UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA Y METALÚRGICA-FIGMM
ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ME-524R INFORME:
Recristalización del AISI 316
NOMBRE:
HUAYTA RIVERA, Jimy Alexander
CODIGO:
20130391D
PROFESOR: Ing. Manuel Cruz Torres
LIMA – PERU 2017
INDICE Objetivos……………………………………………………………….... Pág. 3
Fundamento Teórico………………………………………………....... Teórico………………………………………………....... Pág. 4
Equipos y Materiales…………………………………………………... Materiales…………………………………………………... Pág. 8
Procedimiento Experimental…………..……………………….……... Experimental…………..……………………….……... Pág. 11
Resultados…………………..………………………………………...... Pág. 12
Conclusiones………………………………………………………….... Conclusiones………………………………………………………….... Pág. 14
Recomendaciones……………………………………………………… Recomendaciones……………………………………………………… Pág. 15
Bibliografía…………………………………….………………………... Pág. 15
Cuestionario……..……………………………………………………… Pág. 16
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OBJETIVOS
I.
Determinar la influencia de la temperatura de calentamiento en las propiedades físicas del material de latón.
II.
Observar la metalografía de una probeta de acero AISI 316SAE1022 luego de la recristalización al ser llevado a una temperatura de recristalización de 500°C, 700°C, Temperatura de ambiente.
III.
Determinar el tamaño promedio de grano por el método de Hillary y el método planimétrico de Jeffries.
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FUNDAMENTO TEÓRICO Recristalización La recristalización consiste en transformar los granos alargados de un metal que ha sufrido una deformación en frío en granos equiaxiales o poliédricos calentando el material por encima de una temperatura mínima para cada metal o aleación. Por ejemplo para el acero es de entre 600º y 700º. Se define entonces el tiempo de recristalización como el necesario para que recristalice el 95% del material.
Cuando un metal es fuertemente trabajado en frío, parte de la energía de deformación utilizada en la deformación plástica es almacenada en el metal en forma de dislocaciones y otras imperfecciones como defectos puntuales, mientras que el resto se disipa en forma de calor.
Cuando un metal trabajado en frío es calentado hasta el intervalo de temperaturas de recuperación, que está justamente por debajo del intervalo de temperaturas de recristalización, se eliminan tensiones internas dentro del metal. Durante la recuperación, se suministra suficiente energía térmica como para permitir a las dislocaciones que se reordenen en configuraciones de menor energía.
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La recuperación de muchos metales trabajados en frío produce una estructura subgrano con fronteras de grano de pequeño ángulo. El proceso de recuperación se denomina poligonización y frecuentemente es un cambio estructural que precede a la recristalización. La energía interna del material recuperado es menor que la del estado de trabajado en frío, puesto que se aniquilan más dislocaciones o se transforman en configuraciones de menor energía por el proceso de recuperación. Calentando un metal trabajado en frío a una temperatura suficientemente alta se nuclean nuevos granos libres de deformación en la estructura de metal recuperado y comienzan a crecer formando una estructura recristalizada. Después de suficiente tiempo a la temperatura a la que tiene lugar la recristalización, la estructura de trabajo en frío es completamente reemplazada con una estructura de grano recristalizado. La recristalización ocurre por dos mecanismos principales: 1. Un núcleo aislado puede expandirse dentro de un grano deformado. 2. Una frontera de grano de gran ángulo puede emigrar a una región más deformada del metal.
En cada caso, la estructura del lado cóncavo de la frontera que se mueve está libre de deformación y tiene relativamente baja energía interna, mientras que la estructura del lado convexo de la intercara que se mueve está alt amente deformada con una gran densidad de dislocaciones y gran energía interna. Por consiguiente, el crecimiento de un nuevo grano en expansión durante la recristalización primaria conduce a una disminución global en la energía interna del metal por la sustitución de regiones deformadas por regiones libres de deformación.
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Factores importantes que afectan al proceso de recristalización en metales y aleaciones son: 1. 2. 3. 4. 5.
La cantidad de deformación previa del metal. La temperatura. El tiempo. El tamaño inicial del grano. La composición del metal o aleación.
La recristalización de un metal puede tener lugar en un intervalo de temperaturas, y este intervalo es dependiente en cierta f orma del resto de variables. Por ello uno no puede referirse a la temperatura de recristalización de un metal en la misma forma que a la temperatura de fusión de un metal puro. Pueden realizarse las siguientes generalizaciones sobre el proceso de recristalización: 1. Se necesita una mínima cantidad de deformación (llamada acritud crítica) para que sea posible la recristalización. 2. Cuanto menor sea el grado de deformación (por encima del mínimo), mayor es la temperatura necesaria para producir la recristalización. 3. Aumentando la temperatura de recristalización disminuye el tiempo para completarlo. 4. El tamaño final de grano depende principalmente del grado de deformación. A mayor grado de deformación menor será la temperatura de recocido para la recristalización y menor será el tamaño de grano recristalizado. 5. A mayor tamaño de grano inicial, mayor será la cantidad de deformación necesaria para producir una cantidad de recristalización equivalente. 6. La temperatura de recristalización disminuye al aumentar la pureza del metal. La adición de aleaciones en forma de solución sólida siempre aumenta la temperatura de recristalización.
Crecimiento de grano Durante la recristalización los nuevos granos nucleados crecen a expensas del material deformado que les rodea. La fuerza reductora del crecimiento es la disminución de energía superficial almacenada en las juntas de grano, dado que cuanto mayor es el tamaño de grano menor es la cantidad de junta de grano. Un tratamiento prolongado a elevadas temperaturas conduce a tamaños muy grandes de grano lo que suele ser indeseable pues hace disminuir las características mecánicas del metal (ecuación de Hall-Petch).
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NORMA ASTM E112 - Método estándar para la determinación del tamaño de grano La norma describe distintos métodos para la medición del tamaño de grano, los cuales se clasifican de acuerdo con el gráfico siguiente:
1. Procedimiento de Comparación: involucra la comparación de la estructura de grano con una serie de imágenes graduadas. 2. Procedimiento Plan métrico: involucra el conteo del número de granos dentro de un área determinada. 3. Procedimiento de Intersección: involucra el conteo de los granos interceptados por una línea de ensayo o el número de intersecciones de la línea con los bordes de grano.
Longitudes para el test para el conteo de granos por intersección pág. 7
EQUIPOS Y MATERIALES Los equipos utilizados en el procedimiento experimental fueron: I.
Papeles abrasivos para agua
II.
Alumina para pulido
III.
Probetas metalográficas de acero SAE 1022
IV.
Horno de tratamiento con las siguientes características: a) Rango de temperatura de trabajo: 100-1200 °C. b) Monofásico. c) Refracatarios ácidos.
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V.
Reactivo nital al 2.5%.
VI.
Pulidor de Paño.
VII.
Microscopio metalográfico-Carl zeiss con capturador-samsumg de 2 mpx de resolución.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL I.
Tratamiento Térmico 1. Se coloca la probeta dentro del horno, y dejamos calentar hasta llegar a 500, 550, 600, 650 y 700 °C. 2. Mantenemos a las temperaturas indicadas por un tiempo de 1 hora. 3. Finalmente, dejamos enfriar dentro del horno.
II.
Captura de las metalografías 1. Se procede a desbastar las superficies de las probetas, hasta obtener una superficie tipo espejo.
2. A continuación, pasamos por los paños bañados en alúmina (abrasivo) para darle el acabado final.
3. Posteriormente, atacamos con nital al 2.5%, dependiendo del manipuleo oscila entre 10 a 15 segundos. Luego echamos alcohol para detener el ataque, y secamos. 4. Finalmente, observamos en el microscopio las microestructuras. Se escoge un aumento. En este caso fue de x200.
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RESULTADOS Se obtuvieron las siguientes metalografías de las probetas Recristalizadas luego del tratamiento térmico por recocido en el microscopio a 200x: a. Muestras estandar sin tratamiento.
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Luego de 2 horas de tratamiento.
Luego de 4 horas de tratamiento.
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Luego de 6 horas de tratamiento.
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CONCLUSIONES I.
Se evidencia explícitamente en los resultados el “reacomodo” de las deformaciones propias generadas por los esfuerzos aplicados sobre el latón, es decir, se evidencia en primera instancia que los granos están alargados y luego poco a poco van cobrando cierta f orma poligonal.
II.
Se logra observar la nucleación y poligonización de los granos, producto de la recristalización del material.
III.
El tamaño de grano para temperaturas de recristalización menores a los 600°C son más uniformes y homogéneos que a temperaturas de recristalización mayores.
IV.
Se observa una recristalización secundaria a partir de temperaturas desde 650 y 700 °C, lo que provoca tamaños de granos muy grandes en la estructura del material.
V.
Se concluye y comprueba que a una mayor temperatura existirá una mayor nucleación.
VI.
Existe cierta discrepancia de los métodos de tamaño de grano pero a manera estadística no existe variación por lo tanto cualquier de los métodos es válido.
RECOMENDACIONES I.
Para la preparación metalográfica: 1. La superficie del material debe estar lisa, seca y libre de grasa, polvo, etc. 2. Se debe atacar adecuadamente para que sean notorios los bordes de grano, y con ello sea aún más sencillo la determinación de los tamaños de grano.
II.
Para el estudio de las imágenes metalográficas: 1. Se recomienda buscar en la bibliografía la equivalencia en mm de pixeles el cual se tomó para llevar a cabo la elaboración de las circunferencias solicitadas para cada método. 2. Se recomienda el uso de software de procesamiento de imágenes como el ImageJ.
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BIBLIOGRAFIA I.
SYDNEY H.AVNER (1988). Introducción a la metalurgia Física. Mc Graw Hill.
II.
ASM INTERNATIONAL (1987). Metal’s Handbook Volume 09 Metallography and structure.
III.
Norma ASTM E112 “Métodos para la determinación del tamaño promedio de grano”.
IV.
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Tema4.Recristalizacion.Deformacio nAltaTemperatura.pdf
V.
https://materiales.wikispaces.com/file/view/Recristalización.doc
VI.
http://metalografiainsitu.blogspot.pe/2015/03/astm-e-112resumen.html
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CUESTIONARIO I.
Describir y fundamentar los mecanismos en la etapa de recuperación, recristalización y tamaño de grano.
Por recocido entendemos aquí como el calentamiento de un metal deformado plásticamente por un tiempo y a una temperatura dada a fin de producir modificaciones en las propiedades y en la estructura. La velocidad de calentamiento y especialmente la velocidad de enfriamiento son lenta. Entre los cambios más notorios tenemos: a) Modificación de la microestructura del sistema b) Modificación de la energía de deformación elástica almacenada. c) Modificación de las propiedades del sistema.
Efectos del recocido sobre la microestructura de los metales deformados Conforme se aumenta progresivamente la temperatura y/o el ti empo de calentamiento se producen también modificaciones progresivas en la microestructura y en las propiedades. Por orden de aparición se distinguen las siguientes etapas: 1. Etapa de recuperación. 2. Etapa de recristalización primaria de la estructura. 3. Etapa de recristalización secundaria o crecimiento de grano.
1. Etapa de recuperación El efecto inmediato de calentar un metal deformado es el reordenamiento de los defectos (principalmente puntuales y dislocaciones), dentro de una configuración de menor energía a través de una serie de mecanismos que dependen del rango de temperatura a la que se calienta el metal; tales mecanismos se presentan en la tabla Nº1.
Rango de Temperatura de Calentamiento Baja
Mecanismos 1. Migración de los defectos puntuales a los sumideros (dislocaciones, bordes de grano, etc.) 2. Combinación de defectos puntuales (divacancias, trivacancias, di-intersticiales, etc.) 1. Re-arreglos de las dislocaciones dentro de las celdas.
Intermedia
2. Aniquilación de dislocaciones. 3. Crecimiento de subgranos 1. Trepado de dislocaciones
Alta
2. Coalescencia de subgranos 3. Poligonización.
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2. Recristalización primaria En esta etapa del recocido se produce el reemplazo de los granos deformados por granos nuevos, libres de deformación. Estos cambios son perceptibles en el microscopio óptico. El procedimiento se lleva a cabo por migración de los bordes de grano de gran ángulo de modo que en su avance van aniquilando dislocaciones dejando tras ellos granos liberados de deformación. Para metales con poca deformación la migración corresponde a los bordes de granos originales. Un borde de grano de gran ángulo que separa dos granos deformados se hincha y empieza a crecer hacia el grano con mayor contenido de dislocaciones, dejando tras ella una región libre de dislocaciones, formando así el núcleo de recristalización. El límite de grano hinchado es de gran movilidad lo que da lugar al crecimiento o formación de un grano libre de deformación.
3. Recristalización secundaria (Crecimiento de grano) Una estructura recristalizada comprende un arreglo inestable de granos de diferentes formas y tamaño. Si el recocido continuase, ello conduce a un arreglo más estable de poliedros regulares y de igual tamaño. Esto se produce por el crecimiento de los granos más grandes a expensas del más chico. Recocidos a altas temperaturas pueden causar que solamente algunos granos crezcan, fenómeno conocido como crecimiento anormal o recristalización secundaria.
II.
Describa y fundamente la Acritud y Recocido.
Acritud La acritud es la propiedad de un metal que se traduce en el aumento de la dureza, fragilidad y resistencia a la tracción, por efecto de las deformaciones en frío. El trabajo en frío da por resultado un gran incremento en la resistencia de fluencia, acrecienta la resistencia última y la dureza, y disminuye la ductilidad. El trabajo en frío o labrado en frío es el proceso de deformación de un material en la región plástica del diagrama esfuerzo-deformación, sin la aplicación deliberada de calor. Las propiedades mecánicas resultantes son completamente diferentes de las obtenidas por el labrado en frío. 1. Diagrama esfuerzo-deformación que muestra los efectos de descarga y recarga en el punto l en la región plástica; 2. Diagrama carga-deformación análoga.
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Recocido El Recocido es un término genérico que denota un tratamiento de calentamiento y manteniendo a una temperatura adecuada, seguido de enfriamiento a una tasa adecuada. Tratamiento utilizado principalmente para suavizar materiales metálicos sino también para producir deseada cambios de forma simultánea en otras propiedades o en la microestructura. Cuando se aplica sólo para el alivio de los el estrés, el proceso se llama aliviar el estrés o recocido de liberación de tensiones. En aleaciones ferrosas, de recocido es llevaron a cabo por encima de la temperatura crítica superior, pero los ciclos de tiempo y temperatura varían ampliamente en temperatura máxima alcanzada y la velocidad de enfriamiento utilizado, dependiendo de la composición, condición material, y los resultados deseados. En las aleaciones no ferrosas, los ciclos de recocido son diseñado para eliminar parte o la totalidad de los efectos de trabajo en frío (recristalización puede o puede estar involucrado), causar la coalescencia completa de precipitados de la solución sólida en forma relativamente gruesa, o ambos, dependiendo de la composición y la condición material III.
Hallar el tamaño de grano de las probetas por el método de Hilliard, y Método planimétrico de Jeffries, a diferentes temperaturas.
Sean las circunferencias con un diámetro de 79.8 mm: 500 °C
550°C
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600 °C
650 °C
700 °C
Utilizando la ecuación: G = (-6.643856*()-3.288) para el método de Hilliard. Donde:
=
: : :
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N° de granos
Método de Hilliard Recristalización 500 °C 550 °C 600 °C 650 °C
Interceptados 42 20 25 38 Para una longitud del diámetro de 79.8 mm Aumento 200x 200x 200x 200x ASTM 6.8447 4.704 5.348 6.556
700 °C 16
200x 4.06
Según la norma ASTM E112
Utilizando la tabla 4 para el Método de planimétrico de Jeffries: = ∗ ( +
)
Método planimétrico de Jeffries Recristalización N° de granos 500 °C 550 °C 600 °C 650 °C 700 °C Internos 22 18 21 44 22 Interceptados 42 20 25 38 16 Para un área de 5000 mm2 donde el factor "f" de corrección f=0.0002.aumento^2 Aumento 200x 200x 200x 200x 200x f 8 8 8 8 8 Na 344 224 268 504 240 GASTM 5.5 5 5 6 5 pág. 20
IV.
Grafique las propiedades Físicas de los materiales que se obtienen con al recristalización.
Suponemos un proceso de calentamiento isotérmico a una temperatura mayor que la de recristalización En la primera etapa hay una disminución del límite elástico y una mejora de la ductilidad. Al microscopio la textura agria no varía. Los granos no presentan ninguna diferencia respecto al estado agrio .
En la segunda etapa hay una variación sustancial de ambas. La recristalización sigue un proceso de nucleación y crecimiento con período de incubación. Solamente algunos gérmenes progresan y aparecen otros nuevos granos. Al final se completa toda la masa. El final de l a etapa se establece cuando aparece un tamaño de grano promedio estable y de aspecto equiaxiales. No existe rastro del estado agrio. En la tercera etapa no se modifican las propiedades mecánicas. Hay un crecimiento de grano (A mayor temperatura o mayor tiempo de permanencia, hay un mayor crecimiento).
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