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UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)

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UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO) - PowerPoint PPT Presentation


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UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO) Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos de recuperación y recristalización que suceden en materiales . Cuando un metal a sufrido deformación plástica se dice que tiene acritud . Fenómeno de recristalización:

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UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO)

Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos de recuperación y recristalización que suceden en materiales

Cuando un metal a sufrido deformación plástica se dice que tiene acritud

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Fenómeno de recristalización:

  • Se deforma plásticamente un metal
  • Se calienta el metal hasta una temperatura del orden de la mitad de la temperatura de fusión y se mantiene un tiempo t
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Temperatura de trabajo en frío

Una regla empírica aproximada es suponer que la deformación plástica corresponde al trabajo en frío si este se efectúa a temperaturas menores de la mitad del punto de fusión medido sobre una escala absoluta.

Laminado

(rolado)

Forjado

Trefilado

Extrusión

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Embutido

Estirado

Doblado

Disipación en forma de calor

Energía de deformación (10%)

Energía del trabajo mecánico

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Características del trabajo en frío:

  • Elevada densidad de dislocaciones (108–1012 líneas de dislocación/cm2)
  • Simultáneamente se puede endurecer el metal y producir la forma deseada
  • Es un método económico para producir grandes cantidades de pequeñas piezas ya que no se requieren de fuerzas elevadas ni de equipos de conformado costosos.
  • Durante el trabajo en frío la ductilidad, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión se deterioran.
  • Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico adecuadamente controlados pueden ser benéficos.
  • Algunas técnicas de procesamiento por deformación solo pueden efectuarse si se aplica trabajo en frío (es decir, si la deformación endurece el material)
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Algunas técnicas de procesamiento por deformación solo pueden efectuarse si se aplica trabajo en frío (es decir, si la deformación endurece el material)

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Procesos que permitirán aproximar el metal al estado de equilibrio:

  • La reducción del número de defectos puntuales, por migración y anulación recíproca en pozos (dislocaciones, uniones de grano)
  • La aniquilación mutua de dislocaciones de signo opuesto
  • La reordenación de las dislocaciones en redes más estables de deslizamiento
  • La absorción de las dislocaciones por los limites de grano
  • La reducción del área total de las superficies que limitan los granos

La elevación de la temperatura del metal provoca el retorno de las propiedades, o a la estructura, de un estado más estable.

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Microestructura con acritud: los granos deformados son inestables, al someter esta estructura a temperaturas elevadas, el material puede ablandarse y es posible que se generen una nueva microestructura

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Recocido

Tratamiento cuyo objeto es destruir mediante un calentamiento, la estructura distorsionada por el trabajo en frío y hacer que adopte una forma libre de deformaciones.

  • Este proceso se realiza totalmente en el estado sólido, y el calentamiento va seguido normalmente de un enfriamiento lento en el horno desde la temperatura de trabajo.
  • El proceso de recocido puede dividirse en tres fases:
  • Restauración o recuperación
  • Recristalización
  • Crecimiento de grano.
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Restauración o recuperación

  • Todos los fenómenos de recocido que se presentan antes de la aparición de granos nuevos sin deformación.
  • Recristalización
  • Es la nucleación de los granos nuevos sin deformación
  • Crecimiento de grano.
  • Consumo gradual de la matriz trabajada en frío debido el crecimiento de estos granos
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La fuerza impulsora para la etapa de recuperación y recristalización es la energía almacenada de la matriz trabajada en frío.

La fuerza impulsora para el crecimiento de los granos es únicamente la curvatura de los límites de granos.

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Fracción de energía almacenada en el cobre con relación a la energía mecánica, en función de la tasa de deformación, para dos valores de tamaño de grano

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Energía almacenada

  • Cuando una aleación se deforma plásticamente, se producen defectos en la red cristalina, y estos defectos, junto con la deformación elástica sirven como mecanismos para el almacenamiento de energía en la aleación.
  • a) Mecanismos de almacenamiento de energía
  • Deformación elástica: la energía de deformación elástica representa solamente de un 5 a 10% de la energía total que se ha almacenado
  • Defectos reticulares: durante el trabajo en frío se producen dislocaciones, vacancias, átomos intersticiales, fallas de apilamiento y límites de maclas.
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b) Variables que afectan la cantidad de energía almacenada

  • Pureza: la adición de átomos de impurezas a un metal incrementa la cantidad de energía almacenada (aparentemente estos átomos estorban el movimiento de las dislocaciones y se multiplican)
  • Deformación: los procesos más complejos de deformación producen energías almacenadas más altas (Una tensión simple activa solo dos planos de deslizamiento en un metal FCC, mientras que la extrusión activará el deslizamiento en las cuatro posibles familias de planos de deslizamiento)
  • Temperatura: la deformación a temperatura más baja incrementa la cantidad de energía almacenada (mayor interacción entre defectos)
  • Tamaño de grano: la cantidad de energía almacenada se incrementa al disminuir el tamaño de grano (la densidad de dislocaciones producidas por deformación es inversamente proporcional al tamaño de grano)
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1) Restauración o recuperación

  • a) Restauración de la resistividad eléctrica
  • b) Liberación de la energía almacenada
  • c) Restauración de las propiedades mecánicas
  • d) Restauración de la estructura:
  • - Disminución de defectos puntuales en el interior de los granos
  • - Movimiento de las dislocaciones
  • -Reordenamiento de éstas en configuraciones nuevas (poligonización)
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Restauración de la resistividad

Cuando se eleva la temperatura, se observa una disminución de la resistividad, lo que puede atribuirse a la migración y eliminación de vacancias y una reducción de la densidad de dislocaciones

Níquel 99,85% (70% deformación)

  • resistividad eléctrica
  • densidad
  • energía almacenada
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b) Liberación de energía almacenada (calorimetría)

Cobre

Níquel

  • Resistividad elec.
  • Densidad
  • Energía liberada
  • Dureza
  • Resistividad elec.
  • Energía liberada
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c) Restauración de las propiedades mecánicas

  • Las propiedades mecánicas son poco sensibles a los defectos puntuales, ya que solo la agrupación de vacancias provocan un endurecimiento.
  • La evolución de las propiedades mecánicas dependen fundamentalmente del comportamiento de las dislocaciones
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Metales de baja energía de falla de apilamiento : las propiedades mecánicas solo evolucionan en la etapa de recristalización (aleaciones de cobre, níquel)

  • Metales con alta energía de falla de apilamiento (donde es más fácil una reordenación importante de las dislocaciones) se produce una restauración notable de las propiedades mecánicas antes de la recristalización (Fe)
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d) Restauración de la estructura (microscopía óptica, electrónica y DRX)

La variación de la estructura se puede observar en metales donde se produce la restauración de las propiedades mecánicas antes de la recristalización (metales con alto valor de energía de falla de apilamiento)

Coalescencia de dislocaciones para formar bordes de grano de ángulo pequeño

Poligonización después de flexión (a) monocristal (b) deslizamiento por flexión (c) poligonización

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(b)

(a)

(c)

Poligonización de un monocristal de Fe-Si (a) Después de flexión

(b) 1 h a 850 ºC (c) 1 h a 1060ºC

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Poligonización del Al

Poligonización del Cu

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Para que las dislocaciones se alineen debe haber deslizamiento y trepado.

  • En general, en los materiales policristalinos, podemos decir que:
  • La poligonización requiere un exceso de dislocaciones de borde
  • Se produce únicamente a temperatura de recuperación más alta, ya que debe existir trepado de dislocaciones
  • Produce subgranos de tamaño 10 veces más grande que los que se producen vía condensación de laberintos o grupos de dislocaciones
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2) Recristalización

  • La recristalización es un proceso que se desarrolla por nucleación y crecimiento.
  • Los sitios preferenciales de nucleación de los nuevos granos son las regiones más deformadas, como bordes de grano, planos de deslizamiento, y en zonas de alta energía como precipitados de segunda fase y, también, en torno a inclusiones no metálicas
  • Si el núcleo se forma rápidamente y crece con lentitud, se formarán muchos cristales antes de que se complete el proceso de recristalización, es decir, el tamaño final del grano será pequeño. En cambio, si la velocidad de nucleación es pequeña comparada con la velocidad de crecimiento, el tamaño de grano será grande
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La recristalización ocurre debido a la nucleación y crecimiento de nuevos granos que contienen pocas dislocaciones.

  • El crecimiento de estos nuevos granos ocurre en los bordes de celda de la estructura poligonizada, eliminando la mayoría de las dislocaciones.
  • Los nuevos granos recristalizados adoptan formas más o menos regulares, debido a las anisotropías de su velocidad de crecimiento.
  • Cuando los granos entran en contacto unos con otros, se acaba la fase llamad recristalización y se entra en la fase llamada crecimiento de grano
  • Como se ha reducido de manera importante el número de dislocaciones, el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero una elevada ductilidad.
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Inicio de la recristalización alrededor de inclusiones de óxidos

de un hierro altamente deformado

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Granos recristalizados en un matriz deformada: hierro electrolítico recocido a 575 ºC después de una deformación de 15%

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Cinética de la recristalización

La etapa de recristalización se produce por la nucleación de granos nuevos sin deformación, que crecen y consumen la matriz trabajada en frío. La velocidad de recristalización (volumen recristalizado por unidad de tiempo) se expresa como:

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A una temperatura dada, la velocidad de recristalización (volumen recristalizado por unidad de tiempo) parte de cero, crece y pasa por un máximo

Cinética de recristalización del aluminio a 350 ºC, deformado por tracción 5%

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Efecto de la deformación, pureza y tamaño de grano sobre G

  • Al incrementar la energía almacenada se incrementará la velocidad de crecimiento (aumento de deformación o disminución de tamaño de grano)
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Al disminuir la pureza, disminuye la velocidad de crecimiento, por disminuir la movilidad del límite del grano

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Efecto de la deformación, pureza y tamaño de grano sobre N

  • la velocidad de nucleación de la recristalización se incrementa con la deformación.
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A menor tamaño de grano, mayor es la velocidad de nucleación (los granos pequeños producen deformaciones locales más altas, lo cual aumenta la velocidad de nucleación)

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

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Leyes de la recristalización

  • La recristalización se produce solamente después de una cierta deformación inicial, llamada acritud crítica.

Acritud crítica: diámetro de los granos, d, en función de la deformación 

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Cuando menor es la deformación, más elevada es la temperatura de recristalización (La temperatura de recristalización corresponde a la temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío se recristaliza por completo en una hora)

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A mayor porcentaje de deformación inicial, menor tamaño de grano recristalizado

Variación del tamaño de grano recristalizado en función

del tamaño de grano inicial

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Si la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocido disminuye

Grafico % recristalización versus tiempo de recocido

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Sin embargo, un metal puede ser recocido sobre un rango de temperaturas

Diagrama temperatura – tiempo de recristalización de un acero

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Cuando más grande es la dimensión de los granos iniciales, mayor es la deformación requerida para producir la recristalización, en unas condiciones dadas de temperatura y tiempo.

  • El tamaño de los granos recristalizados depende principalmente del porcentaje de deformación

Tamaño de grano recristalizado de un latón  en función de la deformación inicial, para dos diferentes valores de tamaño de grano inicial

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Recristalización a 760 ºC de una probeta de hierro  después de deformación por tracción variando de 7% a 2,9%

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Fuerza impulsora de la recristalización:

La energía almacenada, en forma elástica, por las dislocaciones producidas durante la deformación, constituye la fuerza motriz para la formación y crecimiento de nuevos granos (éstos aparecen en las zonas más fuertemente deformadas.

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3) Crecimiento de grano

  • En un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para el crecimiento de los granos corresponde a la disminución de la energía asociada con los bordes de grano.
  • El crecimiento de los nuevos granos se produce por movimiento de la interfase grano recristalizado-grano deformado
  • Los bordes de grano tienden a moverse hacia el centro de la curvatura
  • El ángulo entre tres bordes de grano es de alrededor de 120º
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Equilibrio de las tensiones interfaciales de tres granos

Mecanismo de crecimiento de los granos (las flechas indican las direcciones de crecimiento)

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Tamaño de grano:

  • Grado de deformación previa: Un aumento en la deformación previa favorece la nucleación y, como consecuencia, la obtención de un tamaño final de grano pequeño.
  • Permanencia a temperatura: Cualquiera sea la temperatura de recocido, cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura, mayor es la facilidad que tiene el grano para crecer y, por tanto, mayor es su tamaño final.
  • Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de recristalización, cuanto menor sea la temperatura mas fino será el tamaño de grano final
  • Duración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura de recocido mas fino será el tamaño de grano final
  • Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleación y actúan como barreras que obstruyen el crecimiento de los granos).