano y la partícula que conduce a una fuerza de retardo en el movimiento del límitede grano. Si hay un número suficiente de partículas, se podría esperar que el límitede grano se fije cuando se encuentra con las partículas y, por tanto, la migración del

límite de grano cesará.

Interacción de un límite de grano(a) aproximación del límite de gra(b) Interacción entre el límite de guna fuerza de retardo en el movim

cos 2r gb F rsen

Longitud de contacto precipitLa fuerza Fr restringe el movimiento de la junta de grano

En el material no tenemos un solo precipitado, sino que tenemos una fracciónen volumen

34

3

2

P

V

T

ppt ppt

n r V f

V rA

max 45ºr gb F r

2r: Todo precipitado a una distancia r a cada lado toca a la junta de granoA=1 (área unitaria de junta de grano)

P ppt pining P n r Luego , la fuerza de retardomáxima viene dada por2

3

2

V P

ppt

f nr

3

2

V

Pining gb

ppt

f P r

Si el grano no crece se estabiliza, con lo que la Pexpansión y la P de restricción han de ser iguales

2

EXPANSION

grano

P r

3

2

V

Pining

gb

ppt

f

P r

3 2

2

V gb

ppt grano

f

r r

8

3 V

ppt grano

r D

f Ecuación de Zener

El tamaño de grano recristalizado es, según Zener, directamenteproporcional al tamaño medio de los precipitados e inversamenteproporcional a su fracción en volumen.

Observación



Tamaño de grano 10 ASTM < 7 ASTM

Para disminuir el tamaño de grano de un acero que tenga el tamaño correspondiente al tratamiento tnormalizado (7 ASTM), se podría conseguir disminuyendo el tamaño de los precipitados ( dppt). Si se precipitados al máximo, se puede disminuir Dgrano aun mas aumentando el valor de f V.

Con el grano muy fino se mejoran las propiedades mecánicas. Al hacerlo en un acero se dice “acero m

presencia de precipitados” [Aceros de calidad ártica (12-13 ASTM) muy resistentes a bajas temperatur

8

3 V

ppt grano

r D

f Ecuación de Zener

LEYES DE LA RECRISTALIZACIONLa correlación habitual entre acritud temperaturas de recristalización y tamaño de grano recristalizado para un tiem



La correlación habitual entre acritud, temperaturas de recristalización y tamaño de grano recristalizado, para un tiemrecristalización, por ejemplo 1 hora, puede ilustrarse cualitativamente con la figura. Este esquema resume, sin considimpurezas, lo que pueden denominarse leyes de la recristalización.

1.- Se requiere una acritud mínima (acritud crítica) para poder realizar larecristalización isotérmica de una aleación a temperatura T=T1.

2.- Esta acritud crítica debe ser tanto mayor cuanto menor sea la temperatura aque se desea recristalizar. Por tanto, cuando la recristalización va precedida deuna permanencia a temperaturas de restauración que disminuyan sensiblementela acritud (Caso del aluminio), para iguales grados de deformación inicial serequieren temperaturas de recristalización más altas.

Por otra parte, las diferentes maneras posibles de trabajar en frío un metal -forja,estirado, laminación, etc.- producen, para iguales reducciones de seccióntransversal, acritudes efectivas diferentes. Por lo que los resultados de larecristalización no serán idénticos.

3.- Para cada temperatura de recristalización el tamaño de grano, al finalizar larecristalización primaria, resulta menor cuanto mayor es el grado de acritudprevio a la recristalización.

4.- Para un mismo grado de reducción en frío, al aumentar la duración deltratamiento isotérmico disminuye la temperatura necesaria para poderrecristalizar. La relación entre tiempo y temperatura es de tipo logarítmico:duplicar el tiempo de recocido equivale a aumentar solamente unos gradosla temperatura de recristalización.

Correlación entrrecristalización,

LEYES DE LA RECRISTALIZACION



Co

terede

5.- El tamaño de grano, al final de la recristalización primaria, depende principalmente del grado de deformación emedida de la temperatura T1 del tratamiento térmico.El tamaño de grano, al término de la recristalización, a una temperatura T1, resulta más fino cuanto mayor sea la dePara un mismo proceso de deformación, e igual reducción en frío, pero para una temperatura de recocido T2 muy srecristalizado obtenido resulta de mayor diámetro. Ello es debido a que, una vez finalizada la recristalización primaa T1), el grano suele continuar creciendo; tanto más, cuanto más alta sea T2 .

T1

T2

LEYES DE LA RECRISTALIZACION



6.- Cuanto mayor es el tamaño de grano previo a la deformación y, por tanto, menor el área total de juresulta la probabilidad de formación de núcleos para un mismo grado de deformación en frío y mayor recristalizado. Por ello a mayor tamaño de grano inicial se requiere un mayor grado de deformación enrecristalización equivalente.

7.- La temperatura de recristalización disminuye con la pureza del metal.

8.- El mantenimiento en temperatura, una vez finalizada (100 %) la recristalización primaria, produce crrecristalizado. Este crecimiento puede ser continuo o no.

Cuando a la temperatura de trabajo se producen simultáneamente acritud (por deformación) y ablandrestauración o recristalización), el proceso recibe el nombre de restauración—o recristalización— dinámcomportamiento difieren de la recristalización primaria (ésta suele denominarse recristalización estátic

Cinética de la recristalización estática e isotérmica



El porcentaje de metal recristalizado X, estática e isotérmicamente, a una temperatura T1 en que resulterecristalización, aumenta con el tiempo de permanencia (t) a esa temperatura T1. Suele seguir una ley de

Ecuación de Avrami:Se limita a considerar la recristalización entre e5% y el 95% de fracción recristalizada (X), portanto solo se hace eco del tramo de curva oblic

1

tan

tan

3 4 3 dim

1 2 2 dim

k Bt X e

B Falsa cons te donde se incluyen Q y T

k Cons te del material

k para procesos en ensiones

k para procesos en ensiones

11 1

1

1 1log log log

1 1

k k k Bt Bt Bt

k

X e X e e X

Ln Bt Ln B k t Y n mX X X

La ley de Avrami se ajusta a una recta de ordenada en el origen igual a log B y pendiente k cuando serepresentan en ordenadas los valores de log {In [1:(1-X)]} y en abscisas los valores de log t.

Las desviaciones reales que a veces se observan respecto a esta ley, en algunas aleaciones con

alta energía de defectos de apilamiento provienen casi siempre de que la fracción de matrizagria, aún no recristalizada, restaura notablemente por calentamiento y, en consecuencia, lafuerza inductora para la recristalización de esa fracción agria va disminuyendo con el tiempo(Figura), correspondiente a recocido isotérmico de Al de gran pureza, laminado 40 % a 0 °C yrecristalizado a 155 °C.

En otras ocasiones las desviaciones son debidas a que no se cumplen las hipótesis implícitas enel modelo de recristalización de Avrami, que, por ejemplo, supone un crecimiento continuo delos núcleos y a igual velocidad en todas las direcciones. Lo cual en muchos casos no ocurre (elcrecimiento de los núcleos suele ser selectivo).

Cinética de reAluminio ultra

CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADO



La recristalización finaliza cuando los granos de recristalización primariaentran en contacto unos con otros y la estructura micrográfica aparececonstituida solamente por granos regulares sin restos de la matriz agria.

La estructura así obtenida no es estable, como puede comprobarse

permaneciendo a T1 o, bien, elevando la temperatura.

Para el metal en estado sólido, recristalizado a una temperatura T 1, laestructura tiende a evolucionar, en los supuestos anteriores, haciagranos de gran tamaño: para así aminorar la relación[superficie/volumen] (es decir, disminuir la energía libre de superficie).

El estado sólido energéticamente más estable correspondería una piezamonocristalina. Claro está que si se llega a alcanzar la temperatura de

fusión resultaría aún más estable el estado fundido.

Por eso si se eleva la temperatura, o se prolonga la temperatura a la queha tenido lugar la recristalización primaria, las juntas de grano tienden amoverse para alcanzar un equilibrio.

Figura 1.- Influencia de la temperatua la tracción y sobre la ductilidad de del grano en función de la temperat

grano durante la restauración, recristal como se muestra de forma esque

CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADOPara cada temperat ra del sólido el eq ilibrio teórico en n p nto triple de enc entro de j ntas de grano del agrega



Para cada temperatura del sólido el equilibrio teórico en un punto triple de encuentro de juntas de grano del agregacuando:

; :

, 120º

C A B

B A C

T T T esto se verificaría cuando

senA senB senC

T T T es decir A B C

Los granos tenderán, por tanto, a un equilibrio por desplazamiento de juntas

de grano.

A temperaturas aptas para que las juntas de los granos recristalizados puedanmoverse, los granos grandes (A, B, C y D) crecerán avanzando hacia su centrode curvatura en detrimento de los pequeños (como indica la línea depuntos)(Figura b). Los granos cuya superficie externa es pequeña (granos finos)tienden a desaparecer a expensas de los granos grandes. El proceso se vaproduciendo en varias fases hasta dar la junta de grano final (línea de puntos),desapareciendo al final los granos pequeños F y G.

No llegan a alcanzarse los 120° en todos los puntos triples; pero, para cadatemperatura se obtiene, habitualmente, un tamaño de grano estable al cabodel tiempo. De hecho, a una temperatura dada el crecimiento de tamañopromedio de grano no tiene lugar indefinidamente.

Al elevar la temperatura y favorecer nuevamente la movilidad de las juntas degrano estos tienden hacia otro equilibrio y el tamaño de grano promedio crece.

El crecimiento es tanto más factible cuanto mayor sea la diferencia entre losdistintos tamaños de grano.

(a) Relación entre tensiones superf(b) Esquema (Chalmers) de la desa

G por avance hacia el interior de lo

(a

CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADOB k T b ll d i l d d i i dá d l l ió G áfi d l l ió d



Burke y Tumbull determinaron los modos de crecimiento dándoles un valor y una expresión. Gráfico de la evolución d

El crecimiento c

1/ 1/

0

0

n n D D K

D Tamaño d

D Tamaño de

Diversos factores pueden inhibir el crecimiento continuo de un grano de un metal policristalino no agrio (hay varios mdiscontinuo y es debido a diferentes causas).

(a).- Átomos en solución sólida, segregados hacia las juntas, que impiden la movilidad de éstas y frenan el crecimient

dificultad de difusión o desplazamiento de átomos , por tanto para darse la energía que permita el movimiento hay qdeterminada temperatura T* (de ahí el tramo horizontal).

(b).-Elementos precipitados: de gran finura que detienen a modo de alfileres (pinning) el avance de juntas de grano.Si alcanzamos una temperatura T* TDISOLUCIÓN PRECIPITADOS, empezamos a disolver los precipitados que van desaparecmodo empezar a crecer los granos. Por tanto, se inhibe este y alcanzada la temperatura de desaparición de los precipde la junta de grano hasta alcanzar el equilibrio.

(c).- En una chapa fina (0.1 mm) que tiene granos pequeños que tienden a crecer, lo hacen hasta un tamaño de granespesor de la chapa, esto haría seguir la línea verde.

(d).- En ocasiones, especialmente cuando se trata de metales cúbicos FCC con baja energía de apilamiento (SFE) (cobre, latones alfa, bronces alfa, cuproníqueles, aceros austeníticos), pueden formarse MACLAS DE



) ( , , , p q , ), pORIGEN TÉRMICO, en el interior de los granos recristalizados, durante el crecimiento estos granos derecristalización primaria.

En estos materiales la energía interfacial de una macla (que en realidad es una subjunta coherente en el interiordel grano cristalino) es del orden del 5 % de la energía interfacial de una junta de grano [En el Cu, ( SFE), unamacla necesita un 5 % de la energía disponible para el crecimiento]. Al aparecer las maclas aminoran lavelocidad de crecimiento de grano, ya que consumen parte de la energía de crecimiento (restan energía a la

junta de grano para crecer porque consumen energía del crecimiento)

Por ello se forman juntas de macla en vez de disminuir el área total de juntas de grano por crecimiento de éstos.

En cambio, en metales con alta energía de apilamiento ( SFE) como el aluminio, la energía interfacial de maclaes del orden del 20 % de la energía interfacial de junta: por ello estas maclas de recocido son muy pocofrecuentes. Es por esto que el Cu presenta un gran número de maclas, superior al Al, que presenta pocas

Se dcohcrisun

PrecipitPrecipitación coherente

RECOCIDOS DE RESTAURACIÓNSupongamos que partimos de un aluminio comercial obtenido por colada continua y laminación en caliente, obtenien



p g q p p y ,a continuación con una laminación en frío y tomamos un disco tallado donde marcamos la dirección de laminación enperpendicular. A partir del disco tallado se realiza una copa de embutición (como la de la figura), la cual tiene “orejas”

estudiarla podemos definir el coeficiente de orejas:

El pico de la oreja, como casos extremos, puede aparecer a90º o 45º, luego los casos posibles son:

- H45 > H90 C>0- H90 > H45 C<0- H45 = H90 C=0

45 90

45 90

2 H H

C H H

La parte por encima del valle más profunda hay que cortarla, ya queno vale para nada, luego el rendimiento metálico es mayor cuando

C=0 (la producción industrial se ve favorecida, ya que no tenemosque desechar nada de ese metal)

Si a la misma chapa le tallamos una probeta de tracción yestudiamos la carga de rotura (Rm) y el alargamiento total a rotura(AT), obtenemos un gráfico. Hacemos dos ensayos por chapa:tracción y embutición, de ahí que los gráficos sean dos. Latracción se aplica a la probeta y la embutición al disco.



Vamos construyendo una curva por puntos ensayando diferentes chapas y discos con una reducción deespesor, 100(E-e)/e (%) variable hasta agotar las posibilidades de laminación en frio (el material se rompe y

d d á ) d l ó f í d l l h



Si los granos fuesen groseros, al traccionar seproducen irregularidades en el relieve superficial,denominada “piel de naranja”, que no tiene

aplicación industrial.

ya no se puede reducir más su espesor). DF = Limite de laminación en frío, a partir de el la chapa se rompe.

La textura es un balance de textura de deformación en caliente, que genera textura con orejasa 90º y textura de deformación en frío que las genera a 45 º. Hay un punto donde ambas seequilibran.

Durante la restauración y a partir de larecristalización manda la textura en frío, contendencia a la inversión a medida querecristalizamos

Tomamos de nuevo chapas y aplicamos aumentosde temperatura (T). Se ensaya como antes dandootro grafico, que es el representado en la figura a laderecha.

(a) Resistencia, alargamiento y coeficiente C para distintaaluminio recristalizado.

(b) Resistencia, alargamiento y coeficiente C tras diversos

C

RECOCIDOS DE RESTAURACIÓNA partir del diagrama se pueden definir unos estados: duro, medioduro y cuartoduro

( ) d d



(a).- Estado duro: corresque nos da un alargamiedeformar mas, ya que alTampoco se podría para agrietaría.

(b).- Estado medio-duro

anterior del estado duro

(c).- Estado cuarto-duro:segmento.

El esquema de la figura permite anticipar que, en ese Aluminio, puede lograrse el estado "1/4 duro" —de resistencia diferentes. Una de ellas por reducción en frío hasta DC . La otra, reduciendo en frío hasta DF y con un posterior recocparcial hasta la temperatura Te .En los dos casos anteriores la resistencia mecánica a tracción de una y otra chapa resultan iguales. Pero no ocurre lo my la textura. El alargamiento a tracción resulta mayor en el segundo caso que en el primero. La textura del segundo capronunciada que en el primero.

RF

DFDCTe

Es mejor proceder por el segundo caso, ya que se obtienen mayores alargamientos totales, mejores rendimientos mcoeficiente de orejas (C).

Los recocidos de restauración plena permiten toda una gama de propiedades intermedias entre las del estado duro yrecristalizado. Con estos recocidos se consiguen, para el mismo nivel de resistencia, mejores alargamientos.

RECOCIDOS DE RESTAURACIÓNSe definen dos tipos de recocidos de restauración y que son aplicables al aluminio comercial



Se definen dos tipos de recocidos de restauración y que son aplicables al aluminio comercial- Restauración plena- Recristalización parcial o incompleta

En este recocido se procura que el material agrio restaure plenamente, pero que no recristalice ni parcial ni totalmenéste el tratamiento denominado recocido de restauración.

Admiten este tipo de recocido de restauración la ferrita y las aleaciones cúbicasde caras centradas y alta energía de defectos de apilamiento ( SFE) (comoocurre con el Aluminio y sus aleaciones). Estas aleaciones, con aptitud parapoligonizar, tienen notables posibilidades de ablandamiento de la estructuraagria antes de que se inicie la recristalización. Las chapas plenamenterestauradas, sin recristalizar, mantienen la textura del estado agrio.

Tomamos el recocido de restauración para el caso del aluminio comercial,partiendo del deformado en frío. Los granos son alargados y con elevada ρ ┴ (estructura agria) poligonalizan.

Si el tamaño de grano del bruto de laminación en caliente (BLC) es grande, el tamaño delgrano deformado en frío sigue siendo grande. Si se aplica una restauración el tamaño degrano no varia, sólo poligonaliza

Dg (BLC) Dg (Frío) (Dg Dg) Dg (Restaurado)

Los metales de baja energía de defectos de apilamiento ( SFE)—tales como el Cobre,Niquel, aceros austeniticos, etc.—, no "poligonizan"; no ablandan apreciablementedurante la restauración y requieren siempre recocidos de recristalización para

disminuir su dureza.

Restauración plena

RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN



La textura del restaurado esde frío (C0, C>0, |C| ),que da un bajo rendimientometálico y además unalargamiento menor, por

ejemplo, estaríaincapacitado el materialpara fabricar latas de 0.5litros.

Este tratamiento térmico es el de la figura. Para restaurar se ve que eltiempo de permanencia a la temperatura T1 es demasiado grande, loque repercute en la baja productividad industrial.

RECOCIDOS DE RESTAURACIÓNRecristalización parcial o incompleta



p p

En este tipo de recocido la restauración también es plena, pero se procura que, además, una cierta fracción del materlograr una estructura constituida por METAL TOTALMENTE RESTAURADO Y PARCIALMENTE RECRISTALIZADO. En esteadecuadamente, se logra compensar la textura agria y la recristalizada. Con ello se obtiene un comportamiento más isconformados a que, posteriormente, pueda ser sometida la chapa. Generalmente todas las aleaciones agrias admitenrecristalización parcial.

Como resultado se obtiene un tamaño de granomás fino que el que teníamos en frío, por efecto delos granos recristalizados. Por esto no hay efectode piel de naranja.

AT es mayor por lo que podríamos estirar más(latas de más capacidad); C0 (alto rendimientometálico, no hay que despuntar porque no hay casiorejas.

'

1rec rec

g rex no rexv v

rex

recv

D f d f d

d Tamaño promedio del material recristalizado

f Fracción de volumen de material recristalizado

RECOCIDOS DE RESTAURACIÓNRecristalización parcial o incompleta



p p

Como t2 la productividad es mayor (Productividad ).

El problema es alcanzar el punto que intersecta a la líneadiscontinua (es más fácil acertar a una temperatura, T,menor), pero lo que interesa en una mayor productividad

y con ello una temperatura más elevada (T ), para que eltiempo de tratamiento sea menor (t ). Por tanto, una altaproductividad es un riesgo por la dificultad que conlleva

Uno y otro tipo de recocido -de restauración y de recristalizaciónparcial- pueden lograrse a temperaturas no altas, con permanenciaprolongada a esas temperaturas. En este caso, lógicamente, laproductividad es más bien baja.

Pueden también efectuarse, y tiene más interés industrial, en hornos decirculación forzada de aire, a temperaturas próximas a la derecristalización, con un estricto control del tiempo y de la temperatura.

Restaur

Recristalización

COEFICIENTE DE ANISOTROPÍAPosibilidades de alargamiento de una chapa uniaxial a tracción (en aceros se estudia otro tipo de orejas). En tracción a



adelgazamiento según el ancho y según el espesor. Es mejor que adelgace según el ancho.Coeficiente de anisotropía de Lankford:

0

0

( )

( )

f

t

f

Ln Deformación según ancho

R Deformación según espesor t

Lnt

Deseamos que w y t . R mide el adelgazamiento de las chapas. La probeta la obtenemos de una dirección paralelUn disco tiene todas las direcciones de laminación, de ahí que se defina un valor de R promedio para el disco. Para obnecesario determinar R0º (paralela a la dirección de laminación, DL), R90º (perpendicular a la dirección de laminación, la dirección de laminación.

Coeficiente promedio de anisotropía de Lankford:

0º 90º 45º2

2

R R R R

0.8 ( , )

0.8 1.2 (Drawing , )

1.2 1.7 (Deep drawing , )

2 (Extra eep dr

R Calidad comercial Comercial quality CQ

R Calidad de embutición quality DQ

R Calidad de embutición profunda quality DDQ

R Calidad de embutición extraprofunda d

awing , )quality EDDQ

Convienen valores de R cuanto más grandes mejor, pues ello es indicativo de un adelgazamiento respecto al ancho.

0º 90º 45º2

4 PROMEDIO

R R R R

Coeficiente de orejas:

w

Efecto de los parámetros del procesado en el valor del coeficiente de anisotro

pía de Lankford (R).Un elevado valor del coeficiente de anisotropía de Lankford (R) esta asociado con



(a).- Recocido en campanas (BAF), recocido discontinuo (batch)

estructuras paralelas al plano de laminación { R I{111} // Plano laminación}.Para lo cual hay dos posibilidades:

El recocido en campanas consiste en un calentamiento subcritico muy lento

en atmosfera controlada como se muestra en la figura, donde además de lascurvas en C del 1% y 100 % de recristalización también aparecen las líneasde precipitación del AlN, que como puede observarse están adelantadas.

Desde el inicio estamos trabajando con chapas de acero ferritico [El Fe()tiene elevada energía de defectos de apilamiento ( SFE), luegopoligonaliza].

Hay que recristalizar a T<A1 (Hay zonas donde A1 no es constante, como ocurrepara los aceros ferríticos, como los casos %C<0.0218). Durante esarecristalización los Nss y Alss se adelantan a la recristalización precipitandocomo AlN entre el 1% X y el 99 %X, lo que inhibe la textura {100} y favorece quelos granos recristalizados lo hagan con la textura {111}, consiguiéndose de esemodo un valor elevado del coeficiente R de anisotropía de Lankford (R)

Este recocido en campana es de baja productividad

En este proceso las bobinas de chapa se apilan cubriéndolas con unacampana metálica en cuyo interior se introduce un gas inerte para



campana metálica en cuyo interior se introduce un gas inerte paraevitar la oxidación.

Sobre esta campana se coloca otra que es el horno propiamentedicho. Terminado el período de calentamiento se retira el horno y, sinquitar la campana interior, se coloca sobre ella otra de refrigeración.

Una vez enfriada la carga de bobinas, se retiran ambas campanas y,posteriormente, las bobinas terminan su enfriamiento enuna nave con atmósfera controlada.

Efecto de los parámetros del procesado en el valor del coeficiente deanisotropía de Lankford (R).

(b) R id ti (CAPL C ti i li

li )



En campanas (BAF) hablábamos de RF de 60-80 % para que R, lo que dará untamaño de grano fino, que supone un gran springback.

Para evitar el tamaño de grano fino:

La temperatura de bobinado no se puede variar, pues una mayor temperatura (T

) daría un tamaño de grano mayor (d ), pero precipitaría AlN, luego esnecesario mantener la temperatura, de tal manera que la única solución paratener un tamaño de grano grande (d ) es emplear ciclos subcríticos (T<A1), lomás cercanos a A1 posible [el tamaño de grano con el que se comercializa es 6.5-7 ASTM (992 granos/mm2 30-25 m cada grano)]

Respecto al tratamiento a seguir se detalla en la figura

A la vista del grafico, debido a la alta velocidad de calentamiento, no hay tiempo arestaurar, esto daría un tamaño de grano muy pequeño (d

).

El proceso completo se realiza en 3.5 minutos, que comparándolo con los días quetarda el recocido en campana, se deduce la mayor productividad industrial delrecocido en continuo.

(b).- Recocido en continuo (CAPL=Continious annealing process line)

3.- Enfriamiento rápido: dará una sobresaturación en C. Un enfriamiento rápido noseguirá el diagrama de equilibrio, luego a temperatura ambiente no obtendremos un0.008 % (8 ppm), sino un contenido superior. El enfriamiento rápido sobresatura en C,que con el envejecimiento se saca el C, dando así un valor similar al que daría el

equilibrio, por tanto, el Css tras el overaging es bajo.

DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE)

Cuando un material metálico de estructura recristalizada es conformado en caliente a temperatura T



Cuando un material metálico, de estructura recristalizada, es conformado en caliente, a temperatura TH

producen de forma simultánea un endurecimiento por deformación y un ablandamiento del material decompiten simultáneamente dos mecanismos, antagónicos de creación y eliminación de defectos cristalin

• la acritud conferida durante esa deformación• La restauración dinámica de la estructura (o su recristalización dinámica) a la temperatura del confor

En definitiva, el material resulta menos resistente, y más dúctil ,en caliente que en frío. Ello posibilita -coque para deformar en frío- lograr grandes deformaciones sin que el material se agriete.

Generalmente se alcanza un equilibrio en aquella competición entre acritud y restauración o recristalizalogra un régimen de equilibrio tal - a partir de determinada deformación- que al aplicar una tensión condeforma plásticamente sin adquirir acritud.

DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE) GENERALIDADES

1.-La temperatura TH a que debe realizarse la deformación "en caliente", para obtener ampliamente mejoras de



3.- La tensión aplicada en caliente es menor que la que se aplicaría en frío para dar la misma deformación. AT/Tm0.75TE, la tensión aplicada es pequeña, luego en materiales en caliente (salvo los ultrarresistentes a altatemperatura, curva superior) son blandos y , por tanto, fáciles de conformar. En definitiva, el material resulta menosresistente y más dúctil en caliente que en frío. Ello posibilita -con menores tensiones que para deformar en frío-lograr grandes deformaciones sin que el material se agriete.

1. La temperatura TH a que debe realizarse la deformación en caliente , para obtener ampliamente mejoras deductilidad, debe ser tal que TH(K)>0.75.TE ( siendo TE la temperatura de fusión del material). Solamente por encima de

la temperatura 0.5.T E puede tener lugar la autodifusión T=0.5TE (se produce en ausencia de gradientes deconcentración).Es una difusión que hace que el material pueda restaurar o recristalizar, y que posibilita la difusión devacantes y el movimiento de dislocaciones (trepado, cross slip).

2.-La ley de Ludwick-Hollomon es diferente para la deformación en frío y en caliente:

(a).- Deformación en frío: m=0, n0, C=K(b).- Deformación en caliente: n≈0, m (Coeficiente de velocidad de deformación) 0Por tanto, en caliente la tensión dada por la ecuación de Ludwick-Hollomon no depende de la deformaciónsufrida por el material, sino de la velocidad con que esta se produce (d/dt)

Hasta T/Tm = 0.5, como se puede observar en el gráfico, m apenas interviene (tramo pseudo horizontal). Apartir de ahí para valores creciente de T, m va creciendo y depende del material.m en caliente toma valores entre 0.10 y 0.25

4.- Mientras que en frío la deformación confiere acritud, en caliente hay posibilidad de que ablande. En ladeformación en frío se apilan los defectos creando campos de retrotensión. En caliente durante la deformación se dsimultáneamente al endurecimiento, una difusión de defectos que permiten que las juntas trepen, aumentando la

posibilidad de encontrarse dos defectos opuestos, con lo cual se cancelarían.

( ) H

m

Def cal C

m

n

C

DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE)Los metales y aleaciones con estructura cúbica centrada en las caras, CON ALTA ENERGÍA DE DEFECTOS DE APILAMI

l i i F d i d li i ió li i



Figura 1. Deformación a alta temperatura de metales con altaenergía de defectos de apilamiento (a) Extrusión. (b) Laminación.

aluminio, Fe, …, son propensos a perder acritud por poligonización y, por tanto, a restaurar ampliamente por activacdinámicamente durante la deformación en caliente, pero no suelen llegar a recristalizar dinámicamente.La recristalización dinámica durante la deformación en caliente suele producirse solamente en aleaciones de baja eapilamiento (

SFE) para grandes velocidades de deformación.

Figura 1 comportamiento a la deformación en caliente de los metales o aleaciones, de alta energía de defectos de

la extrusión en caliente (GRAN VELOCIDAD DEFORMACIÓN ) primero se produce una restauración dinámica duranteposteriormente, una recristalización estática, resultando una estructura del perfil extruído de granos equiáxicos ( enelevada velocidad de deformación).

Cuando se hace referencia a restauración diná

sucede en la zona de deformación y cuando es

Para la laminación en caliente (reducción de área oespesor de pequeña cuantía menor velocidad dedeformación que en la extrusión) primero se produceuna restauración dinámica durante la deformación yuna restauración estática después de la deformación.

La chapa así laminada tendrá granos alargados conmorfología similar a granos agrios, aunque en suinterior podrá apreciarse (por microscopía electrónica)la existencia de granos equiáxicos. Ello no impide que,después, pueda producirse una recristalización estáticaestática entre pasadas o al final de la conformación encaliente

Restauran tanto más cuanto mayor sea la de


En metales y aleaciones con baja energía de defectos de



En la laminación en caliente se produce restauracióndinámica durante la deformación y recristalización estáticapoco después de la deformación, con lo que esa chapatendría una estructura de granos equiáxicos regulares.

Figura 2.- Deformación a alta temperatura de metalde apilamiento (Jonas).(a) Extrusión (b) Laminació

En metales y aleaciones con baja energía de defectos deapilamiento ( SFE) su comportamiento a extrusión en calientedifiere de los/las de alta energía (Figura 2). Además de larestauración dinámica, se produce recristalización dinámica(para grandes velocidades de deformación) durante ladeformación, seguida de recristalización estática.


El diámetro medio de los subgranos disminuye con la temperatura de deformación si se emplea la misma velocidad d



El diámetro medio de los subgranos disminuye con la temperatura de deformación, si se emplea la misma velocidad dcualquiera que sea la temperatura T (por ejemplo, la misma velocidad de laminación para pasar de un espesor E a otrSe admite que el valor del diámetro d (en m) viene determinado por la igualdad:

a y b: dos constantes empíricas del material (por ejemplo, para el Aluminio puro iguales a -0,6 y 0,8 respectivamente)

1log( )a b Z

d

T=TemperaturaR=Constante universal de los gasesQ= Energía de activación para la difusiónZ = Parámetro de Zener-Hollomon.

Q RT Z e

1( )Velocidad de deformación s

Se alargan los granosρ ┴ Las dislocaciones se reorganizan dando subgranos de tamaño d-1 Se cancelan por restRecristaliza dando dgrano fino para la extrusión

En resumen:

COMPORTAMIENTO EN CALIENTE DE METALES Y ALEACIONES (Curvas σ-

)Materiales con alta energía de defectos de apilamiento ( SFE) , como el Al y el Fe

Se alcanza un régimen estacionario para σ —por equilibrio entre endurecimiento y ablandamiento



no depende de puesto que 1 y 2 necesitan el mismo valor de la tensión. Al mantener lavelocidad de deformación y aumentar la temperatura T (T2>T1), la curva se situa por debajo (el

material ablanda con la temperatura). Si mantenemos la temperatura y (d/dt)2 > (d/dt)1 , la curvaasciende.

Curvas

(d

/dt)

,

T T movilidad de defectos capacidad de ablandamiento T difusividad movilidad atómica ablandamiento curvas bajas

(i).- 1<*: el material no ablanda por restauración dinámica, pero si restaurará estáticamente, sin recristalizarestáticamente.(ii).- *< 2<ss: Hay ablandamiento por restauración dinámica (formación de subgranos relacionados con Z) yel material sigue el ablandamiento por restauración estatica y puede que por recristalización estática(iii).- 3>ss: Lo mismo que antes pero seguro que hay recristalización estática. En este caso, el nivel de esindependiente del nivel de dado al material.A partir de ss un mismo valor de tensión, , puede producir muchos valores de debido al ablandamiento

dinámico por restauración. Los ablandamientos estáticos son la restauración y recristalización estática

Q Qdef autodifusión

RT def

Z e

Restaur

T

Acero i

g p p q y(con valor del coeficiente de acritud, n, igual a cero)— cuando la deformación plástica superaaproximadamente 0,2. Antes de alcanzar el régimen estacionario se observa un régimentransitorio durante el cual la tensión σ aumenta rápidamente por acritud.

Curvas Z, que hablan del nivel de las curvas(altura de ellas), por tanto valores altos indicancurvas altas y valores bajos, curvas bajas. Si Z

aumenta ( Z), cuesta más deformar.

T def

(d/dt) Z

Materiales con baja energía de defectos de apilamiento ( SFE)COMPORTAMIENTO EN CALIENTE DE METALES Y ALEACIONES

Cuando hay recristalización dinámica, el aspecto de las curvas σ- resulta diferente. La figura 1 ilustra las curvas



Las curvas están más altas cuando el material es más duro, luego al igual que los materiales

con alta energía de defectos de apilamiento ( SFE), las curvas ascienden cuando aumentala velocidad de deformación y baja la temperatura de deformación (Tdef ).

En la curva se distinguen varios dominios:

1.- Zona donde se sigue la ley de endurecimiento2.- Zona de ablandamiento por recristalización dinámica3.- Zona final

<r

: el material se endurece por deformación en caliente, el material no ablandadinámicamente.

r<<0.8p: al superar r se alcanza un número crítico de defectos que nos da una

restauración dinámica pero débil. En general, predominará el endurecimiento pordeformación.

0.8p<

<ss: sucederá una restauración dinámica débil si se compara con la

recristalización dinámica (iniciada cuando = 0.8p). Esta recristalización dinámica para

> 0.8p, conforme deformamos más, mayor es ablandamiento. Figura 1.- Recrista

y , p gen un acero de 0.25% C deformado en estado austenítico a 1100 °C (0.76Tf ). Para altos valores de (d/dt) se ve laforma típica de la recristalización dinámica: después de un pico correspondiente al régimen transitorio se observauna caída de la tensión o ablandamiento producido por el comienzo de la recristalización dinámica, seguido deuna tensión estacionaria resultado de la continua recristalización dinámica.

1

ECUACIONES QUE DESCRIBEN LOS PROCESOS DE RECRISTALIZACIÓN Y ABLANDAMIENTO (LEY DE COMPEn el conformado en caliente la dependencia de entre , T, y (d/dt), (ley de comportamiento), responde a la relación



Qdef

RT k def A sh e Z

A y = Constantes del materialk = Constante próxima a 5 para la mayor parte de los metalesQ def = Energía de activación para restauración dinámicaZ = Parámetro de Zener-Hollomon

Para cualquier aleación metalica monofásica, se llama ley de comportamiento, porque en uno de los términos apare

ingenieriles , que se pueden controlar temperatura y velocidad de deformación y se denomina ecuación constitutivaen el otro término se contempla cuanto de duro o blando es el material (), puesto que A, y k son constantes.

A diferencia de la conformación a eledeformación en frío de un material mla acritud. La ley de comportamientodepende de (d/dt), o lo que es lo mtiempo, y suele ajustarse a la relació

Obsérvese que para cada material metálico la tensión de fluencia en caliente, σ, depende de la temperatura T y dela velocidad de deformación (d/dt) —para una temperatura dada, el valor de σ es tanto mayor cuanto mayor sea la(d/dt) requerida— pero no depende del grado de reducción (siempre y cuando se haya sobrepasado una ciertadeformación umbral crítica).Nótese, también, que para cada tensión de fluencia aplicada, la velocidad de deformación se incrementaexponencialmente con la temperatura:

La velocidad de deformación sigue la ley de Arrhenius al igual que ocurre en otros casos, como por ejemplo, lavelocidad de difusión de un líquido en otro; la de oxidación de un metal; la de corrosión; la de nucleación duranteuna solidificación , etc. En la ley de comportamiento en caliente subyace, por tanto, que la velocidad dedeformación viene determinada por la difusión de materia.Conviene subrayar que la ley de comportamiento [Ecuación (1)], para deformación a altas temperaturas y tamañosde grano superiores a 1 micra, es universal: sirve lo mismo para el conformado en caliente, que para ladeformación por creep, aunque ambos procesos difieren entre sí por las tensiones a aplicar y los mecanismos de

deformación

(1)

( )

Qdef

RT def Cte e

ECUACIONES QUE DESCRIBEN LOS PROCESOS DE RECRISTALIZACIÓN Y ABLANDAMIENTO (LEY DE COMP

11hd d h dh dh



Nota: 0

00

1hd d h dh dh Ln Velocidad de conformado

hdt dt h dt h dt h

En caliente: d

f f dt

Nos vamos a centrar en dos procesos: conformado industrial y fluencia “creep”

no es función de

Para diámetros de grano muy finos y comportamiento superplástico m igual al 1 , el valor de a depende, además, deley de comportamiento es del tipo:

2Q

RT A d e

1.-CONFORMADO INDUSTRIALEn el conformado industrial en caliente, las tensiones aplicadas son elevadas (20-100 MPa) y las velocidades de defolo son (5 s-1 – 150 s-1 ), con el fin de aumentar la productividad.



( ) p

2 2

k k k

k k

A A A sh e e Be

Cuando la tensión aplicada es elevada, entonces: >1.2

( )2

x x

e e shx x

Cuando se tiene que: ex y e-x , con lo cual sepuede despreciar el segundo término respecto alprimero, quedando:

( )2

xe

shx x

Por tanto:

Qdef RT def

Be e

Ley exponencial de la deformación en caliente

o en función de la velocidad de deformación

Ley exponencial de la deformación en caliente

Be Z

Qdef

RT k def A sh e Z

Se denomina "conformado o deformación en carealizado a temperaturas superiores a 0.75TE pdeformaciones (e entre 0.5 y 5) a velocidades dcomprendidas entre 10-2 y 103 s-1. Ello requierefluencia acorde con la ley de comportamiento.

1.-CONFORMADO INDUSTRIAL

V t j d l d f ió li t

Ventajas e inconvenientes de la deformación en frío respecto a la deformación en caliente y viceversa:



Inconvenientes de la deformación en caliente:1.- La rugosidad superficial puede ser mala, ya que al aumentar la temperatura, la oxidaciónsuperficial es mayor (la oxidación es un proceso difusional que depende de la temperatura)

T Oxidación superficial RT (Rugosidad total), Ra (Rugosidad media)

2.- Baja tolerancia dimensional. En caliente es difícil controlar las tolerancias dimensionales (figura)

3.- La planicidad del material es mala.

4.- Tredundante: FR (fuerza de rozamiento)

5.- El volumen total en peso de lo que se pierde por oxidación es del 0.6-0.7 % y además esta

perdida no es homogénea (da aspecto de cráteres)

Ventajas de la deformación en caliente :1.- Para una deformación dada () las tensiones de deformación promedio son pequeñas ( ).def

2.- En caliente deformamos TC = (20-25)TF (frío). Alargamientos 25 veces más en caliente que enfrío (la ductilidad total es mucho mayor, T ).3.- En caliente, superado el valor de pico (P) alargar más no cuesta más esfuerzo, por lo tanto elnivel de tension () de la deformación en caliente es independiente de .

4.- La solidificación suele ser dendritica con defectos de microrrechupe, macrorecchupe,microsegregción y macrosegregación. En laminación el material debe tener buena calidad.El microrrechupe es un hueco con superficies limpias, luego a altas temperaturas pueden soldarsede manera perfecta. El macrorecchupe no se puede eliminar pero se aminora.

2.-FLUENCIA O “CREEP”Muchas estructuras —especialmente aquellas relacionadas con la energía, como turbinas, reactores, máquinas de vapfuncionan a temperaturas mucho más altas que la temperatura ambiente.



A temperatura ambiente, la deformación de la mayoría de los metales y cerámicos depende de la tensión y, a efectos del tiempo:

= f (σ) sólido elástico/plástico (Comportamiento a baja temperatura)

A medida que aumenta la temperatura, las cargas que no provocan deformación permanente a temperatura ambientfluencia en los materiales. La fluencia es una lenta y continua deformación con el tiempo. La deformación, en lugar de

tensión, pasa a depender ahora del tiempo y de la temperatura:= f (σ, t, T)sólido deformándose por fluencia(Comport

La temperatura a la cual los materiales experimentan fluenciadepende de su punto de fusión. Con carácter general, se haencontrado que la fluencia comienza cuando:

T> (0.3-0.4)TM para metalesT> (0.4-0.5)TM para cerámicos

donde TM es la temperatura de fusión en Kelvin

Fluencia: Proceso de deformación en caliente no deseado

La utilización industrial de los materiales metálicos atemperatura superior a 0.5TE suele ser inviable porquesometidos a cargas inferiores a su límite elástico, sedeforman plástica e intergranularmente. Este tipo dedeformación, que en castellano se denomina fluencia, se

conoce internacionalmente con el nombre de creep.

2.-FLUENCIA O “CREEP”



La figura 1 corresponde a la relación entre carga y tiempo de roturapara el aluminio de pureza 99.3 %, ensayado a diversas temperaturas.Para cada temperatura puede observarse una línea quebrada formadapor dos tramos de distinta pendiente. Los ensayos en la zona demenor pendiente presentan roturas con deformación previa,

transcristalina, en el interior de los granos.Figura 1.- Rotura por creep:tensiones y tiempos de roturla Torre). (Sobre las curvas figlos alargamientos a rotura).

En cambio, en la zona de mayor pendiente, correspondiente a menores cargas aplicadas, se advierte que la rotura setiempo y con menores alargamientos. Al observar la microestructura se aprecia que el interior de los granos no preserotura es intergranular (rotura por creep).

Para temperaturas superiores a (0.5-0.6)Tf (temperatura equicohesiva) la resistencia mecánica de las juntas de granode los granos (contrariamente a lo que ocurre a temperaturas inferiores a la equicohesiva).

Por ello, aplicando una tensión pequeña, aunque resulte insuficiente para producir una deformación en el interior dedeslizamiento y cross-slip de dislocaciones, puede, sin embargo, producirse una deformación intergranular, por desli

FRACTURA TRANSGRANULARLAS GRIETAS SE PROPAGAN CORTANDO LOS GRANOS



FRACTURA INTERGRANULARLAS GRIETAS SE PROPAGAN A LO LARGO DE LAS FRONTERAS DE GRANO



2.-FLUENCIA O “CREEP”

Interesa el estudio de dos curvas: (a) Deformación () frente al tiempo (t);(b) Tensión () frente al tiempo (t). (Tensión-rotura, stress-rupture – S/R-)



(b) Tensión () frente al tiempo (t). (Tensión rotura, stress rupture S/R )

(a).- Curva: Deformación (

) frente al tiempo (t).

El gráfico es específico para tensión constante ( = Cte,presión en el interior de una tubería, el propio peso,…). Si

hubiéramos tomado temperatura constante y tensionescrecientes, los gráficos que se obtendríamos seríanhomólogos

El creep, si se considera parametrizable, se obtienecomo suma de tres regímenes:

0

1 rt

t

ss

e t

Industrialmente interesa como y cual es la curva derivreferente a la velocidad de deformación.

2.-FLUENCIA O “CREEP”I.- Fluencia primaria



II.- Fluencia secundaria o estacionaria

• Coexisten los regímenes instantáneo y viscoso, predominando el viscoso (i+v).• La velocidad de deformación es constante

• Es la etapa más duradera de las tres (tII > tI, tIII)• Es el periodo de más interés ingenieril por determinar una ley de comportamiento.• Comienza la formación de cavidades pero no se produce una descohesión permanente. Por difusión de lagunas y p

dislocaciones va teniendo lugar una restauración o relleno de pequeñas oquedades.

• La velocidad de deformación disminuye.• Es un período donde participan las fases instantánea

y transitoria, donde la que domina es la segunda(i+t).

• Proceso dominante a baja temperatura (T10.3TE).Caso típico del Pb a temperatura ambiente

III.- Fluencia terciaria

• Aumenta la velocidad de deformación• Su duración es corta (tIII )• Coexiste el transitorio con el viscoso (t+v)

II SS

Ley de comportamiento del cree

p.

Qcreep RT k creep

A sh e Z

Partiendo de la ecuación:



σCreep « σlaminación, forja

σCreep σ<0.83 5

... ( )2 3! 5!

x xe e x x

shx x x

x shx≈x

Luego:

k k k k

A sh A A

Sustituyendo: Qcreep RT creepk k A e Z

o bien (Ak=Cte=K1):

( )1

Qcreep RT creepk

Ley del creep K e

Tomamos un caso particular:T=Cte, de donde: [-Q/RT] = Cte exp[-Q/RT] = Cte=K2

( )1 2k k

Ley potencial del creep para T Cte K K C

La tensión requerida para deformar plásticamente un material cristalino es la necesaria para mover lasdislocaciones contenidas en el cristal. A su movimiento se oponen:(a).-la resistencia intrínseca de la red cristalina(b) - el efecto obstructor de los obstáculos (por ejemplo átomos de solutos disueltos precipitados

Mecanismo de fluencia plástica (regida por la ley de potencias)



¿Cómo ocurre el desbloqueo? La figura 1 muestra una dislocación que no puede deslizarse porque un

precipitado bloquea su trayectoria. La fuerza de deslizamiento b por unidad de longitud estácompensada por la fuerza de reacción f 0 del precipitado. Pero a no ser que la dislocación interaccionecon el precipitado en su plano medio (suceso muy improbable), aparece una componente de la fuerzabtan(θ), que empuja a la dislocación hacia fuera de su plano de deslizamiento.

Figura 1

Figu

La dislocación no puede deslizar hacia arriba cizallando planos atómicos, pero la dislocación puedemoverse hacia arriba si los átomos de la parte inferior del semiplano son capaces de difundir haciafuera (Figura 2). La ley de Fick se estableció que la difusión está gobernada por diferencias enconcentración. Una fuerza mecánica puede hacer exactamente lo mismo y orientar la difusión delos átomos fuera de la dislocación "sometida a carga", eliminando átomo a átomo el semiplanoatómico extra hasta que pueda superar al precipitado. Este proceso es el "trepado" y, puesto querequiere de la difusión, sólo puede ocurrir a temperaturas elevadas.

El mecanismo de trepado desbloquea las dislocaciones sujetas por precipitados; superados éstos, eldeslizamiento puede continuar (Figura 3) hasta el siguiente obstáculo, repitiéndose otra vez el ciclocompleto. Para otros obstáculos, como solutos u otras dislocaciones, el mecanismo de desbloqueo essimilar. Esto explica la naturaleza progresiva y continua de la fluencia y el papel de la difusión.

Figura 3

1

Qk RT K e

(b).- el efecto obstructor de los obstáculos (por ejemplo átomos de solutos disueltos, precipitadosformados por átomos de solutos no disueltos u otras dislocaciones).

La difusión atómica puede "desbloquear" las dislocaciones de sus obstáculos, y el movimiento de lasdislocaciones desbloqueadas bajo una tensión aplicada es lo que origina la fluencia plástica.

La dependencia de la velocidad de fluencia con la tensión aplicada σ se debe ala fuerza de trepado: a mayor σ, mayor será la fuerza de trepado btan(θ), másdislocaciones serán desbloqueadas por segundo, más dislocaciones sedeslizarán por segundo y mayor será la velocidad de deformación.

Mecanismo de fluencia por difusión

A tensiones bajas, la velocidad de fluencia disminuye rápidamente (n tiene un valor comprendid1

Qk RT K e

Sin embargo, la fluencia no se detiene, en su lugar aparece un mecanismo alternativo. Como se puede observar en latensión aplicada σ un material policristalino puede deformarse mediante el alargamiento de sus granos; aquí σ actú



La difusión a través de la superficie es la másrápida, seguida de la difusión en la junta de

grano y la de volumen.

Elegida una temperatura T, a temperaturasmayores ( T)manda la difusión en volumen (seagrupan todas las líneas) y a temperaturasinferiores ( T) manda la difusión en juntas degrano(aunque la difusión a través de la superficie esla más rápida, nos centramos en las otras dos)

tensión aplicada, σ, un material policristalino puede deformarse mediante el alargamiento de sus granos; aquí, σ actúimpulsora mecánica, pero ahora los átomos difunden entre las caras de los granos cristalinos sin que las dislocacionevalores altos de T/TM, este proceso de difusión tiene lugar a través de todo el cristal, es decir, por difusión en volumees, por tanto, proporcional al coeficiente de difusión D y a la tensión σ (porque σ impulsa la difusión en la misma direla ley de Fick) y la velocidad de fluencia varía con 1/d2, donde d es el tamaño de grano (pues cuando d se hace granddifundir a mayores distancias). La ecuación constitutiva es:

2 2' Q RT D C C e

d d

donde C y C' = CD0 son constantes. Para valores pequeños de T/TM, cuando la difusión en volumen es baja, la difusión contribuye significativamente, aunque la velocidad de fluencia sigue siendo proporcional a σ. El deslizamiento de los bmecanismo auxiliar de este proceso para que no se creen huecos entre granos.

Figura 4

En la etapa II hay una formación de huecos o cavidades denominadas huecos de cavitación (damage, dañado estructucontrarrestado con una velocidad de tapado de huecos. Estos huecos se producen por cizallamiento.

V(Huecos de cavitación) V(Taponamiento)

Mecanismo de fluencia por descohesión inte

rgranular



V(Huecos de cavitación) = V(Taponamiento)

La formación de otros huecos de cavitación que se efectua por:

(i).- Deslizamiento de juntas de grano o rotación de granos : elhueco aparece en un punto triple.

(ii).- Cizallamiento de dislocaciones sobre una junta de grano: elhueco aparece en la junta de grano

Los huecos de dañado no progresan son inmediatamente tapados.

En el límite de las etapas II y III empiezan a dominar los huecos y hasta rotura.Progresan las entallas y con eso la rotura (Vhuecos > Vtapones)

Minruca

Los microvacíos no pueden soportar/transmitir carga, ésta se reparteentre la sección del borde de grano que aún permanece intacta. Laconsecuencia es que los microvacíos crecen cada vez más deprisa hastaque la total unión entre ellos produce el colapso.

Durante la fluencia, el daño, en forma de defectos y cavidades internas, se acumula. El daño aparece al comienzo decurva de fluencia y aumenta a una velocidad progresivamente creciente. La forma de la curva de fluencia en esta etaa medida que las cavidades crecen, la sección de probeta que soporta la carga disminuye y (a carga constante) la ten(d/dt) y σn son proporcionales, la velocidad de fluencia crece más deprisa que la tensión (Figura 2).



y p p p q gEl tiempo hasta el fallo, tf , se expresa mediante una ecuación constitutiva muy similar a la de la fluencia:

1'

Qm RT

f t A e

En esta expresión, A', m y Q son las constantes de fallo por fluencia, que sedeterminan de la misma manera que las constantes de fluencia [losexponentes tienen distinto signo porque tf es tiempo, mientras que (d/dt)es velocidad].

En muchas aleaciones de alta resistencia el daño por fluencia aparece muypronto en la vida de servicio del material, fallando a deformacionespequeñas (tan pequeñas como del 1 %). En diseño a alta temperatura es

importante asegurarse de que:

(a).- la deformación de fluencia fldurante la vida de diseño es aceptable(b).- la ductilidad de fluencia ef

fl (deformación de rotura) es compatiblecon la deformación de fluencia aceptable(c)el tiempo hasta el fallo, tf , a las cargas y temperaturas de diseño, esmayor que la vida de diseño (con un factor de seguridad adecuado)

Curvas S/R (Tensión-Rotura)Los tiempos hasta el fallo se presentan normalmente en forma de diagramas defluencia-rotura. Su utilidad es obvia: si se conocen la tensión y la temperatura, sepuede averiguar fácilmente la vida del material. Si se desea diseñar para una cierta

d l ó d d d d d



Las curvas S/R son las más usadas para el análisis del creep. Se obtienenensayando distintas probetas a tracción a distintas temperaturas

(A): Roturas transgranulares: roturas con deformación previa en el interior de los granos(B): Roturas intergranulares: la rotura se produce al cabo de mayor tiempo y con menores alargamientos. Al observar aprecia que el interior de los granos no presenta deformación y que la rotura es intergranular (roturas por creep). Rotmecanismo de cavitación. Por tanto, el cambio de pendiente de la recta es debida a los mecanismos de deformación d

vida a una cierta temperatura, la tensión de diseño queda determinada. Como sepuede observar si aumenta la temperatura, la tensión a aplicar es menor.

Ventajas e inconvenientes de las curvas S-R y creep.



Las centrales térmicas exigen el comportamiento en creep para el 1 % de deformación a las 100000 horas. Quieren tespecificación, porque apenas se puede parar la central para revisiones. En aeronáutica se admite el 1 % a las 10000

¿Cuándo ocurre el fallo?; (d/dt) = /t; (d/dt)fallo = fallo/tfallo = f /tf

El alargamiento al fallo viene definido por la empresa: f (%)< 1 % (como en la aeronáutica), luego f =Cte la fija el com



Uso de los ábacos σ-LMP (Larson Miller Parameter) (Figura 1): tienen forma parabólicadonde la propia curva también supone un punto de fallo.

La tensión de trabajo en una tubería es σθ (circunferencial) (Figura 2) Con cada valor de la



La tensión de trabajo en una tubería es σθ (circunferencial) (Figura 2). Con cada valor de lapresión interior (Pi) se puede obtener una tensión de trabajo (σTra

) y con ello cuantodurará a la temperatura de trabajo mediante la ley de Larson-Miller

Por tanto, con el valor de LMP obtenido con el ábaco, fijando una tensión , se puede obtener:

(i).- Temperatura de trabajo conocida, obtenemos log(tf ) y con ello el tiempo de fallo (tf ).(ii).- Tiempo de trabajo conocido Obtenenos la temperatura de trabajo (Tf )

Todo esto se complementa con el ábaco que se detalla en la figura 3

El parametro de Hollomon-Jaffe

[ Ablandamiento después de revenido = T(K+logt)]

establece el comportamiento del material ante los revenidos.

Este parámetro relaciona t-T de manera similar a Larson-Miller,luego complementa a este último.

Relajación por fluencia

A desplazamiento constante, la tensión necesaria para producir fluencia también disminuye con el tiempo(a este fenómeno se le denomina relajación de tensión). Los tornillos de las carcasas calientes de lasturbinas se deben apretar regularmente. A largo plazo, los clips de plástico no son tan eficientes como losde acero porque incluso a temperatura ambiente la fuerza con que sujetan el papel va disminuyendo



de acero porque, incluso a temperatura ambiente, la fuerza con que sujetan el papel va disminuyendolentamente.El tiempo de relajación (que podemos definir arbitrariamente como el tiempo necesario para que latensión se reduzca a la mitad) se puede calcular a partir de la ley de potencias de la fluencia.Consideremos un bulón roscado que sujeta una pieza rígida de forma que la tensión sobre su longitud es

σi. En esta geometría (Figura), la longitud entre las tuercas debe permanecer constante —esto es, ladeformación total tot debe ser constante. Pero la deformación de fluencia fl se superpone a ladeformación elástica el , produciendo una relajación de la tensión. En cualquier instante t:

tot = el + fl (1)Pero: el =σ/E y a temperatura constante:

Derivando (1), teniendo en cuenta que tot = Cte y sustituyendo valores:1 nd

B E dt

n fl B

(2)

Integrando entre σ = σi a t = 0 σ = σ a t = t obtenemos:

1

1

2 1

( 1) BE

n

r ni

t n

(3)

La figura 1 muestra cómo la deformación de fluencia reemplaza gradualmente a la deformación elástica inicial σi/E, a tornillo se relaja. Si, por ejemplo, se tratara de un perno de la carcasa de un turbogenerador, el tornillo debería ser repara evitar fugas de vapor de la turbina. Para calcular cada cuánto tiempo es necesario reapretar el tornillo, tr, hay qutolerable de disminución de la tensión. Si, por ejemplo, se estima que σ puede disminuir a la mitad de su valor inicial,ecuación (3) se obtiene:

Figura 1.-elástica pcon el tie

1 1

1 1( 1)

n n

i

n BEt

(4)Los valores experimentales de n, A y Q del material del tornillo nos pefrecuencia será necesario apretar el tornillo. Obsérvese que sobreaprmucho porque tr disminuye rápidamente a medida que σi aumenta.

Recristalizacion, Recuperación y Crecimiento Del Grano. Deformacion AltaTemperatura

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