2. RECUPERACION Y RECRISTALIZACION

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1 2. RECUPERACION Y RECRISTALIZACION
Cuando 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. En este punto es importante definir lo que significa baja y alta temperatura; esto varía de un metal a otro, se puede considerar que alta temperatura corresponde aproximadamente a 0,4 – 0,5 Tfusión en ºK.

2 Modelación del incremento de la densidad de dislocaciones con el incremento de deformación plástica. A) Estado recocido. B,C,D) Deformaciones plásticas crecientes.

3 2.1 RECUPERACION Cuando se calienta un metal a temperaturas moderadas, bajo 0,4Tfusión 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. Este proceso se denomina recuperación La recuperación comprende una serie de fenómenos como los siguientes: 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. La resistividad eléctrica (R) se ve afectada cuando las vacancias emigran a bordes de granos y disminuyen en número porque su campo de deformaciones interfiere con el flujo de los electrones.

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6 2.1 RECUPERACION En la Figura 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 entregados7 cuando ocurren cambios en la estructura interna del metal, (curva inferior), la cumbre de esta última define la región de recristalización del Cu. 7 Para medir este calor se requiere microcalorímetros muy sensibles. Figura Variación con la temperatura de la resistividad eléctrica, R, y de la entrega de calor de un alambre de cobre inicialmente laminado % RA a una temperatura de –195º C. Se calentó a 2º C/min..

7 2.1 RECUPERACION Para recocidos a temperaturas más altas pero moderadas, 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 Figura Esquema de disposición de las dislocaciones en redes hexagonales

8 Recuperación. Poligonización
Ocurre también el fenómeno denominado poligonización, que consiste en un cambio de forma de un cristal flexionado el cual se descompone en cierto número de pequeños segmentos cristalinos con leves diferencias de orientación cristalográfica, denominados subgranos y separados por bordes de grano de ángulo pequeño. Así las dislocaciones se redisponen en una configuración de menor energía. Un cristal flexionado plásticamente debe tener un exceso de dislocaciones de borde positivas que quedan a lo largo de planos deslizantes activos; en la Figura (a) se aprecia una configuración de dislocaciones de alta energía de deformación, mientras que la Figura (b) muestra una disposición de baja energía de deformación, en este caso las dislocaciones corren en dirección normal a los planos de deslizamiento, generando límites de grano de ángulo pequeño. Este fenómeno requiere de abundante difusión atómica y por tanto de temperaturas relativamente elevadas, por ejemplo, en el caso de un cristal de Fe 3,25% Si este proceso se desarrolla entre 700 y 925 °C. 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 500º C.

9 Recuperación. Poligonización
Cuando dislocaciones de borde del mismo signo se acumulan sobre el mismo plano de deslizamiento, sus campos de deformación son aditivos, Figura Las regiones inmediatamente superior e inferior a los planos de deslizamiento son zonas de alta concentración de tensiones, de tracción y de compresión respectivamente, Figura (a). Sin embargo, al disponer las dislocaciones en una secuencia perpendicular al plano de deslizamiento, los campos de deformación de las dislocaciones adyacentes se cancelan parcialmente unos a otros, Figura (b). Figura Realineamiento de dislocaciones de borde durante la poligonización: (a) Dislocaciones en exceso permanecen sobre planos desplazamientos activos; después de la flexión del cristal; (b) Redisposición de dislocaciones después de la poligonización. Figura (a) Disposición de alta energía de dislocaciones; (b) Disposición de dislocaciones de baja energía C y T: compresión y tracción

10 La Figura muestra experimentalmente como las dislocaciones se redisponen en configuraciones de menor energía, formando subgranos y bordes de grano de ángulo pequeño, esto es posible gracias a una técnica metalográfica mediante la cual es posible observar los puntos de salida de las dislocaciones. Figura Poligonización de un monocristal de Fe 3,25 % Si, doblado en torno a un mandril y luego recocido durante una hora a: (a) 650º C; (b) 700º C; (c) 850º C; (d) 925º C. (750x)

11 2.2 RECRISTALIZACIÓN Si un metal previamente deformado en frío, es recocido a una temperatura suficientemente alta,sobre 0,4 – 0,5 Tfusion (temperatura de recristalización), aparecen nuevos cristales en la microestructura, los que tienen idéntica composición y estructura cristalina que los antiguos granos no deformados. Este fenómeno se llama recristalización. Estos nuevos cristales surgen en zonas con alta densidad de dislocaciones, Figura La fuerza impulsora de la recristalización proviene de la energía almacenada del trabajo en frío. Figura Representación esquemática de cómo en regiones de la red cristalina altamente deformadas, se nuclean nuevos granos recristalizados.

12 2.2.1. 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 La recristalización es sensible a cambios en la temperatura a la que se realiza, más que a variaciones de tiempo a temperatura constante. También es sensible a la deformación en frío previa. (140ºC con 87,5%; 160ºC con 75% y 180ºC con 50%) Figura Variación de la tensión máxima y del porcentaje de elongación con la temperatura de recocido y con el porcentaje de RA en frío previo para un alambre de cobre puro. Los recocidos son de 1 hora.

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16 Progreso de la recristalización por nucleación y crecimiento

17 Progreso de la recristalización por nucleación y crecimiento

18 Recristalización 2.2.2. Nucleación 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, Figura 2.2-1, 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, Figura Si la velocidad de nucleación es grande se formarán muchos granos los que no tendrán mucho espacio para crecer y 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 Nucleación de granos recristalizados en torno a inclusiones no metálicas de hierro (600x)

19 2.2.3. 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 Figura Migración del borde de grano avanzado hacia un grano deformado, dejando tras sí un grano recristalizado.

20 Cinética de la recristalización
La cinética de la recristalización se expresa en las curvas signoidales: % recristalización-tiempo de recocido que se muestran en la Figura Figura Curvas signoidales: orcentaje de recristalización versus tiempo para Fe 0,6% Mn.

21 Ecuación de Avrami para la cinética de la recristalización
Avrami propuso para expresar la cinética de la recristalización la siguiente ecuación: donde: X es la fracción de volumen de grano recristalizado. B es una constante negativa; k también es constante: Cuando la recristalización se desarrolla en forma tridimensional, k está entre 3 y 4 Cuando es bidimensional ( planchas delgadas), k está entre 2 y 3 Cuando es unidimensional, como en alambres, k está entre 1 y 2. Una forma práctica de analizar la cinética de la cristalización es mediante un gráfico: Si la cinética sigue la ecuación de Avrami, el gráfico de ln{1/(1-X)} versus t , en escalas log-log debería dar una línea recta de pendiente k,

22 2.2.4. Algunas leyes de ingeniería de la recristalización
El 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 Figura Diagrama tiempo – temperatura para le inicio y el término de la recristalización para acero efervescente

23 Temperatura de recristalización
Por otra parte la Figura muestra dos ideas importantes: Existe un rango bastante estrecho de temperatura en el cual se produce el ablandamiento y aumento de ductilidad del metal, la temperatura de recristalización es la que corresponde a la mitad de este intervalo. Como 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 Variación de la tensión máxima y del porcentaje de elongación con la temperatura de recocido y con el porcentaje de RA en frío previo para un alambre de cobre puro. Los recocidos son de 1 hora.

24 Tamaño del grano recristalizado La Figura 2
Tamaño del grano recristalizado La Figura 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. Figura Tamaño del grano recristalizado para un latón  en función del porcentaje de deformación previa y del tamaño del grano del latón antes del laminado

25 Figura 2. 2-10. Estructuras de latón deformado y recristalizado
Figura Estructuras de latón deformado y recristalizado. (a) Trabajado en frío,33% RA; (b) Inicio de la recristalización, 3egs a 580ºC; (c) 8 seg a 580º; (d) 15 min a 580º, (e) 10 min a 700ºC, (f) 1 hora a 700ºC y (g) Incremento de tiempo a 580º C. (400x)

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