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SEPARATA N° 12 RECUPERACIÓN Y RECRISTALIZACIÓNDE APOYO CURSO DE METALURGIA FÍSICA II FECHA

CONTENIDORECUPERACIÓN Y RECRISTALIZACIÓN10.1 ENERGÍA ALMACENADA10.2 LIBERACIÓN DE ENERGÍA ALMACENADA DURANTE EL RECOCIDO10.3 CINÉTICA DE LA RECUPERACIÓN

DESARROLLORECUPERACIÓN Y RECRISTALIZACIÓNCuando se deforma plásticamente un metal a temperaturas bastante inferiores a la de su punto de fusión, se dice que el metal ha sido trabajado en frío. La mayor parte de la energía empleada en esta deformación se disipa como calor, almacenándose una pequeña fracción como energía de deformación. Ésta última se acumula en forma de dislocaciones y de defectos puntuales, por ejemplo: ruptura de enlaces y vacancias. Como el aumento de densidad de dislocación no es pareja, se producen zonas de mayor densidad, lo que lleva a la generación de celdas. Cuando se calienta este material ocurren dos procesos que disminuyen la energía interna almacenada:

Recuperación Recristalización Además de los procesos antes mencionados y dependiendo del tiempo y de la temperatura a la que se caliente el material, puede presentarse un tercer proceso denominado crecimiento de grano, éste ocurre cuando se continúa el recocido luego de completarse la recristalización.

RECUPERACION La recuperación es la primera etapa del proceso de recocido. Por una parte, con mayor temperatura se produce el alivio de esfuerzos internos causados por el trabajo en frío, (tensiones residuales), y por otra parte, se producen cambios microestructurales que se detallan más adelante. La recuperación comprende una serie de fenómenos que ocurren a temperaturas más bien bajas, con respecto a la temperatura de fusión del material, entre los que se pueden destacar: Aniquilación de defectos puntuales Poligonización Caída de la resistividad eléctrica (R) La aniquilación de defectos puntuales consiste en la difusión, mediante la adición de calor, de las vacancias hacia las dislocaciones y bordes de granos, así se logra disminuir su cantidad hasta el número de equilibrio a la temperatura correspondiente.

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FIGURA 1La poligonización consiste en la readecuación de un cristal flexionado para la cual éste se descompone en cierto número de pequeños segmentos cristalinos con leves diferencia de orientación íntimamente ligados, logrando que las dislocaciones se redispongan en una configuración de menor energía, formando subgranos y bordes de grano de ángulo pequeño. La caída de la resistividad eléctrica (R) se ve afectada por las vacancias, cuyo campo de deformaciones interfiere con el flujo de los electrones; al disminuir el número de vacancias disminuye, también, R. En la Figura 1 se observa el comportamiento de R para un alambre de cobre, (curva superior), en ella se aprecian grandes caídas de la resistividad que se deben a entregas de calor correspondientes a transformaciones al interior de material; paralelamente se han registrado los calores entregados cuando ocurren cambios en la estructura interna del metal, (curva inferior), la cumbre de esta última define la región de recristalización del Cu. Para recocidos a temperaturas más bien altas, las dislocaciones comienzan a agruparse y a redisponerse por medio de ascenso en configuraciones de menor energía, por ejemplo, las dislocaciones entrelazadas desordenadamente, se disponen en hexágonos formando subgranos, ver Figura 2 Figura 3 Nota: en el hierro la temperatura a la cual ocurren estos fenómenos depende fuertemente de su pureza, puede comenzar en el rango de 50 a 200 °C y completarse a alrededor de 500 °C.

FIGURA 2 FIGURA 3RECRISTALIZACION Si un metal previamente deformado en frío, es recocido a una temperatura suficientemente alta, (temperatura de recristalización), aparecen nuevos cristales en la microestructura, los que tienen idéntica composición y estructura reticular que los antiguos granos no deformados. Estos nuevos cristales surgen en zonas con alta densidad de dislocaciones,


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Figura 4La fuerza impulsora de la recristalización proviene de la energía almacenada del trabajo en frío.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, Figura 5. La recristalización es sensible a cambios en la temperatura a la que se realiza, más que a variaciones de tiempo a temperatura constante.

Figura 5Nucleación de nuevos granos 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.

FIGURA 6 Mg. ING°. METALURGISTA CIP N° 144416 NICANOR MANUEL VEGA PEREDA

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La energía de activación para la recristalización es función de la cantidad de deformación o, dicho de otro modo, la dependencia de la recristalización sobre la temperatura varía con la cantidad previa de trabajo en frío Figura 6 Crecimiento de los nuevos granos En un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para el crecimiento de los granos corresponde a la energía de superficie de bordes de estos. El crecimiento de los nuevos granos se produce por movimiento de la interfase grano recristalizado-grano deformado como se muestra en la Figura 7

FIGURA7 FIGURA 8La cinética de la recristalización se expresa en las curvas signoidales: % recristalización-tiempo de recocido que se muestran en la Figura 8 Avrami propuso para expresar la cinética de la recristalización la siguiente ecuación: X = 1 - exp (B× tk) (4)Dónde: X es la fracción de volumen de grano recristalizado. B es constante negativa. k también es constante: cuando la recristalización de desarrolla en forma tridimensional, k está entre 3 y 4 cuando es bidimensional como en las planchas delgadas, k está entre 2 y 3 cuando la recristalización es unidimensional, como en alambres, k está entre 1 y 2. Una forma práctica de analizar la cinética de la cristalización es graficando:

log [ ln( 11−X )]V /S LOG (tiempo )

Si la cinética sigue la ecuación de Avrami, el gráfico de l n( 11−x )v / s t t debería dar una línea recta de pendiente k., éste debe realizarse en papel log-log.

Algunas leyes de ingeniería de la recristalizaciónEl objetivo principal de la recristalización es ablandar el material y restaurarle su ductilidad. Adicionalmente se puede también controlar el tamaño del grano. Como ya se dijo, los tiempos para el inicio y término de la recristalización varían fuertemente con la temperatura, Figura 9


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FIGURA 9Como se mencionó anteriormente, la temperatura de recristalización disminuye al aumentar el % de trabajo en frío previo, esto debido a la mayor energía almacenada por la notable distorsión sufrida por el material, en suma, hay más fuerza impulsora para la recristalización.

FIGURA 10La Figura 10 muestra que el tamaño del grano justo al término del proceso de recristalización, es menor si el % de trabajo en frío previo aumenta, dado que los puntos favorables para la nucleación también aumentan, permitiendo abundante formación de nuevos núcleos, y limitando por tanto su tamaño final.Impurezas en solución sólida La presencia de impurezas o de elementos de aleación disminuye la velocidad de recristalización.

Estas impurezas tienden a segregarse junto a los bordes de granos, formando atmósferas que los sujetan, dificultando su movimiento y retardando así la Mg. ING°. METALURGISTA CIP N° 144416 NICANOR MANUEL VEGA PEREDA

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recristalización. El efecto varía de un elemento a otro como se ve en el caso de P y Ag en Cu. Cuanto mayor sea la cantidad y más fina la distribución de impurezas insolubles, más fino será el tamaño final de grano, lo que se explica con el hecho de que no solo aumentan la nucleación, sino también actúan como barreras al crecimiento de los granos.10.1 ENERGÍA ALMACENADASi una aleación se deforma plásticamente, se producen muchos 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 energía1. Deformación elástica. Si se deforma la red una cantidad ϵ tendrá una energía de deformación por unidad de volumen dada como ϵ 2E

2 , en donde E= módulo de Young. La deformación reticular producirá un desplazamiento de línea en las radiografías de rayos X de un metal, de modo que se puede calcular la deformación y, de aquí, la energía de deformación a partir del examen por rayos X de los metales. Los experimentos indican que la energía de deformación elástica representa solamente de un 5 a 10% de la energía total que se ha almacenado.2. Defectos reticulares. La deformación plástica producirá los defectos siguientes en la red cristalina: dislocaciones, vacancias, átomos intersticiales, fallas de apilamiento y límites de macla. La fracción de energía almacenada que es producida por cada uno de estos defectos depende de dos factores, la energía por defecto y la densidad de defectos producida por deformación. Los dos defectos más importantes producidos por deformación a temperatura ambiente son las dislocaciones y las vacancias. Las vacancias son solamente una pequeña fracción de la energía almacenada total de modo que la porción principal de esta energía, generalmente alrededor de un 80 a 90%, se debe a la generación de dislocaciones.B. Variables que afectan la cantidad de energía almacenada1. Pureza. La adición de átomos de impurezas a un metal incrementa la cantidad de energía almacenada para una deformación determinada. Aparentemente, los átomos de impureza estorban el movimiento de las dislocaciones y, por eso producen una multiplicación aumentada de dislocaciones.2 - Deformación. Los procesos más complejos de deformación energías almacenadas más altas. Una tensión simple puede activar el deslizamiento únicamente sobre dos planos de deslizamiento. En el último caso, la intersección de dislocaciones será micho más frecuente, dando lugar a densidades más altas de dislocación.3. Temperatura. La deformación a temperaturas más bajas incrementa la cantidad de energía almacenada. Esto se debe a que hay menos energía térmica que ayude a la liberación de la energía y reduzcan la integración entre los defectos durante la deformación.4. Tamaño de grano. La cantidad de energía almacenada al se incrementa al disminuir el tamaño de grano. Considérese un grano grande que es deformado una cantidad dada. Ahora imagínese este mismo volumen dividido en muchos granos pequeños y, luego, deformado la misma cantidad En este segundo caso, la deformación generaría micho más interacciones grano-límite-dislocación. Porque los límites de grano son eficaces para bloquear las dislocaciones. El tamaño menor de grano ayuda a la interacción y la multiplicación de las dislocaciones se ha demostrado que la densidad de


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dislocaciones producida por deformación es inversamente proporcional al tamaño del grano.10.2 LIBERACIÓN DE ENERGÍA ALMACENADA DURANTE EL RECOCIDOLa energía almacenada por trabajo en frío se elimina por dos métodos.RECOCIDO ANISOTRÓPICO: El metal trabajado en frío (agrio) se calienta desde una T°↓ hasta una T°↑, la liberación de energía se determina en función de la T°. Si se representan los milivatios generados en función de la T° obtenemos un gráfico como la fig. 19.9, en cuya ordenada representa datos que son la diferencia en energía requerida para calentar dos probetas similares a la misma velocidad. Una de las dos probetas es trabajada en frío, antes del ciclo de recocido, en tanto que la otra sirve de estándar y no se la deformó. Durante el calentamiento, la probeta trabajada en frío sufre reacciones que liberan calor y baja la energía requerida para calentarla en comparación con la requerida para calentar la probeta estándar. Mediciones de la diferencia de potencia eléctrica suministrada proporcionan una evidencia directa del grado en que se libera calor en la probeta trabajada en frío.

RECOCIDO ISOTÉRMICO. Se mide la energía liberada mientras se mantiene la probeta a T° cte. La fig. 19.10 representa el recocido isotérmico para cobre comercialmente puro (99,97%). Es notable destacar que se libera calor calentando sólo a temperatura algo superior a la ambiental.Tanto la curva del recocido anisotérmico corno la curva del recocido isotérmico muestran un máximo que corresponde a una gran liberación de energía. Estas grandes liberaciones de energía aparecen simultáneamente con el crecimiento de un juego enteramente nuevo de cristales esencialmente libres de deformación, que crecen a expensas de los cristales originales, muy deformados. El proceso por el cual ocurre este fenómeno se llamado recristalización.Mientras que en la recristalización tiene lugar la máxima eliminación de energía, en ambos recocidos, las zonas situadas antes de la recristalización y separadas por líneas de puntos, corresponden a otro fenómeno. Las áreas limitadas por la curva inicial y la línea de puntos representan liberación de energía no Asociada a la recristalización. La parle del ciclo de recocido que ocurre antes de la recristalización se llama recuperación.Realmente, en el ablandamiento de un metal trabajado en frío intervienen el fenómeno de restauración o recuperación y el de recristalización, y así, en el recocido de un metal en esas condiciones, con la finalidad de volver a establecer las propiedades anteriores a la deformación en frío, se realizan cuatro fenómenos: restablecimiento o recuperación, poligonización, recristalización y crecimiento de grano, según se expone


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en la Figura 19.11 que relaciona los cuatro fenómenos con algunas propiedades de los metales.

10.3 CINÉTICA DE LA RECUPERACIÓNRecuperación es el cambio de propiedades que experimenta un metal, trabajado en frío, recocido a bajas temperaturas sin modificación apreciable de su microestructura.En el periodo de recuperación del recocido, las propiedades físicas y mecánicas que sufren cambios como resultado del trabajo en frio tienden a recuperar sus valores originales.Las propiedades no se recobran con la misma velocidad, lo que demuestra la naturaleza complicada del proceso de recuperación. La figura 19.12 representa la energía liberada en el recocido anisotérmico del níquel policristalino. La resistividad se recupera casi totalmente antes de la recristalización; en cambio, la variación principal de la dureza ocurre simultáneamente con la recristalización de la matriz.


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