AFINADOR DE GRANO Introduccion
El grano pequeño es una propiedad generalmente deseada en materiales metálicos pues mejora diversas propiedades en vista a su aplicación. En particular, en aleaciones policristalinas con memoria de forma resulta de necesidad imperiosa obtener una microestructura de grano pequeño, dada la magnitud de la deformación de corte (alrededor del 17% en el sistema operativo de deformación) vinculada a la transformación martensítica asociada con el mencionado efecto. Caso contrario, se acumulan en los bordes de grano grandes tensiones y deformaciones de forma tal que conducen a la disgregación del material luego de unos pocos ciclos de tranformación -retransformación. Para obtener materiales con grano pequeño, es de uso común utilizar los denominados afinadores de grano. Mediante su inclusión se consigue una microestructura con precipitados los cuales, mediante el denominado anclaje de Zener, impiden el crecimiento de grano por fijación de las fronteras de los mismos después de tratamientos termomecánicos. Sin embargo la adición de afinadores puede, y de hecho lo hace, modificar el comportamiento general de la aleación. Teniendo en cuenta la gran sensibilidad a los cambios en composición de las temperaturas críticas relacionadas con la transformación martensítica, pequeñas cantidades de microaleantes presentes en solución sólida pueden tener importancia. También las propiedades de transporte son muy sensibles a la presencia de destos microaleantes.
Figura
5.15.Macrografía de las muestras con diferentes cantidades de carburo de zirconio como afinador de grano.
Influencia del afinador en el tipo de grano Cualitativamente, el afinador de grano no influye en el tipo de grano solidificado con relación al que se obtiene sin aquel. En efecto, todas las microestructuras pueden identificarse por una colonia dendrítica en la zona exterior, isotermas con mayor gradiente, y colonia de granos equiaxiales en la zona central. El afinador de grano no influye cualitativamente en el tipo de grano, dendrítico o equiaxial, solidificado.
Influencia del afinador sobre el tamaño de grano En la figura 5.16 se ha registrado la función de correlación gráfica entre el tamaño dendrítico, o equiaxial, y el afinador de grano empleado en cada muestra. Puede observarse la influencia inversa del afinador sobre el tamaño de grano, aún con tendencia a un amortiguamiento cuando el porcentaje de aquel es grande sobre el origen, enfriamiento en molde sin afinador de grano. Los núcleos extraños, afinadores de grano, actúan durante la solidificación reduciendo el tamaño de grano, tanto dendrítico como equiaxial.
Causa de la influencia de los núcleos extraños En la figura 5.16 se observa que para un mismo molde, igual veloci-dad de enfriamiento, el aumento de núcleos extraños induce a la disminución del tamaño del grano. O de otro modo, se consigue el mismo tamaño de grano con el molde A y un 1% de núcleos extraños que con el molde B, de enfriamiento más rápido pero sin elementos extraños.
Figura 5.16. Influencia del afinador de grano en el tamaño del grano dendrítico.
Obviamente esta tendencia a afinar el grano, sólo puede ser atribuida a la presencia durante la solidificación de núcleos extra-ños que compensan mayores subenfriamientos, molde B. Es decir, los núcleos extraños pare-cen favorecer la estabilidad a tamaños de embriones menores, que es el que corresponde a un grado de subenfriamiento mayor.
Figura 5.17. a) Conformación de un embrión en nucleación heterogénea. B) Núcleo homogéneo.
La causa de existencia de un radio crítico menor del embrión, debemos atribuirla a la nucleación que se conforma adosada a la superficie del núcleo extraño, sólido en la masa líquida. Nucleación que se denomina heterogénea. Efectivamente, por el mismo camino que hemos teorizado en la formación de núcleos homogéneos, podemos hacerlo en la estabilidad de los núcleos heterogéneos. La figura 5.17 muestra la geometría de capa esférica de conformación de un núcleo heterogéneo. La ecuación de estabilidad del embrión homogéneo sucede en todas las partes elementales que compone el embrión De. En este sentido es equiparable el De en la esfera y el que se forma sobre el afinador Dea. En este supuesto el embrión del afinador es la parte emergente del embrión virtual de radio r.
El radio crítico R del líquido solidificado sobre el afinador puede definirse a partir de la expresión geométrica:
R = r*ab send (5.8)
siendo r*ab el radio crítico del embrión ficticio que se calcula al derivar la variación de energía libre dDG/dr = 0, en la expresión 5.6. Sustituyendo el radio crítico R homogéneo y el ficticio homogéneo r*ab por el afinador, tendremos:
r*ab = 2 gab/DGß send (5.9)
luego, el radio crítico del embrión, en la nucleación heterogénea es menor al de la homogénea, por el factor send.
Naturaleza de los afinadores de grano Repasando las condiciones que en la justificación anterior hemos tomado, podemos observar que: a) El núcleo extraño debe ser sólido cuando se llega al punto de solidificación del metal. b) El tamaño crítico R* está muy influenciado por la interfase líquido-núcleo extraño, definida por el parámetro d.
La primera condición suele cumplirse con compuestos de alto punto de fusión, compuestos iónicos de fuerte enlace químico, como es el caso de carburos o nitruros metálicos.
La segunda condición, hace disminuir el tamaño crítico R* cuando d es más pequeño. Esto sucede cuando cualquier átomo del líquido puede agregarse al núcleo sólido extraño sin dificultad, porque lo moja, en el símil de un fluido, y esto sucede especialmente cuando la estructura cristalina del metal es isomorfa con la del núcleo extraño y sus dimensiones atómicas permiten su adhesión a la estructura matriz. Los elementos de transición, Sc, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ta, W, suelen aportar variedad de estructuras y dimensiones de celdas que son compatibles con las condiciones citadas. Los núcleos extraños que permiten la nucleación heterogénea, afinadores de grano, en la solidificación de metales, cumplen: Son elementos de transición. Forman compuestos intermetálicos o iónicos, carburos, nitruros, boruros. Presentan estructura isomorfa y radio atómico no muy diferente.
Anisotropia de las estructuras dentríticas o equiaxial La anisotropía de las características de un material está definida por su respuesta diferente según las direcciones solicitadas. Podemos predecir que una estructura dendrítica tendrá una respuesta anisótropa como consecuencia de: a) La forma irregular de las dendritas, con su disposición alargada en una dirección. b) La orientación cristalina que es preferente en el sentido longitudinal de la dendrita, sentido del gradiente térmico en la solidificación. c) El paralelismo de las direcciones preferentes de todas las dendritas que han crecido con la misma dirección del gradiente. d) El tamaño grosero de las dendritas, que determina que la resistencia del material sea la aportación de baja densidad de monocristales.
Por contra, la estructura equiaxial muestra unas condiciones que le permiten comportarse con mayor isotropía. Estas características son: a1) Forma más isótropa desde cualquier observador. b1) Orientaciones cristalinas de los distintos monocristales, aleatoriamente direccionadas en el espacio. c1) El tamaño de monocristales es mayor y por tanto, menor la influencia que cada monocristal puede proporcionar a la anisotropía
Afinadores de Granos
Para aleasiones hipoeutéctica: Base de Aluminio - Titanio - Boro en lingote o alambrón. Para aleasiones Aluminio - Silicio Hipereutécnicas: Base Fósforo.
