UNIDAD 4 RECUPERACIÓN Y RECRISTALIZACIÓN

1. UNIDAD 4 RECUPERACIÓNY RECRISTALIZACIÓN

2. UNIDAD 4: RECUPERACION Y RECRISTALIZACION (RECOCIDO) Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos de recuperación y recristalización que suceden en materiales

3. ¿Por qué estudiar los procesos de deformación y recocido? - Porque la gran mayoría de los artefactos metálicos están elaborados mediante deformación (conformado). - Porque ocupando los procesos de deformación y recocido puede modificarse la estructura cristalina y por tanto las propiedades mecánicas de los materiales.

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

5. Recocido: Recuperación Recristalización Crecimiento de grano Tiempo

6. 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 Forjado Trefilado Extrusión

7. Conformado: Laminado (rolado) Forjado Trefilado Extrusión

8. Embutido Estirado Doblado Disipación en forma de calor Energía de deformación (10%) Energía del trabajo mecánico

9. Características del trabajo en frío: • Durante el trabajo en frío solo el 10% de la energía es ocupada en deformación el resto se transforma en calor. • Elevada densidad de dislocaciones (108–1012 líneas de dislocación/cm2) • Simultáneamente se 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)

10. Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades y microestructura

11. Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades y microestructura

12. Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades y microestructura

13. Ejercicio: Una barra de Aluminio 6061 de 20 cm de largo y 3 cm de diámetro, se somete en una primera etapa a una deformación de 2%, luego se retira completamente la carga: ¿Qué fuerza debió aplicarse a la pieza? ¿Cuál es el esfuerzo a la fluencia que podría soportar, la pieza deformada? ¿Qué largo posee ahora la pieza?

14. Energía almacenada del trabajo en frío: • La energía almacenada en el material es pequeña menor al 10%. • Se generan defecto (puntuales, lineales y planares) en el material. • Se estima que entre el 80-90% de la energía almacenada se debe a la generación de dislocaciones. • Se generan deformaciones elásticas. • Se estima que entre el 5-10% de la energía almacenada se debe a deformación elástica.

15. Energía almacenada del trabajo en frío: • 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.

16. Variables que afectan la cantidad de energía almacenada Entre las principales variables que afectan la energía almacenada durante el trabajo en frío son: • - 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)

17. 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 (es un tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío). • 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.

18. 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.

19. RECOCIDO / RESTAURACIÓN a).- Liberación de la energía almacenada b).- Restauración de la resistividad eléctrica c).- Restauración de las propiedades mecánicas d).- Restauración de la estructura: Disminución de defectos puntuales Movimiento de las dislocaciones (poligonización) Restauración o recuperación

20. a) Liberación de energía almacenada (calorimetría) Níquel Cobre • Resistividad elec. • Densidad • Energía liberada • Dureza • Resistividad elec. • Energía liberada

21. b) 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

22. 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

23. 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)

24. 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

25. (a) (b) (c) Poligonización de un monocristal de Fe-Si (a) Después de flexión (b) 1 h a 850 ºC (c) 1 h a 1060ºC

26. 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 Poligonización del Al Poligonización del Cu

27. Mecanismos de recuperación

28. RECOCIDO / 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

29. 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.

30. Inicio de la recristalización alrededor de inclusiones de óxidos de un hierro altamente deformado

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

32. 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.

33. Efecto de la temperatura y tiempo sobre la recristalización: Progress of recrystallization and resulting grain structure of AlMg5Mn after hot compression at various temperatures and quenching after holding times indicated

35. 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%

36. Efecto de la deformación, pureza y tamaño de grano • sobre la nucleación y velocidad de crecimiento • Al incrementar la energía almacenada se incrementará la velocidad de crecimiento (aumento de deformación o disminución de tamaño de grano)

37. Al disminuir la pureza, disminuye la velocidad de crecimiento, por disminuir la movilidad del límite del grano

38. La velocidad de nucleación de la recristalización se incrementa con la deformación.

39. Efecto de la deformación sobre la recristalización: Energía de activación para la recristalización del circonio como función del trabajo en frío. Relación tiempo temperatura para la recristalización completa de circonio.

40. Efecto de la deformación sobre la recristalización:

41. A mayor porcentaje de deformación inicial, menor tamaño de grano recristalizado • A menor tamaño inicial, menor tamaño de grano recristalizado Variación del tamaño de grano recristalizado en función del tamaño de grano inicial y deformación

42. 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)

43. Efecto de la pureza y tamaño de grano inicial sobre la recristalización: Efecto de las impurezas sobre la temperatura de recristalización de aluminio laminado en frío 80%. Aumento de la temperatura de recristalización del Cu puro por la adición de 0,01 % at. de los elementos indicados.

44. 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 

45. 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)

46. A mayor porcentaje de deformación inicial, menor tamaño de grano recristalizado Variación del tamaño de grano recristalizado en función del tamaño de grano inicial

47. Si la temperatura de recristalización aumenta, el tiempo de recocido disminuye Grafico % recristalización versus tiempo de recocido

48. Sin embargo, un metal puede ser recocido sobre un rango de temperaturas Diagrama temperatura – tiempo de recristalización de un acero

49. 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

50. Ejercicio: Determine la energía de activación para el proceso de recristalización de cobre deformado en frío un 98%. Determine el tiempo que tardaría en recristalizar este cobre a 90°C.