Ciencia e Ingeniería de Materiales

Tema 14. Mecanismos de endurecimiento y fenómenos de recristalización

14.2..

14.4.

14.5.

14.1. Introducción

Endurecimiento por afino de grano

Endurecimiento por temple

14.6. Endurecimiento por deformación

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14.3.

14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano

Endurecimiento por aleación

Endurecimiento por precipitación

8.8. Introducción a los diagramas ternarios

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14.1. Introducción

Los mecanismos de endurecimiento se basan en restringir e impedir el movimiento de las dislocaciones.

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Movimiento de una dislocación de cuña o arista

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14.2. Endurecimiento por afino de grano

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n Las fronteras de grano son barreras que dificultan el movimiento de las dislocaciones del

metal

Movimiento de una dislocación cuando

encuentra un límite de grano actúa

como barrera a la continuación del

deslizamiento. Los planos de

deslizamiento son discontinuos y

cambian de dirección en el límite de

grano.

Material con granos grandes y

pequeños. En el material con granos

grandes las dislocaciones encuentran

pocas barreras para moverse.

Granos pequeños Rm y dureza

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14.2. Endurecimiento por afino de grano

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n

σE = σ0 + k d-1/2

Lím

itew

elá

stico (

MP

a)

Tamaño de grano, d (mm)

-1 -2 -3

50

100

150

200

10 10 5x10

Variación del límite elástico con el tamaño de grano

E: límite elástico d: diámetro medio de grano 0 y k: constantes que dependen del

tipo de material

Influencia del tamaño de grano sobre

el límite elástico de un latón (70Cu-

30Zn). Notesé que el diámetro de

grano aumenta de derecha a

izquierda.

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14.3. Endurecimiento por aleación

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n La adición de impurezas al material producen distorsión en la estructura

cristalina donde se alojan debido a que tienen un tamaño distinto al de los átomos originales

Tamaño átomo soluto Cantidad de soluto

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14.3. Endurecimiento por aleación

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14.3. Endurecimiento por aleación

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n

Zona de compresión

Zona de tensión

En la zona de tensión suelen acumularse átomos grandes. La

distorsión en la estructura cristalina disminuye

En la zona de compresión se acumulan átomos pequeños

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14.3. Endurecimiento por aleación

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n

Metal rA(Å) %

Cu 1,278

Zn 1,332 +4,2

Al 1,432 +12,1

Sn 1,509 +18,1

Ni 1,243 -2,7

Si 1,176 -8,0

Be 1,143 -10,6

Radios atómicos y diferencias porcentuales en el tamaño de los átomos.

Tamaño átomo soluto

Efecto de varios elementos de aleación sobre el límite

elástico del cobre. Los átomos de Cu y Zn son

aproximadamente del mismo tamaño pero los de Be y Sn

tienen tamaños muy diferentes a los del cobre. Aumentando

la diferencia de tamaño atómico y la cantidad del elemento

aleante, se incrementa el endurecimiento por solución

sólida.

Átomos de mayor tamaño que el Cu (Zn, Al y Sn) y de menor tamaño (Ni, Si, Be) al aumentar la diferencia de tamaño se incrementa el efecto de endurecimiento

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14.3. Endurecimiento por aleación

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n Cantidad de átomo soluto

Efecto de adición del Zn al Cu sobre las propiedades de la aleación endurecida por

solución sólida. El aumento en el porcentaje de alargamiento al incrementarse el

contenido en Zn no es típico del endurecimiento por solución sólida.

Cantidad de soluto

efecto de endurecimiento

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14.4. Endurecimiento por precipitación

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n Objetivo

Crear en una aleación tratada térmicamente una densa y fina dispersión de partículas precipitadas de una segunda fase dentro de la original fase matriz deformable

Solución sólida con solubilidad decreciente a medida que disminuya la T

Hipotético diagrama de fases de una aleación endurecible

por precipitación

Precipitados gruesos localizados en los bordes de grano endurecimiento

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14.3. Endurecimiento por precipitación

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n

Tratamiento por solubilización y temple

◘ Solubilización: Calentar la aleación a una T superior a la de solvus para producir una solución sólida homogénea

◘Temple: Enfriar con rapidez a temperatura ambiente para conservar la microestructura de alta temperatura obteniendo una solución sólida sobresaturada sss altamente distorsionada y no es una estructura de equilibrio.

Envejecimiento o maduración: Se calienta la aleación a temperatura inferior a la solvus. El exceso de soluto tenderá a salir de la solución como finas partículas endurecedoras submicroscópicas (segundas fases). Las partículas precipitadas actúan como obstáculos al movimiento de las dislocaciones producidas al deformarse el metal, anclando su movimientos y dando lugar a un fuerte aumento de la resistencia mecánica del mismo.

Si se incrementa el tiempo de envejecimiento o si la temperatura es elevada el exceso de soluto tenderá a agruparse formando una segunda fase de tamaño grande y distribución heterogénea y poco dispersa y se dice que la aleación ha sido sobreenvejecida no estando su estructura cristalina tan distorsionada.

Etapas del proceso

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14.4. Endurecimiento por precipitación

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n

Esquema del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o maduración

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14.4. Endurecimiento por precipitación

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n

Esquema del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o maduración produciendo

sobremaduración debido al alargamiento del tiempo de maduración

Sobreenvejecimiento

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14.4. Endurecimiento por precipitación

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n

Evolución de una serie de propiedades mecánicas en función del tiempo de tratamiento de

envejecimiento o sobreenvejecimiento

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14.5. Endurecimiento por temple

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n Acero

(Austenita ) Enfriamiento

rápido

T< 220 ºC (Ms) Martensita

Fase metaestable formada por una s.s. sobresaturada de C en ferrita

Se produce sin difusión No se produce cambio alguno en la

composición Da origen a grandes distorsiones en la

red Cambio de la estructura FCC de la

austenita a la BCT (tetragonal centrada en el cuerpo) de la martensita

Diagrama Fe-C

FCC

BCC

BCT

La celda unitaria de la martensita BTC está relacionada con la celda unitaria centrada en las caras de la austenita FCC

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14.6. Endurecimiento por deformación

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n Un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que es deformado

plásticamente. Se denomina también acritud o bien endurecimiento por trabajo en frio.

%CW=𝐴0−𝐴𝑑

𝐴0∗ 100

CW: % de trabajo en frio A0 y Ad: área de la sección antes y después

de la deformación

Variación de la resistencia a la tracción y la ductilidad durante el trabajo en frio en el cobre puro y en una aleación

Cu-30% Zn

Cu Cu-30%Zn

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14.6. Endurecimiento por deformación

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Variación de la resistencia a la tracción y la ductilidad durante el trabajo en frio para el

acero AISI 1040, el latón y el cobre

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14.6. Endurecimiento por deformación

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n

Diagrama esquemático de la curva de tracción de

un acero mostrando el fenómeno de recuperación

de la deformación elástica y del endurecimiento

por deformación. El límite elástico inicial se

indica como y0; yi el es límite elástico después

de retirar la carga en el punto D, y continuar

después el ensayo.

D

Recuperación de la deformación elástica

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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano

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n

Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades

y mecánicas y la microestructura

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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano

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n

Influencia de la temperatura sobre la

resistencia a la tracción y sobre la

ductilidad de un latón. Se representa el

tamaño de grano en función de la

temperatura. Estructura de grano durante

la restauración, recristalización y

crecimiento de grano

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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano

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n Recuperación

Tensiones internas se reducen energía térmica difusión

dislocaciones se reordenan en configuraciones de

menor energía y número

Recristalización

Formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales libres de deformación que tienen baja densidad de dislocaciones

Las propiedades mecánicas son restauradas

Temperatura de recristalización

Temperatura a la cual la recristalización ocurre exactamente en una hora

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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano

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n

Recristalización

Variación de la temperatura de recristalización

con el porcentaje de trabajo en frío en el caso del

Fe. Para deformaciónes inferiores a la crítica

(alrededor del 5% de trabajo en frío), la

recristalización no tendrá lugar

Temperaturas de recristalización y de fusión para varios metales y aleaciones

% trabajo en frio vrecristalización

T de recristalización

Metal T recristalización

(ºC)

T fusión

(ºC)

Plomo -4 327

Estaño -4 232

Cinc 10 420

Aluminio (99,999% en peso) 80 660

Cobre (99,999 % en peso) 120 1085

Latón (60%Cu-40% Zn) 475 900

Níquel (99,999 % en peso) 370 1455

Hierro 450 1538

Tungsteno 1200 3410

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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano

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n Crecimiento de grano

A medida que el grano crece en

tamaño, es menor el área total del

límite de grano produciendose una

reducción en la energía total que es

la fuerza motriz para el crecimiento

de grano.

Crecimiento de granos libres de deformación si la muestra metálica se deja a temperatura elevada

Crecimiento del grano en función de la temperatura y del tiempo de

permanencia a dicha temperatura para el latón