RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO DEL GRANO La deformación plástica de una probeta probeta metálica policristalina a temperaturas que son bajas respecto respecto a la temperatura temperatura de fusión produce cambios en la microestructura y en las propiedades. Algunos de los cambios son: (1).- Cambio en la forma forma del grano (2).- Endurecimiento Endurecimiento por deformación deformación (3).- Aumento en la densidad densidad de dislocaciones dislocaciones ( ).
Consecuencias de la deformación en frío: Re () Gb
R p , R m , AT
Además, otras propiedades tales como la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión pueden modificarse como consecuencia consecuencia de la deformación plástica. Alteración de la estructura del grano de un metal policristalino como resultado de la deformación plástica (a).- Antes de la deformación deformación los granos son equiaxiacos (b).-La deformación ha producido granos alargados, x 170
Las propiedades y estructuras estru cturas pueden recuperar sus valores anteriores a la deformación en frío mediante tratamientos térmicos apropiados. Tales Tales fenómenos de restauración resultan de distintos procesos p rocesos que ocurren a temperaturas elevadas: •
•
RECUPERACIÓN RECRISTALIZACIÓN
Recrista Recristalizac lización ión primaria primaria 1.- Recrista Recristalizac lización ión estática estática
Recristalizaciónsecundaria Recrista Recristalizac lización ión terciaria terciaria
PROCESOS A ALTA TEMPERATURA
Procesos de conformado industrial 2.- Procesos Procesos de deformación en caliente
Procesos de conformado habitual Procesos de conformado superplástico
Fluencia o creep
Recrista Recristalizac lización ión primaria primaria 1.- Recrista Recristalizac lización ión estática estática
Recristalizaciónsecundaria Recrista Recristalizac lización ión terciaria terciaria
PROCESOS A ALTA TEMPERATURA
Procesos de conformado industrial 2.- Procesos Procesos de deformación en caliente
Procesos de conformado habitual Procesos de conformado superplástico
Fluencia o creep
INTRODUCCIÓN LA DEFORMACIÓN EN FRÍO CONFIERE ACRITUD A LOS MATERIALES METÁLICOS. METÁLICOS . El estado agrio supone un aumento de energía energía respecto a la del agregado policristalino no deformado en frío. Los cristales metálicos resultan energéticamente energéticamente más estables cuando no presentan dislocaciones. Por ello, LAS ESTRUCTURAS AGRIAS TIENDEN A EVOLUCIONAR HACIA OTRAS CON MENOR NÚMERO DE DISLOCACIONES . Los cristales agrios no ceden espontáneamente espontáneamente su exceso de energía para pasar a cristales regulares. regulares. Para ello se requiere una ENERGÍA DE ACTIVACIÓN,, comunicada por CALENTAMIENTO EXTERNO y un PROCESO DE DIFUSIÓN DE ÁTOMOS a la temperatura ACTIVACIÓN temperatura de calentamiento. El tratamiento térmico para eliminar la acritud de un metal o aleación, suele denominarseRECOCIDO denominarse RECOCIDO CONTRA ACRITUD. ACRITUD. Más frecuentemente se conoce con el nombre de RECOCIDO DE RECRISTALIZACIÓN (o, en determinados casos, RECOCIDO DE RESTAURACIÓN). RESTAURACIÓN). Cuando un metal, suficientemente deformado deformado en frío, es sometido a un calentamiento adecuado (Recocido (Recocido contra acritud) se quiere disminuir ρ ┴ , 9 5 6 2 (queremos pasar de 10 a 10 -10 ┴ /cm ) para recuperar paulatinamente las propiedades que presentaba el metal antes de la deformación: deformación:
el metal ablanda disminuye su resistencia en el ensayo de tracción aumenta el alargamiento cambia la textura, etc. etc. •
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•
•
La recuperación plena de las propiedades (hasta (hasta lograr las que tenía el metal antes de ser deformado en frío) está vinculada a la APARICIÓN DE UNA NUEVA ESTRUCTURA, ESTRUCTURA , de granos regulares, formada a partir de la estructura agria. LA NUEVA ESTRUCTURA RECIBE EL NOMBRE DE RECRISTALIZADA.
La formación de la ESTRUCTURA RECRISTALIZADA tiene lugar cuando el calentamiento se realiza por encima de una cierta temperatura TR, , denominada temperatura de recristalización primaria estática. Esta -generalmente superior a TE/3— depende, en buena medida, de la deformación previa conferida en frío a cada metal o aleación y, por tanto, no es una temperatura constante.
T E
3
T RECRISTALIZACION
T E
2
T E Temperatura de fusión
La temperatura de recristalización no es constante (Tm/2)↔ Metales puros (Tm/3)↔ Aleaciones
Una vez recristalizada la estructura, si se prolonga su permanencia a la temperatura de recristalización, o a otras superiores a ella, el efecto resultante es UN CRECIMIENTO DEL TAMAÑO MEDIO DEL GRANO. Para temperaturas de calentamiento inferiores a la de recristalización hay una cierta variación de propiedades del metal o aleación, pero no se aprecia modificación de la estructura agria visible al microscopio óptico, ni de su textura. Esta etapa de
En el recocido contra acritud o recocido de recristalización al calentar isotérmicamente (Figura), a temperaturas diferentes, durante tiempos iguales, distintas probetas de un mismo metal, con igual grado de deformación en frío, pueden distinguirse tres etapas: * RESTAURACIÓN. ** RECRISTALIZACIÓN PRIMARIA. *** CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADO.
El conjunto de mecanismos fisicometalúrgicos relativos a estas etapas son fundamentales para el estudio de los recocidos contra acritud y de los tratamientos termomecánicos. Etapas durante el recocido de chapas agrias: (a).- Cobre (↓ SFE) (b).- Aluminio ( SFE) I Restauración. II Recristalización. III Crecimiento de grano.
R1
R2
Influencia de la temperatura de recocido en las propiedades mecánicas 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 la etapa se establece cuando aparece un tamaño de grano promedio estable y de aspecto equiaxico. 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) Influencia de la temperatura de recocido sobre la resistencia a la tracción y sobr e la ductilidad de un latón. Se representa el tamaño del grano en función de la temperatura de recocido. Estructura del grano durante la restauración,
PROCESO DE RESTAURACION Durante esta etapa NO SE MODIFICA LA TEXTURA CRISTALINA CORRESPONDIENTE AL ESTADO AGRIO (los granos deformados no presentan ninguna diferencia con el estado agrio) , pero pueden apreciarse, entre otras, las siguientes variaciones: •
• • • •
Parte de la energía interna almacenada como energía de deformación es liberada debido al movimiento de dislocaciones. Esto ocurre como resultado del aumento de la difusión atómica a temperaturas elevadas. Reducción en el número de dislocaciones y las configuraciones de dislocaciones tienden a adoptar bajas energías de deformación de la red Desaparición de tensiones internas. Recuperación de propiedades eléctricas, habida cuenta que la deformación en frío aumenta la resistividad eléctrica Recuperación parcial de propiedades mecánicas, por ejemplo, pérdida de dureza y aumento del alargamiento
Los metales, aunque cristalicen en el mismo sistema, suelen comportarse mecánicamente, durante esa restauración, de modo diferente. El aluminio, por ejemplo, ablanda bastante durante la restauración. Otros materiales metálicos del mismo sistema cristalino cúbico centrado en las caras, tales como cobre, latones alfa, bronces alfa, cuproluminos alfa, níquel, cuproníqueles, aceros austeníticos, etc., no experimentan disminución apreciable de dureza durante la restauración.
Metales cúbicos de caras centradas y alta energía de defectos de apilamiento ( SFE), como el aluminio En la figura se representa el proceso que sigue un material de alta energía de defectos de apilamiento ( SFE) en la restauración. Tenemos una determinada densidad de defectos (1) (Exceso de dislocaciones). Por activación térmica aumenta la movilidad de los defectos, aumentando la probabilidad de que las dislocaciones se cancelen entre si y se reorganizan en un proceso de poligonalización (2): dentro de los granos se forman subgranos en cuyo interior hay una baja ρ ┴ , pero en sus contornos hay una alta ρ ┴ . Los defectos se concentran en las paredes. Esto se puede apreciar por microscopía electrónica o incluso, a veces, por microscopia óptica (Figura 1).
Esta formación obtención de subgranos puede favorecerse cuando se aplica una tensión durante la restauración (restauración dinámica]. La formación de subgranos, de finas subjuntas poligonizadas, va acompañada de: • • •
Notable disminución de la dureza Aminoración de la resistencia a la tracción Aumento del alargamiento.
El ablandamiento durante la restauración -en realidad una compleja forma de poligonización- puede ser de tal magnitud que, a veces, pueden emplearse recocidos de restauración en vez de recocidos de recristalización total. De todas maneras, si se desea lograr un ablandamiento pleno de esos metales aptos para poligonizar, es preciso efectuar un recocido de recristalización.
Figura 1.- Poligonización en el Aluminio (Lacombe) (Paredes
Materiales de baja energía de defectos de apilamiento ( SFE) (cobre, latones alfa, bronces alfa, cuproluminos alfa, níquel, cuproníqueles, aceros austeníticos, etc) En este caso la estructura de restauración también es agria y debido a su alta w, apenas poligonizan, no hay formación de subgranos. No ablandan apreciablemente durante la restauración y requieren siempre recocidos de recristalización para disminuir apreciablemente su dureza.
low
Extended dislocations (in particular screw dislocations) define a specific slip plane. Thus, extended screw dislocations can only cross-slip when the partial dislocations recombine.
PROCESO DE RECRISTALIZACION Aun después de la RECUPERACIÓN, los granos están todavía en un estado de alta energía de deformación. LA RECRISTALIZACIÓN ES LA FORMACIÓN DE UN NUEVO CONJUNTO DE GRANOS EQUIAXIACOS LIBRES DE DEFORMACIÓN QUE TIENEN BAJA DENSIDAD DE DISLOCACIONES, LO CUAL ES UNA CARACTERÍSTICA DE LA CONDICIÓN DEL MATERIAL ANTES DE SER DEFORMADO. La FUERZA MOTRIZ para producir esta nueva estructura de granos es la diferencia en energía interna entre el material deformado y el no deformado. Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que reemplazan completamente al material deformado, proceso en el cual tiene lugar la difusión de corto alcance. En las figuras 1a-1d se muestran varias etapas del proceso de recristalización. En estas microfotografías, los granos pequeños son aquellos que han recristalizado. RECRISTALIZACIÓN DE LOS METALES TRABAJADOS EN FRÍO PUEDE UTILIZARSE PARA REFINAR LA ESTRUCTURA DE LO GRANOS .
Fotomicrografías mostrando varias etapas de la recristalización y del crecimiento del grano del latón (a) Estructura del grano del material deformado en frío (33 % CW) (b) Etapa inicial de la recristalización después de calentar durante 3 segundos a 580 °C. Los granos muy pequeños son los que han recristalizado (c) Reemplazo parcial de los granos con acritud por granos recristaIizados (4 s a 580 °C) (d) Recristalización completa (8 s a 580 °C) (e) Crecimiento del grano después de 15 min a 580 °C
PROCESO DE RECRISTALIZACION También, durante la recristalización, las propiedades mecánicas que fueron modificadas durante el proceso de trabajo en frí o son restauradas a sus valores previos a la deformación, es decir, el metal se hace MÁS BLANDO, MENOS RESISTENTE Y MÁS DÚCTIL. La recristalización es un proceso cuya extensión depende tanto del tiempo como de la temperatura. El grado (o fracción) de recristalización aumenta con el tiempo, tal como puede observarse en las fotomicrografías mostradas en las figuras 1a-1d
Fotomicrografías mostrando varias etapas de la recristalización y del crecimiento del grano del latón (a) Estructura del grano del material deformado en frío (33 % CW) (b) Etapa inicial de la recristalización después de calentar durante 3 segundos a 580 °C ; los granos muy pequeños son los que han recristalizado (c) Reemplazo parcial de los granos con acritud por granos recristaIizados (4 s a 580 °C) (d) Recristalización completa (8 s a 580 °C) (e) Crecimiento del grano después de 15 min a 580 °C
El comportamiento de recristalización para una determinada aleación se suele especificar mediante la TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIÓN, temperatura a la cual ocurre exactamente en 1 hora. Generalmente, esta temperatura se sitúa entre un tercio y la mitad de la temperatura absoluta de fusión del metal o aleación y depende de varios factores, entre los cuales cabe citar el % de trabajo en frío y la pureza de la aleación. Aumentando el % de trabajo en frío aumenta la velocidad de recristalización, de manera que la temperatura de recristalización disminuye (figura 2). Existe un grado crítico de trabajo en frío por debajo del cual la recristalización no puede ocurrir, tal como se muestra en la figura. Normalmente, este valor está comprendido entre el 2 y el 20 % de trabajo en frío. Figura 2.- Influencia de la temperatura de recocido sobre la resistencia a la tracción y sobre la ductilidad de un latón. Se representa el tamaño del grano en función de la temperatura de recocido. Estructura del grano durante la restauración, recristalización y crecimiento del grano, tal como se muestra de forma
Figura 1.- Influencia de la temperatura de recocido sobre la resistencia a la tracción y sobre la ductilidad de un latón. Se representa el tamaño del grano en función de la temperatura de recocido. Estructura del grano durante
PROCESO DE RECRISTALIZACION La recristalización ocurre de forma más rápida en metales que en aleaciones. El hecho de alear aumenta la temperatura de recristalización, algunas veces de forma muy substancial. Para metales puros, la temperatura de recristalización normalmente es 0.3Tm , donde Tm es la temperatura absoluta de fusión, mientras que en algunas aleaciones comerciales puede llegar a ser tan alta como 0.7Tm. Las temperaturas de recristalización y de fusión para algunos metales y aleaciones se indican en la tabla 1. Las operaciones de deformación plástica de los metales y aleaciones a menudo se realizan a temperaturas superiores a de la temperatura de recristalización en un proceso denominado trabajo en caliente. El material permanece relativamente blando y dúctil durante la deformación debido a que no se endurece por deformación, de manera que se pueden alcanzar deformaciones grandes. El GRADO DE DEFORMACIÓN EN FRÍO DEL METAL, la TEMPERATURA QUE ES NECESARIO ALCANZAR PARA QUE ÉSTE PUEDA INICIAR LA RECRISTALIZACIÓN y el TIEMPO DE PERMANENCIA A ESA TEMPERATURA hasta lograr una estructura regular, están relacionados entre sí.
Características de la recristalización 1.- La recristalización no supone un cambio de fase: no hay cambio alotrópico, sino sencillamente una nueva combinación de los átomos, por difusión, para formar nuevas agrupaciones cristalinas con un número muy inferior de dislocaciones (104 — 105 dislocaciones( ┴ )/cm2). La energía de activación necesaria para movilizar los átomos y formar esas agrupaciones "recristalizadas", con pocas dislocaciones, es tanto menor cuanto más deformado en frío se halle el metal antes del calentamiento. LA TEMPERATURA ISOTÉRMICA QUE ES PRECISO ALCANZAR PARA EL INICIO DE LA RECRISTALIZACIÓN ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA ACRITUD DEL METAL. Por consiguiente, cuanto más pequeño es el grado de deformación en frío más alta debe ser la temperatura necesaria para poder iniciar la recristalización. Para lograr la recristalización isotérmica de una aleación a la temperatura T1 se precisa un mínimo de acritud previa. Esta recibe el nombre de acritud crítica para la temperatura T1. Esta acritud crítica debe ser tanto mayor cuanto menor sea la temperatura a que se desea recristalizar. Por tanto, cuando la recristalización va precedida de una permanencia a temperaturas de restauración que disminuyan sensiblemente la acritud, para iguales grados de deformación inicial se requieren temperaturas de recristalización más altas.
Recristalización al 100 %
No recristaliza
T1 Línea donde el material restaura
2.- El proceso es irreversible ( ST>0), es decir, cuando dejamos de aplicar la temperatura es sistema no recupera la estructura inicial, quedando parcialmente recristalizado. Una vez lograda la recristalización de una estructura agria, un enfriamiento por debajo de la temperatura de recristalización no devuelve al estado agrio.
3.- Es un proceso termicamente favorable ( G<0), pues se pasa a un estado de mayor equilibrio
GT G(Re cristalizado) G ( Agrio )
G( Agrio) G (Re cristalizado )
4.- Es un proceso de nucleación y crecimiento
NOTA: Proceso difusional (proceso activado térmicamente)
D D0e
x
Q rec
RT
Dt
ΔGT<0
G (Re cristalizado) Gb 2 (Re cristalizado ) G ( Agrio) Gb2 (Agrio)
Por tanto, el proceso de recristalización consta de dos fases: una donde se requiere un tiempo t para la formación de núcleos y otra donde los núcleos crecen por movilidad de los átomos desde la matriz agria atravesando la frontera que supone la junta de grano núcleo/matriz. Esa junta avanza y, por tanto, el núcleo crece. Finalmente la matriz agria desaparece y es completamente reemplazada por una nueva estructura de granos regulares, cuando las juntas de los diferentes cristales en crecimiento interaccionan entre si. La temperatura (T) y el tiempo (t) son parámetros complementarios. Así, cuanto menor sea la temperatura, mayores serán los tiempos necesarios y la energía necesaria será menor cuanto más deformado se encuentre el material, previa aplicación del calentamiento. - Tamaño de los núcleos críticos que acabarán dando un núcleo permanente r *
2 agrec G Agrio GR e cris
se refiere a la energía libre de superficie de las caras constituidas por un lado de material agrio y por el otro del posible material recristalizado
-Fuerza inductora que genera la recristalización del material Viene dada por la densidad de defectos ( ┴ ) y la temperatura que hace que las dislocaciones se desplacen. Es lo que se denomina el ESTADO VIBRACIONAL (COMBINACIÓN DE ┴ Y TEMPERATURA APLICADA). El estado vibracional es mayor cuando ┴ y la temperatura aplicada son
CONSIDERACIONES SOBRE LA NUCLEACIÓN DE LOS GRANOS RECRISTALIZADOS Para una temperatura isotérmica T1 de recristalización, el número de núcleos formados al cabo de un cierto tiempo t1 resulta mayor cuanto mayor es el grado de deformación en frío del metal. Puede decirse que el grado de reducción en frío, la acritud, es la fuerza inductora para la recristalización. Por ello a mayor acritud de la aleación y, por tanto, mayor el número de núcleos de recristalización que se formarán, menor resulta el tamaño promedio de los granos recristalizados al concluir la recristalización primaria a temperatura T1 (Figura). Por eso con pequeñas acritudes el grano recristalizado es muy grande (sobre todo cuando la acritud es del orden crítico antes indicado). Correlación entre acritud, temperatura de recristalización, diámetro de grano.
T1
Ensa En sayo yo e un unaa pr pro o et etaa tr trap apez ezoi oi a Tomamos unas probetas trapezoidales, donde no en todas las zonas, fruto de la tracción, se alcanza la deformación deformaci ón crítica ( C), a partir de la cual se produce una recristalización. Se observa que hay una gradación de la tensión, , entre los extremos de la probeta ( 0 > 1), debido a la variación de superficie entre los mismos. En la zona ancha hay más material para resistir la tensión aplicada, luego en el primer tercio se tiene que < C. En el segundo > C y en el último >> C. Aparte de una gradación de la tensión, , hay una gradación del tamaño de grano. Los granos en la zona donde < C son los iniciales sin recristalizar recristalizar (granos grandes grandes y alargados). En >> C es la zona donde más finos son los granos, mientras que en la zona donde > C tenemos un caso intermedio entre los indicados. Por tanto, a mayor deformación menor tamaño de núcleo. Nos podemos encontrar probetas de este tipo totalmente recristalizadas cuando la línea divi soria entre < C y > C. se sale fuera de la pieza (pero sigue habiendo un gradiente de grano). En ocasiones hay áreas donde algunos granos están recristalizados recristalizados y otros no. Esto se debe a la orientación del grano inicial (textura). (textura). Si la orientación es favorable favorable la deformación plástica es prematura, produciendo playas recristalizadas y otras no, llegando las que forman un ángulo de 45 º con la deformación a poder recristalizar prematuramente, prematuramente, a diferencia de sus vecinos. Los efectos de una acritud crítica crít ica suelen ser perjudiciales. Así, por ejemplo, ocurre en codos ligeramente curvados, curvados, cuando son luego l uego calentados por necesidades de servicio. La acritud introducida al curvar puede ser suficiente para que esa zona recristalice a la temperatura temperatura de calentamiento. El tamaño de grano resultará grande y por tanto disminuirá la resistencia mecánica en ese punto; en tanto que las zonas contiguas, con menor acritud que la crítica,
EFECTO DE LAS IMPUREZAS El tamaño promedio del grano recristalizado no depende exclusivamente exclusivamente de la mayor o menor cantidad de núcleos de recristalización motivados por la acritud, sino también del EFECTO DE LAS IMPUREZAS. IMPUREZAS. Es decir, de los ÁTOMOS EN SOLUCIÓN SÓLIDA y de los PRECIPITADOS PRECIPITADOS..
1.- Eleme Elementos ntos en solución solución sólida En relación a la nucleación son inocuos, no la l a modifican. En cuanto a la recristalización (considerando (considerando esta a partir del 5 %) tienen un efecto solute drag drag effe effect ct”, dificultando el paso 5 % → 95 % de recristalización. Retardan Retardan el avance de las superficies límite de los núcleos “solute 2.- Prec Precipit ipitados ados (a).- Precipitados grosero groseross (dPRECIPITADO ) Con respecto a la NUCLEACIÓN puede decirse que las impurezas, o segundas fases precipitadas en la matriz agria, ACELERAN la formación de núcleos si el tamaño de las segundas fases es grande (del orden de varias micras) , ello es debido a la concentración local de esfuerzos que la deformación en frío produce sobre la matriz agria que rodea a la partícula. En la interfas interfasee el d recristalizado es menor que el promedio. En la recristalización recristalización los precipitados grosero groseross (dPRECIPITADO ) no inhiben el proceso, no ejercen restricción al movimiento y no tienen efecto “ pinning”, no anclando el desplazamiento de la junta de grano. LOS PRECIPITADOS DE GRAN TAMAÑO NO INTERFIEREN EL CRECIMIENTO.
Zona azul
Zona amarilla
(b).-(Precipitados (b).-(Precip itados finos (d PRECIPITADO ) •
•
Los precipitados finos o muy finos retrasan la nucleación En la recristalización restringen el crecimiento por efecto “ pinning ”(restringe el avance de las juntas j untas de grano).
Como ejemplo de importante repercusión repercusión industrial cabe citar la inhibición inhibición efectuada efectuada por el NAl sobre las subjuntas subjuntas de grano {100} : ello favorece favorece el crecimiento de subgranos con textura {111} muy favorables para la embutición
El crecimiento de los núcleos, núc leos, una vez formados, se ve retrasado por el obstáculo (pinning) que, para p ara la migración de las fronteras núcleo/matriz agria, suponen los precipitados si son PEQUEÑOS Y NUMEROSOS . La obstrucción es tanto mayor cuanto más finos y menos separados están los precipitados. Esos precipitados nanométricos elevan la temperatura de recristalización,, prolongan el tiempo para recristalizar a esa temperatura y, en consecuencia, pueden recristalización pued en aumentar el tamaño de grano de recristalización recristalización primaria obtenido a esa temperatura. temperatura. En algunos casos los precipitados nanométricos pueden no solamente retrasar la nucleación sino, incluso, impedir la recristalización. EJEMPLO: pequeñas cantidades de EJEMPLO: de Niobio (que puede precipitar en forma de NNb, con tamaño de pocos nanómetros) nanómetros) en los l os aceros de muy bajo contenido de carbono denominados aceros microaleados. Al laminar estos aceros a alta temperatura, en estado austenítico, la austenita se deforma y adquiere acritud, pero no llega a recristalizar durante la laminación en caliente (laminación controlada de aceros microaleados) por impedirlo los precipitados de NNb. En estos aceros la inhibición de la recristalización resulta muy ventajosa: al transformarse transformarse después alotrópicamente la austenita agria en ferrita, durante durante el enfriamiento, se obtienen granos de ferrita de un tamaño muy fino (más de 30000 granos 2 en un mm ), imposible de obtener a partir de granos de austenita recristalizada. recristalizada. Estos aceros microaleados microaleados de bajo contenido contenido en C —y en consecuencia buena soldabilidad — presentan presentan además, por su pequeño tamaño de grano, un alto límite elástico y excelente tenacidad tenacidad a baja temperatura (se emplean para oleoductos y gaseoductos en regiones regiones árticas, plataformas marinas, etc.).
EFECTO PINNING DE LOS PRECIPITADOS (INFLUENCIA DE LAS PARTICULAS EN LA MOVILIDAD DE LAS JUNTAS DE GRANO) La precipitación puede ser un potente inhibidor del movimiento de la junta de grano conseguimos un tamaño de grano fino y homogéneo, por tanto se debe analizar la influencia de las partículas en l a movilidad de las juntas de grano. La junta de grano tiende a desplazarse hacia el centro de curvatura. La presencia de precipitados evita este movimiento (pinning) 1.- Expansión del grano Para pasar de r a r+r es necesaria una presión, P, que desarrolle un esfuerzo, pues ese paso supone un aumento de superficie. Consideremos un grano esférico. F
(ÁTOMO) (BOUNDARY)
2
4 r P
A esta fuerza se opone otra, F’, que provoca la aparición de una nueva junta de grano (aumento de la superficie). F’ es opuesta a la anterior (F). F '
dS
d 4 r
2
8 rdr
Ambas fuerzas se deben compensar
F
F ' 4 r 2 P 8 rdr
P EXPANSION
2
r grano
Por tanto, rg necesita Pexpansión y los rg necesita Pexpansión, lo lo que ocurre en realidad es que los granos pequeños son consumidos por los granos grandes
EFECTO PINNING DE LOS PRECIPITADOS (INFLUENCIA DE LAS PARTICULAS EN LA MOVILIDAD DE LAS JUNTAS DE GRANO) 2.- Fuerza de anclaje de los precipitados Si un límite de grano que se mueve bajo la acción de la fuerza motriz debida a su curvatura se encuentra con una inclusión, habrá una interacción entre el límite de grano y la partícula que conduce a una fuerza de retardo en el movimiento del límite de grano. Si hay un número suficiente de partículas, se podría esperar que el límite de grano se fije cuando se encuentra con las partículas y, por tanto, la migración del límite de grano cesará. Fr gb cos 2 rsen Fr max 45º r gb
La fuerza Fr restringe el movimiento de la junta de grano En el material no tenemos un solo precipitado, sino que tenemos una fracción en volumen f V
n P
V ppt VT
n P
4
3 r ppt
3
2rA
2
2 r ppt
Interacción de un límite de grano con una partícula inmóvil. (a) aproximación del límite de grano a la partícula. (b) Interacción entre el límite de grano y la partícula que conduce a una fuerza de retardo en el movimiento del límite de grano.
2r: Todo precipitado a una distancia r a cada lado toca a la junta de grano A=1 (área unitaria de junta de grano) Luego , la fuerza de retardo máxima viene dada por
3 f V
Longitud de contacto precipitado/junta de grano=2πrsenθ
P pining
n P r ppt
P Pining
3 f V gb 2r ppt
Si el grano no crece se estabiliza, con lo que la Pexpansión y la P de restricción han de ser iguales
P EXPANSION
2
r grano
3 f gb
3 f V gb 2r ppt
2
r grano
D grano
8r ppt 3 f V
Ecuación de Zener
El tamaño de grano recristalizado es, según Zener, directamente
Observación Tamaño de grano 10 ASTM < 7 ASTM Para disminuir el tamaño de grano de un acero que tenga el tamaño correspondiente al tratamiento térmico de normalizado (7 ASTM), se podría conseguir disminuyendo el tamaño de los precipitados ( dppt). Si se baja el tamaño de los precipitados al máximo, se puede disminuir Dgrano aun mas aumentando el valor de f V. Con el grano muy fino se mejoran las propiedades mecánicas. Al hacerlo en un acero se dice “acero microaleado en presencia de precipitados” [Aceros de calidad ártica (12 -13 ASTM) muy resistentes a bajas temperaturas]
D grano
8r ppt 3 f V
Ecuación de Zener
LEYES DE LA RECRISTALIZACION La correlación habitual entre acritud, temperaturas de recristalización y tamaño de grano recristalizado, para un tiempo constante de recristalización, por ejemplo 1 hora, puede ilustrarse cualitativamente con la figura. Este esquema resume, sin considerar el efecto de las impurezas, lo que pueden denominarse leyes de la recristalización. 1.- Se requiere una acritud mínima (acritud crítica) para poder realizar la recristalización isotérmica de una aleación a temperatura T=T 1. 2.- Esta acritud crítica debe ser tanto mayor cuanto menor sea la temperatura a que se desea recristalizar. Por tanto, cuando la recristalización va precedida de una permanencia a temperaturas de restauración que disminuyan sensiblemente la acritud (Caso del aluminio), para iguales grados de deformación inicial se requieren temperaturas de recristalización más altas. Por otra parte, las diferentes maneras posibles de trabajar en frío un metal -forja, estirado, laminación, etc.- producen, para iguales reducciones de sección transversal, acritudes efectivas diferentes. Por lo que los resultados de la recristalización no serán idénticos. 3.- Para cada temperatura de recristalización el tamaño de grano, al finalizar la recristalización primaria, resulta menor cuanto mayor es el grado de acritud previo a la recristalización. 4.- Para un mismo grado de reducción en frío, al aumentar la duración del tratamiento isotérmico disminuye la temperatura necesaria para poder recristalizar. La relación entre tiempo y temperatura es de tipo logarítmico: duplicar el tiempo de recocido equivale a aumentar solamente unos grados
Correlación entre acritud, temperatura de recristalización, diámetro de grano.
LEYES DE LA RECRISTALIZACION 5.- El tamaño de grano, al final de la recristalización primaria, depende principalmente del grado de deformación en frío y en menor medida de la temperatura T1 del tratamiento térmico. El tamaño de grano, al término de la recristalización, a una temperatura T 1, resulta más fino cuanto mayor sea la deformación en frío. Para un mismo proceso de deformación, e igual reducción en frío, pero para una temperatura de recocido T 2 muy superior a T 1, el grano recristalizado obtenido resulta de mayor diámetro. Ello es debido a que, una vez finalizada la recristalización primaria a T 2 (más breve que a T1), el grano suele continuar creciendo; tanto más, cuanto más alta sea T 2 .
Correlación entre acritud, temperatura de recristalización, diámetro de grano.
T2 T1
LEYES DE LA RECRISTALIZACION 6.- Cuanto mayor es el tamaño de grano previo a la deformación y, por tanto, menor el área total de juntas de grano, menor
resulta la probabilidad de formación de núcleos para un mismo grado de deformación en frío y mayor es el tamaño de grano recristalizado. Por ello a mayor tamaño de grano inicial se requiere un mayor grado de deformación en frío para lograr una recristalización equivalente. 7.- La temperatura de recristalización disminuye con la pureza del metal. 8.- El mantenimiento en temperatura, una vez finalizada (100 %) la recristalización primaria, produce crecimiento del grano recristalizado. Este crecimiento puede ser continuo o no.
Cuando a la temperatura de trabajo se producen simultáneamente acritud (por deformación) y ablandamiento (por restauración o recristalización), el proceso recibe el nombre de restauración —o recristalización— dinámica. Sus leyes de comportamiento difieren de la recristalización primaria (ésta suele denominarse recristalización estática).
Cinética de la recristalización estática e isotérmica El porcentaje de metal recristalizado X, estática e isotérmicamente, a un a temperatura T1 en que resulte posible la recristalización, aumenta con el tiempo de permanencia (t) a esa temperatura T1. Suele seguir una ley de tipo sigmoidal: X
B
k
k
k
1
e
Bt k
Falsa cons tan te donde se incluyen Q y T Cons tan te del material 3 1
4
para procesos en 3 dim ensiones
2
para procesos en
Ecuación de Avrami: Se limita a considerar la recristalización entre el 5% y el 95% de fracción recristalizada (X), por tanto solo se hace eco del tramo de curva oblicuo.
2 dim ensiones
La ley de Avrami se ajusta a una recta de ordenada en el origen igual a log B y pendiente k cuando se representan en ordenadas los valores de log {In [1:(1-X)]} y en abscisas los valores de log t. X
k
k
1 e Bt 1 X e Bt
1 Ln 1 X
1 1 X
k
eBt
1 k Bt log Ln log B k log t Y n mX 1 X
Las desviaciones reales que a veces se observan respecto a esta ley, en algunas aleaciones con alta energía de defectos de apilamiento provienen casi siempre de que la fracción de matriz agria, aún no recristalizada, restaura notablemente por calentamiento y, en consecuencia, la fuerza inductora para la recristalización de esa fracción agria va disminuyendo con el tiempo (Figura), correspondiente a recocido isotérmico de Al de gran pureza, laminado 40 % a 0 °C y recristalizado a 155 °C. En otras ocasiones las desviaciones son debidas a que no se cumplen las hipótesis implícitas en el modelo de recristalización de Avrami, que, por ejemplo, supone un crecimiento continuo de
Cinética de recristalización a 155 °C de
CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADO
La recristalización finaliza cuando los granos de recristalización primaria entran en contacto unos con otros y la estructura micrográfica aparece constituida solamente por granos regulares sin restos de la matriz agria. La estructura así obtenida no es estable, como puede comprobarse permaneciendo a T1 o, bien, elevando la temperatura. Para el metal en estado sólido, recristalizado a una temperatura T 1, la estructura tiende a evolucionar, en los supuestos anteriores, hacia granos de gran tamaño: para así aminorar la relación [superficie/volumen] (es decir, disminuir la energía libre de superficie). El estado sólido energéticamente más estable correspondería una pieza monocristalina. Claro está que si se llega a alcanzar la temperatura de fusión resultaría aún más estable el estado fundido. Por eso si se eleva la temperatura, o se prolonga la temperatura a la que ha tenido lugar la recristalización primaria, las juntas de grano tienden a moverse para alcanzar un equilibrio. Figura 1.- Influencia de la temperatura de recocido sobre la resistenci a la tracción y sobre la ductilidad de un latón. Se representa el tamañ del grano en función de la temperatura de recocido. Estructura del
CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADO Para cada temperatura del sólido el equilibrio teórico en un punto triple de encuentro de juntas de grano del agregado policristalino, se alcanzaría cuando:
T A
T B
T C
; esto se verificaría cuando : senA senB senC T A T B TC es decir , A B C 120º
(a)
Los granos tenderán, por tanto, a un equilibrio por desplazamiento de juntas de grano. A temperaturas aptas para que las juntas de los granos recristalizados puedan moverse, los granos grandes (A, B, C y D) crecerán avanzando hacia su centro de curvatura en detrimento de los pequeños (como indica la línea de puntos)(Figura b). Los granos cuya superficie externa es pequeña (granos finos) tienden a desaparecer a expensas de los granos grandes. El proceso se va produciendo en varias fases hasta dar la junta de grano final (línea de puntos), desapareciendo al final los granos pequeños F y G. No llegan a alcanzarse los 120° en todos los puntos triples; pero, para cada temperatura se obtiene, habitualmente, un tamaño de grano estable al cabo del tiempo. De hecho, a una temperatura dada el crecimiento de tamaño promedio de grano no tiene lugar indefinidamente. Al elevar la temperatura y favorecer nuevamente la movilidad de las juntas de grano estos tienden hacia otro equilibrio y el tamaño de grano promedio crece.
(a) Relación entre tensiones superficiales y ángulos. (b) Esquema (Chalmers) de la desaparición de los granos F y G por avance hacia el interior de los puntos de grano.
CRECIMIENTO DEL GRANO RECRISTALIZADO Burke y Tumbull determinaron los modos de crecimiento dándoles un valor y una expresión. Gráfico de la evolución del tamaño de los granos.
El crecimiento continuo sigue la ley: 1/ n
D
D 0 D
1/ n
D0
Kt
Tamaño de grano inicial promedio
Tamaño de grano promedio
Diversos factores pueden inhibir el crecimiento continuo de un grano de un metal policristalino no agrio (hay varios modos de crecimiento discontinuo y es debido a diferentes causas). (a).- Átomos en solución sólida, segregados hacia las juntas, que impiden la movilidad de éstas y frenan el crecimiento de grano. Son fuente de dificultad de difusión o desplazamiento de átomos , por tanto para darse la energía que permita el movimiento hay que alcanzar una determinada temperatura T* (de ahí el tramo horizontal). (b).-Elementos precipitados: de gran finura que detienen a modo de alfileres (pinning) el avance de juntas de grano. Si alcanzamos una temperatura T* TDISOLUCIÓN PRECIPITADOS, empezamos a disolver los precipitados que van desapareciendo, pudiendo de este modo empezar a crecer los granos. Por tanto, se inhibe este y alcanzada la temperatura de desaparición de los precipitados, hay un crecimiento de la junta de grano hasta alcanzar el equilibrio.
(d).- En ocasiones, especialmente cuando se trata de metales cúbicos FCC con baja energía de apilamiento ( SFE) (cobre, latones alfa, bronces alfa, cuproníqueles, aceros austeníticos), pueden formarse MACLAS DE ORIGEN TÉRMICO, en el interior de los granos recristalizados, durante el crecimiento estos granos de recristalización primaria. En estos materiales la energía interfacial de una macla (que en realidad es una subjunta coherente en el interior del grano cristalino) es del orden del 5 % de la energía interfacial de una junta de grano [En el Cu, ( SFE), una macla necesita un 5 % de la energía disponible para el crecimiento]. Al aparecer las maclas aminoran la velocidad de crecimiento de grano, ya que consumen parte de la energía de crecimiento (restan energía a la junta de grano para crecer porque consumen energía del crecimiento) Por ello se forman juntas de macla en vez de disminuir el área total de juntas de grano por crecimiento de éstos. En cambio, en metales con alta energía de apilamiento ( SFE) como el aluminio, la energía interfacial de macla es del orden del 20 % de la energía interfacial de junta: por ello estas maclas de recocido son muy poco frecuentes. Es por esto que el Cu presenta un gran número de maclas, superior al Al, que presenta pocas
Se dice que son subjuntas coherentes, porque los planos cristalinos tienen continuidad a un lado y otro de la macla
RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN Supongamos que partimos de un aluminio comercial obtenido por colada continua y laminación en caliente, obteniendo bobina. Procedemos a continuación con una laminación en frío y tomamos un disco tallado donde marcamos la dirección de laminación en frio (DLF) y la perpendicular. A partir del disco tallado se realiza una copa de embutición (como la de la figura), la cual tiene “orejas” de embutición. Al estudiarla podemos definir el coeficiente de orejas: C 2
H 45
H 90
H 45
H 90
El pico de la oreja, como casos extremos, puede aparecer a 90º o 45º, luego los casos posibles son: -
H45 > H90 C>0 H90 > H45 C<0 H45 = H90 C=0
La parte por encima del valle más profunda hay que cortarla, ya que no vale para nada, luego el rendimiento metálico es mayor cuando C=0 (la producción industrial se ve favorecida, ya que no tenemos que desechar nada de ese metal) Si a la misma chapa le tallamos una probeta de tracción y estudiamos la carga de rotura (Rm) y el alargamiento total a rotura (AT), obtenemos un gráfico. Hacemos dos ensayos por chapa: tracción y embutición, de ahí que los gráficos sean dos. La tracción se aplica a la probeta y la embutición al disco.
Vamos construyendo una curva por puntos ensayando diferentes chapas y discos con una reducción de espesor, 100(E-e)/e (%) variable hasta agotar las posibilidades de laminación en frio (el material se rompe y ya no se puede reducir más su espesor). DF = Limite de laminación en frío, a partir de el la chapa se rompe.
La textura es un balance de textura de deformación en caliente, que genera textura con orejas a 90º y textura de deformación en frío que las genera a 45 º. Hay un punto donde ambas se equilibran. C 2
Si los granos fuesen groseros, al traccionar se producen irregularidades en el relieve superficial,
H 45
H 90
H 45
H 90
denominada “piel de naranja”, que no tiene
aplicación industrial. Tomamos de nuevo chapas y aplicamos aumentos de temperatura (T). Se ensaya como antes dando otro grafico, que es el representado en la figura a la derecha. Durante la restauración y a partir de la recristalización manda la textura en frío, con tendencia a la inversión a medida que recristalizamos
(a) Resistencia, alargamiento y coeficiente C para distintas reducciones en frío de
RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN A partir del diagrama se pueden definir unos estados: duro, medioduro y cuartoduro
RF
DC
(a).- Estado duro: corresponde con el valor de RF, que nos da un alargamiento, tal que no se puede deformar mas, ya que al superar DF la pieza rajaría. Tampoco se podría para el disco, porque se agrietaría. (b).- Estado medio-duro: es la mitad del segmento anterior del estado duro
DF Te
(c).- Estado cuarto-duro: es la cuarta parte de ese segmento.
El esquema de la figura permite anticipar que, en ese Aluminio, puede lograrse el estado "1/4 duro" —de resistencia Rc— de dos maneras diferentes. Una de ellas por reducción en frío hasta DC . La otra, reduciendo en frío hasta DF y con un posterior recocido de recristalización parcial hasta la temperatura Te . En los dos casos anteriores la resistencia mecánica a tracción de una y otra chapa resultan iguales. Pero no ocurre lo mismo con el alargamiento y la textura. El alargamiento a tracción resulta mayor en el segundo caso que en el primero. La textura del segundo caso resulta menos pronunciada que en el primero. Es mejor proceder por el segundo caso, ya que se obtienen mayores alargamientos totales, mejores rendimientos metálicos (menor valor del coeficiente de orejas (C). Los recocidos de restauración plena permiten toda una gama de propiedades intermedias entre las del estado duro y las del estado plenamente recristalizado. Con estos recocidos se consiguen, para el mismo nivel de resistencia, mejores alargamientos
RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN Se definen dos tipos de recocidos de restauración y que son aplicables al aluminio comercial - Restauración plena - Recristalización parcial o incompleta
Restauración plena En este recocido se procura que el material agrio restaure plenamente, pero que no recristalice ni parcial ni totalmente. Propiamente es éste el tratamiento denominado recocido de restauración. Admiten este tipo de recocido de restauración la ferrita y las aleaciones cúbicas de caras centradas y alta energía de defectos de apilamiento ( SFE) (como ocurre con el Aluminio y sus aleaciones). Estas aleaciones, con aptitud para poligonizar, tienen notables posibilidades de ablandamiento de la estructura agria antes de que se inicie la recristalización. Las chapas plenamente restauradas, sin recristalizar, mantienen la textura del estado agrio. Tomamos el recocido de restauración para el caso del aluminio comercial, partiendo del deformado en frío. Los granos son alargados y con elevada ρ ┴ (estructura agria) poligonalizan. Si el tamaño de grano del bruto de laminación en caliente (BLC) es grande, el tamaño del grano deformado en frío sigue siendo grande. Si se aplica una restauración el tamaño de grano no varia, sólo poligonaliza
Dg (BLC) Dg (Frío) (Dg Dg) Dg (Restaurado) Los metales de baja energía de defectos de apilamiento ( SFE)—tales como el Cobre, Niquel, aceros austeniticos, etc. —, no "poligonizan"; no ablandan apreciablemente
Cu
Al
RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN La textura del restaurado es de frío (C0, C>0, |C| ), que da un bajo rendimiento metálico y además un alargamiento menor, por ejemplo, estaría incapacitado el material para fabricar latas de 0.5 litros.
Este tratamiento térmico es el de la figura. Para restaurar se ve que el tiempo de permanencia a la temperatura T1 es demasiado grande, lo que repercute en la baja productividad industrial.
RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN Recristalización parcial o incompleta En este tipo de recocido la restauración también es plena, pero se procura que, además, una cierta fracción del material recristalice. Se trata de lograr una estructura constituida por METAL TOTALMENTE RESTAURADO Y PARCIALMENTE RECRISTALIZADO. En este recocido, si se realiza adecuadamente, se logra compensar la textura agria y la recristalizada. Con ello se obtiene un comportamiento más isótropo durante los conformados a que, posteriormente, pueda ser sometida la chapa. Generalmente todas las aleaciones agrias admiten recocidos de recristalización parcial. '
D g fvrec d rex 1 fvrec d no rex d rex Tamaño promedio del material recristalizado fvrec Fracción de volumen de material recristalizado
Como resultado se obtiene un tamaño de grano más fino que el que teníamos en frío, por efecto de los granos recristalizados. Por esto no hay efecto de piel de naranja. AT es mayor por lo que podríamos estirar más (latas de más capacidad); C0 (alto rendimiento metálico, no hay que despuntar porque no hay casi orejas.
RECOCIDOS DE RESTAURACIÓN Recristalización parcial o incompleta Como t2 la productividad es mayor (Productividad ).
Restauración plena
El problema es alcanzar el punto que intersecta a la línea discontinua (es más fácil acertar a una temperatura, T, menor), pero lo que interesa en una mayor productividad y con ello una temperatura más elevada (T ), para que el tiempo de tratamiento sea menor (t ). Por tanto, una alta productividad es un riesgo por la dificultad que conlleva
Uno y otro tipo de recocido -de restauración y de recristalización parcial- pueden lograrse a temperaturas no altas, con permanencia prolongada a esas temperaturas. En este caso, lógicamente, la productividad es más bien baja. Pueden también efectuarse, y tiene más interés industrial, en hornos de circulación forzada de aire, a temperaturas próximas a la de recristalización, con un estricto control del tiempo y de la temperatura.
Recristalización parcial o incompleta
COEFICIENTE DE ANISOTROPÍA Posibilidades de alargamiento de una chapa uniaxial a tracción (en aceros se estudia otro tipo de orejas). En tracción aparece un adelgazamiento según el ancho y según el espesor. Es mejor que adelgace según el ancho. Coeficiente de anisotropía de Lankford:
0
( Deformación según ancho) f R t t ( Deformación según espesor ) Ln 0 t f Ln
w
t Deseamos que w y t . R mide el adelgazamiento de las chapas. La probeta la obtenemos de una dirección paralela a la de l a laminación (DL). Un disco tiene todas las direcciones de laminación, de ahí que se defina un valor de R promedio para el disco. Para obtener R promedio, es necesario determinar R0º (paralela a la dirección de laminación, DL), R90º (perpendicular a la dirección de laminación, DL) y R45 R135 , respecto a la dirección de laminación. R PROMEDIO
Coeficiente promedio de anisotropía de Lankford:
R0º
R90º
2 R45º
4
R 0.8 Calidad comercial (Comercial quality, CQ) R 0.8 1.2 Calidad de embutición (Drawing quality , DQ ) R 1.2 1.7 Calidad de embutición profunda (Deep drawing quality , DDQ ) R 2 Calidad de embutición extraprofunda (Extra d eep drawing quality, EDDQ)
Convienen valores de R cuanto más grandes mejor, pues ello es indicativo de un adelgazamiento respecto al ancho. R0º
R90º
2 R45º
Efecto de los parámetros del procesado en el valor del coeficiente de anisotro pía de Lankford (R).
Un elevado valor del coeficiente de anisotropía de Lankford (R) esta asociado con estructuras paralelas al plano de laminación { R I{111} // Plano laminación}. Para lo cual hay dos posibilidades: (a).- Recocido en campanas (BAF), recocido discontinuo (batch) El recocido en campanas consiste en un calentamiento subcritico muy lento en atmosfera controlada como se muestra en la figura, donde además de las curvas en C del 1% y 100 % de recristalización también aparecen las líneas de precipitación del AlN, que como puede observarse están adelantadas. Desde el inicio estamos trabajando con chapas de acero ferritico [El Fe() tiene elevada energía de defectos de apilamiento ( SFE), luego poligonaliza]. Hay que recristalizar a T
En este proceso las bobinas de chapa se apilan cubriéndolas con una campana metálica en cuyo interior se introduce un gas inerte para evitar la oxidación. Sobre esta campana se coloca otra que es el horno propiamente dicho. Terminado el período de calentamiento se retira el horno y, sin quitar la campana interior, se coloca sobre ella otra de refrigeración. Una vez enfriada la carga de bobinas, se retiran ambas campanas y, posteriormente, las bobinas terminan su enfriamiento en una nave con atmósfera controlada.
Efecto de los parámetros del procesado en el valor del coeficiente de anisotropía de Lankford (R). (b).- Recocido en continuo (CAPL=Continious annealing process line) En campanas (BAF) hablábamos de RF de 60-80 % para que R, lo que dará un tamaño de grano fino, que supone un gran springback. Para evitar el tamaño de grano fino: La temperatura de bobinado no se puede variar, pues una mayor temperatura (T ) daría un tamaño de grano mayor (d ), pero precipitaría AlN, luego es necesario mantener la temperatura, de tal manera que la única solución para tener un tamaño de grano grande (d ) es emplear ciclos subcríticos (T
DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE) Cuando un material metálico, de estructura recristalizada, es conformado en caliente, a temperatura TH adecuada, se producen de forma simultánea un endurecimiento por deformación y un ablandamiento del material deformado. Es decir, compiten simultáneamente dos mecanismos, antagónicos de creación y eliminación de defectos cristalinos: •
•
la acritud conferida durante esa deformación La restauración dinámica de la estructura (o su recristalización dinámica) a la temperatura del conformado.
En definitiva, el material resulta menos resistente, y más dúctil ,en caliente que en frío. Ello posibilita -con menores tensiones que para deformar en frío- lograr grandes deformaciones sin que el material se agriete. Generalmente se alcanza un equilibrio en aquella competición entre acritud y restauración o recristalización dinámicas: se logra un régimen de equilibrio tal - a partir de determinada deformación- que al aplicar una tensión constante, el material se deforma plásticamente sin adquirir acritud.
DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE)
GENERALIDADES
1.-La temperatura TH a que debe realizarse la deformación "en caliente", para obtener ampliamente mejoras de ductilidad, debe ser tal que T H(K)>0.75.TE ( siendo TE la temperatura de fusión del material). Solamente por encima de la temperatura 0.5.T E puede tener lugar la autodifusión T=0.5TE (se produce en ausencia de gradientes de concentración).Es una difusión que hace que el material pueda restaurar o recristalizar, y que posibilita la difusión de vacantes y el movimiento de dislocaciones (trepado, cross slip). m 2.-La ley de Ludwick-Hollomon es diferente para la deformación en frío y en caliente: n C (a).- Deformación en frío: m=0, n0, C=K (b).- Deformación en caliente: n≈0, m (Coeficiente de velocidad de deformación) 0 Por tanto, en caliente la tensión dada por la ecuación de Ludwick-Hollomon no depende de la deformación m sufrida por el material, sino de la velocidad con que esta se produce (d/dt) H ( Def cal ) C Hasta T/Tm = 0.5, como se puede observar en el gráfico, m apenas interviene (tramo pseudo horizontal). A partir de ahí para valores creciente de T, m va creciendo y depende del material. m en caliente toma valores entre 0.10 y 0.25
3.- La tensión aplicada en caliente es menor que la que se aplicaría en frío para dar la misma deformación. A T/Tm0.75TE, la tensión aplicada es pequeña, luego en materiales en caliente (salvo los ultrarresistentes a alta temperatura, curva superior) son blandos y , por tanto, fáciles de conformar. En definitiva, el material resulta menos resistente y más dúctil en caliente que en frío. Ello posibilita -con menores tensiones que para deformar en fríolograr grandes deformaciones sin que el material se agriete. 4.- Mientras que en frío la deformación confiere acritud, en caliente hay posibilidad de que ablande. En la deformación en frío se apilan los defectos creando campos de retrotensión. En caliente durante la deformación se da
DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE) Los metales y aleaciones con estructura cúbica centrada en las caras, CON ALTA ENERGÍA DE DEFECTOS DE APILAMIENTO ( SFE) , como el aluminio, Fe, …, son propensos a perder acritud por poligonización y, por tanto, a restaurar ampliamente por activación térmica. Restauran dinámicamente durante la deformación en caliente, pero no suelen llegar a recristalizar dinámicamente. La recristalización dinámica durante la deformación en caliente suele producirse solamente en aleaciones de baja energía de defectos de apilamiento ( SFE) para grandes velocidades de deformación. Figura 1 comportamiento a la deformación en caliente de los metales o aleaciones, de alta energía de defectos de apilamiento ( SFE). Para la extrusión en caliente (GRAN VELOCIDAD DEFORMACIÓN ) primero se produce una restauración dinámica durante la deformación y, posteriormente, una recristalización estática, resultando una estructura del perfil extruído de granos equiáxicos ( en una pasada de reducción elevada velocidad de deformación). Para la laminación en caliente (reducción de área o espesor de pequeña cuantía menor velocidad de deformación que en la extrusión) primero se produce una restauración dinámica durante la deformación y una restauración estática después de la deformación. La chapa así laminada tendrá granos alargados con morfología similar a granos agrios, aunque en su interior podrá apreciarse (por microscopía electrónica) la existencia de granos equiáxicos. Ello no impide que, después, pueda producirse una recristalización estática estática entre pasadas o al final de la conformación en caliente Figura 1. Deformación a alta temperatura de metales con alta
Restauran tanto más cuanto mayor sea la deformación que se introduce
Granos alargados similares a los agrios de tamaño d -1
DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE) En metales y aleaciones con baja energía de defectos de apilamiento ( SFE) su comportamiento a extrusión en caliente difiere de los/las de alta energía (Figura 2). Además de la restauración dinámica, se produce recristalización dinámica (para grandes velocidades de deformación) durante la deformación, seguida de recristalización estática.
En la laminación en caliente se produce restauración dinámica durante la deformación y recristalización estática poco después de la deformación, con lo que esa chapa tendría una estructura de granos equiáxicos regulares.
( SFE)
Figura 2.- Deformación a alta temperatura de metales con baja energía de defectos de apilamiento (Jonas).(a) Extrusión (b) Laminación.
( SFE)
DEFORMACION A ALTA TEMPERATURA (EN CALIENTE) El diámetro medio de los subgranos disminuye con la temperatura de deformación, si se emplea la misma velocidad de deformación d/dt, cualquiera que sea la temperatura T (por ejemplo, la misma velocidad de laminación para pasar de un espesor E a otro e). Se admite que el valor del diámetro d (en m) viene determinado por la igualdad:
1 d
a b log( Z )
a y b: dos constantes empíricas del material (por ejemplo, para el Aluminio puro iguales a -0,6 y 0,8 respectivamente) T=Temperatura R=Constante universal de los gases Q Q= Energía de activación para la difusión Z e RT Z = Parámetro de Zener-Hollomon.
Velocidad de deformación (s
1
)
En resumen: Se alargan los granosρ ┴ Las dislocaciones se reorganizan dando subgranos de tamaño d-1 Se cancelan por restauración Recristaliza dando dgrano fino para la extrusión
COMPORTAMIENTO EN CALIENTE DE METALES Y ALEACIONES (Curvas σ- ) Materiales con alta energía de defectos de apilamiento ( SFE) , como el Al y el Fe Se alcanza un régimen estacionario para σ —por equilibrio entre endurecimiento y ablandamiento (con valor del coeficiente de acritud, n, igual a cero)— cuando la deformación plástica supera aproximadamente 0,2. Antes de alcanzar el régimen estacionario se observa un régimen transitorio durante el cual la tensión σ aumenta rápidamente por acritud.
no depende de puesto que 1 y 2 necesitan el mismo valor de la tensión. Al mantener la
velocidad de deformación y aumentar la temperatura T (T2>T1), la curva se situa por debajo (el material ablanda con la temperatura). Si mantenemos la temperatura y (d/dt)2 > (d/dt)1 , la curva asciende.
T = 917 ºC
Curvas (d /dt) , T T movilidad de defectos capacidad de ablandamiento T difusividad movilidad atómica ablandamiento curvas bajas Curvas Z, que hablan del nivel de las curvas (altura de ellas), por tanto valores altos indican curvas altas y valores bajos, curvas bajas. Si Z Z aumenta ( Z), cuesta más deformar.
Q Q def autodifusión RT def
e
Acero inoxidable ferrítico
T def (d/dt)
Z
(i).- 1< *: el material no ablanda por restauración dinámica, pero si restaurará estáticamente, sin recristalizar estáticamente. (ii).- *< 2< ss: Hay ablandamiento por restauración dinámica (formación de subgranos relacionados con Z) y el material sigue el ablandamiento por restauración estatica y puede que por recristalización estática (iii).- 3> ss: Lo mismo que antes pero seguro que hay recristalización estática. En este caso, el nivel de es independiente del nivel de dado al material.
Restauración dinámica (Urcola).
COMPORTAMIENTO EN CALIENTE DE METALES Y ALEACIONES Materiales con baja energía de defectos de apilamiento ( SFE) Cuando hay recristalización dinámica, el aspecto de las curvas σ- resulta diferente. La figura 1 ilustra las curvas en un acero de 0.25% C deformado en estado austenítico a 1100 °C (0.76Tf ). Para altos valores de (d/dt) se ve la forma típica de la recristalización dinámica: después de un pico correspondiente al régimen transitorio se observa una caída de la tensión o ablandamiento producido por el comienzo de la recristalización dinámica, seguido de una tensión estacionaria resultado de la continua recristalización dinámica. Las curvas están más altas cuando el material es más duro, luego al igual que los materiales con alta energía de defectos de apilamiento ( SFE), las curvas ascienden cuando aumenta la velocidad de deformación y baja la temperatura de deformación (Tdef ). En la curva se distinguen varios dominios: 1.- Zona donde se sigue la ley de endurecimiento 2.- Zona de ablandamiento por recristalización dinámica 3.- Zona final < r : el material se endurece por deformación en caliente, el material no ablanda dinámicamente. <0.8 p: al superar r se alcanza un número crítico de defectos que nos da una restauración dinámica pero débil. En general, predominará el endurecimiento por deformación. r<
0.8 p< < ss: sucederá una restauración dinámica débil si se compara con la recristalizació dinámica (iniciada cuando ). recristalización dinámica
1100 °C
ECUACIONES QUE DESCRIBEN LOS PROCESOS DE RECRISTALIZACIÓN Y ABLANDAMIENTO (LEY DE COMPORTAMIENTO) En el conformado en caliente la dependencia de entre , T, y (d/dt), (ley de comportamiento), responde a la relación:
A sh
k
e
Q def RT def
(1)
A y = Constantes del material k = Constante próxima a 5 para la mayor parte de los metales Z Q def = Energía de activación para restauración dinámica Z = Parámetro de Zener-Hollomon
A diferencia de la conformación a elevada temperatura, la deformación en frío de un material metálico depende solamente de la acritud. La ley de comportamiento en frío es del tipo = f (); no depende de (d/dt), o lo que es lo mismo, es independiente del tiempo, y suele ajustarse a la relación = Kn, propuesta por Ludwik
Para cualquier aleación metalica monofásica, se llama ley de comportamiento, porque en uno de los términos aparecen las variables ingenieriles , que se pueden controlar temperatura y velocidad de deformación y se denomina ecuación constitutiva del material , porque en el otro término se contempla cuanto de duro o blando es el material (), puesto que A, y k son constantes. Obsérvese que para cada material metálico la tensión de fluencia en caliente, σ, depende de la temperatura T y de la velocidad de deformación (d /dt) —para una temperatura dada, el valor de σ es tanto mayor cuanto mayor sea la (d/dt) requerida— pero no depende del grado de reducción (siempre y cuando se haya sobrepasado una cierta deformación umbral crítica). Nótese, también, que para cada tensión de fluencia aplicada, la velocidad de deformación se incrementa Q exponencialmente con la temperatura: def
(Cte)e
RT def
La velocidad de deformación sigue la ley de Arrhenius al igual que ocurre en otros casos, como por ejemplo, la velocidad de difusión de un líquido en otro; la de oxidación de un metal; la de corrosión; la de nucleación durante una solidificación , etc. En la ley de comportamiento en caliente subyace, por tanto, que la velocidad de deformación viene determinada por la difusión de materia. Conviene subrayar que la ley de comportamiento [Ecuación (1)], para deformación a altas temperaturas y tamaños de grano superiores a 1 micra, es universal: sirve lo mismo para el conformado en caliente, que para la
Velocidad de deformación, d /dt, en función de la temperatura (para tensión de fluencia constante )
ECUACIONES QUE DESCRIBEN LOS PROCESOS DE RECRISTALIZACIÓN Y ABLANDAMIENTO (LEY DE COMPORTAMIENTO) 1
Nota:
En caliente:
h0 dh 1 dh d h Ln Velocidad de conformado h dt dt h0 dt h dt h0
d
d dt
f f
no es función de
Para diámetros de grano muy finos y comportamiento superplástico m igual al 1 , el valor de a depende, además, del diámetro de grano d. La ley de comportamiento es del tipo:
2
A d e
Q
RT
Nos vamos a centrar en dos procesos: conformado industrial y fluencia “creep”
1.-CONFORMADO INDUSTRIAL En el conformado industrial en caliente, las tensiones aplicadas son elevadas (20-100 MPa) y las velocidades de deformación (d/dt) también lo son (5 s -1 – 150 s-1 ), con el fin de aumentar la productividad.
A sh
k
Q def RT def
e
Z
Cuando la tensión aplicada es elevada, entonces: >1.2 x
shx
e
e
x
(x
2
)
Cuando se tiene que: ex y e-x , con lo cual se puede despreciar el segundo término respecto al primero, quedando: x shx
e
Por tanto:
A sh
Be
Z
k
A 2
k
(x
2
)
A
k
e 2k e k
Be
Ley exponencial de la deformación en caliente
o en función de la velocidad de deformación Qdef RT def
Be e
Se denomina "conformado o deformación en caliente" aquel que, realizado a temperaturas superiores a 0.75TE produce grandes deformaciones (e entre 0.5 y 5) a velocidades de deformación (d/dt) comprendidas entre 10-2 y 103 s-1. Ello requiere aplicar una tensión de fluencia acorde con la ley de comportamiento.
1.-CONFORMADO INDUSTRIAL Ventajas e inconvenientes de la deformación en frío respecto a la deformación en caliente y viceversa: Ventajas de la deformación en caliente : 1.- Para una deformación dada () las tensiones de deformación promedio son pequeñas ( def ). 2.- En caliente deformamos TC = (20-25)TF (frío). Alargamientos 25 veces más en caliente que en frío (la ductilidad total es mucho mayor, T ). 3.- En caliente, superado el valor de pico (P) alargar más no cuesta más esfuerzo, por lo tanto el nivel de tension () de la deformación en caliente es independiente de . 4.- La solidificación suele ser dendritica con defectos de microrrechupe, macrorecchupe, microsegregción y macrosegregación. En laminación el material debe tener buena calidad. El microrrechupe es un hueco con superficies limpias, luego a altas temperaturas pueden soldarse de manera perfecta. El macrorecchupe no se puede eliminar pero se aminora. Inconvenientes de la deformación en caliente: 1.- La rugosidad superficial puede ser mala, ya que al aumentar la temperatura, la oxidación superficial es mayor (la oxidación es un proceso difusional que depende de la temperatura) T Oxidación superficial RT (Rugosidad total), Ra (Rugosidad media) 2.- Baja tolerancia dimensional. En caliente es difícil controlar las tolerancias dimensionales (figura) 3.- La planicidad del material es mala. 4.- Tredundante : FR (fuerza de rozamiento)
2.- FLUENCIA O “CREEP” Muchas estructuras —especialmente aquellas relacionadas con la energía, como turbinas, reactores, máquinas de vapor, plantas químicas,…— funcionan a temperaturas mucho más altas que la temperatura ambiente. A temperatura ambiente, la deformación de la mayoría de los metales y cerámicos depende de la tensión y, a efectos prácticos, es independiente del tiempo: = f (σ) sólido elástico/plástico (Comportamiento a baja temperatura) A medida que aumenta la temperatura, las cargas que no provocan deformación permanente a temperatura ambiente sí pueden producir fluencia en los materiales. La fluencia es una lenta y continua deformación con el tiempo. La deformación, en lugar de depender sólo de la tensión, pasa a depender ahora del tiempo y de la temperatura: = f (σ, t, T)sólido deformándose por fluencia(Comportamiento a alta temperatura) Fluencia: Proceso de deformación en caliente no deseado La utilización industrial de los materiales metálicos a temperatura superior a 0.5TE suele ser inviable porque sometidos a cargas inferiores a su límite elástico, se deforman plástica e intergranularmente. Este tipo de deformación, que en castellano se denomina fluencia, se conoce internacionalmente con el nombre de creep. La temperatura a la cual los materiales experimentan fluencia depende de su punto de fusión. Con carácter general, se ha encontrado que la fluencia comienza cuando: T> (0.3-0.4)TM para metales T> (0.4-0.5)TM para cerámicos
2.- FLUENCIA O “CREEP”
La figura 1 corresponde a la relación entre carga y tiempo de rotura para el aluminio de pureza 99.3 %, ensayado a diversas temperaturas. Para cada temperatura puede observarse una línea quebrada formada por dos tramos de distinta pendiente. Los ensayos en la zona de menor pendiente presentan roturas con deformación previa, transcristalina, en el interior de los granos. Figura 1.- Rotura por creep: tensiones y tiempos de rotura (De la Torre). (Sobre las curvas figuran los alargamientos a rotura).
En cambio, en la zona de mayor pendiente, correspondiente a menores cargas aplicadas, se advierte que la rotura se produce al cabo de mayor tiempo y con menores alargamientos. Al observar la microestructura se aprecia que el interior de los granos no presenta deformación y que la rotura es intergranular (rotura por creep). Para temperaturas superiores a (0.5-0.6)Tf (temperatura equicohesiva) la resistencia mecánica de las juntas de grano es menor que la del interior de los granos (contrariamente a lo que ocurre a temperaturas inferiores a la equicohesiva). Por ello, aplicando una tensión pequeña, aunque resulte insuficiente para producir una deformación en el interior de los granos por
FRACTURA TRANSGRANULAR LAS GRIETAS SE PROPAGAN CORTANDO LOS GRANOS
FRACTURA INTERGRANULAR LAS GRIETAS SE PROPAGAN A LO LARGO DE LAS FRONTERAS DE GRANO
2.- FLUENCIA O “CREEP” Interesa el estudio de dos curvas: (a) Deformación () frente al tiempo (t); (b) Tensión ( ) frente al tiempo (t). (Tensión-rotura, stress-rupture – S/R-) (a).- Curva: Deformación ( ) frente al tiempo (t). El gráfico es específico para tensión constante ( = Cte, presión en el interior de una tubería, el propio peso,…). Si
hubiéramos tomado temperatura constante y tensiones crecientes, los gráficos que se obtendríamos serían homólogos El creep, si se considera parametrizable, se obtiene como suma de tres regímenes:
0
t
1
e
rt
t
Curva derivada a T=T1
ss
Industrialmente interesa como y cual es la curva derivada de la /t, es decir la referente a la velocidad de deformación.
2.- FLUENCIA O “CREEP” I.- Fluencia primaria La velocidad de deformación disminuye. Es un período donde participan las fases instantánea y transitoria, donde la que domina es la segunda (i+t). Proceso dominante a baja temperatura (T10.3TE). Caso típico del Pb a temperatura ambiente
• •
•
II.- Fluencia secundaria o estacionaria Coexisten los regímenes instantáneo y viscoso, predominando el viscoso (i+v). La velocidad de deformación es constante
• •
II SS
Es la etapa más duradera de las tres (t II > tI, tIII) Es el periodo de más interés ingenieril por determinar una ley de comportamiento. Comienza la formación de cavidades pero no se produce una descohesión permanente. Por difusión de lagunas y por climbing de dislocaciones va teniendo lugar una restauración o relleno de pequeñas oquedades.
• • •
III.- Fluencia terciaria • • •
Aumenta la velocidad de deformación Su duración es corta (tIII ) Coexiste el transitorio con el viscoso (t+v)
Ley de comportamiento del creep. Partiendo de la ecuación:
A sh
σCreep « σlaminación, forja σCreep σ<0.8 Luego:
A sh
x
shx
k
A
e
e
A
e
A
x
e
x
3
3!
x
k
RT creep
Z
5
5!
... ( x
k
Qcreep
Qcreep RT creep
x
k
k
2
Sustituyendo: k
k
)
x shx≈x
Z
o bien (Ak=Cte=K1):
K1 k e
Qcreep RT creep
( Ley del creep)
Tomamos un caso particular: T=Cte, de donde: [-Q/RT] = Cte exp[-Q/RT] = Cte=K2
K1K 2 k
C k ( Ley
potencial del creep para T
Cte )
Mecanismo de fluencia plástica (regida por la ley de potencias) La tensión requerida para deformar plásticamente un material cristalino es la necesaria para mover las dislocaciones contenidas en el cristal. A su movimiento se oponen: (a).-la resistencia intrínseca de la red cristalina (b).- el efecto obstructor de los obstáculos (por ejemplo átomos de solutos disueltos, precipitados formados por átomos de solutos no disueltos u otras dislocaciones). La difusión atómica puede "desbloquear" las dislocaciones de sus obstáculos, y el movimiento de las dislocaciones desbloqueadas bajo una tensión aplicada es lo que origina la fluencia plástica.
Figura 1
¿Cómo ocurre el desbloqueo? La figura 1 muestra una dislocación que no puede deslizarse porque un precipitado bloquea su trayectoria. La fuerza de deslizamiento b por unidad de longitud está compensada por la fuerza de reacción f 0 del precipitado. Pero a no ser que la dislocación interaccione con el precipitado en su plano medio (suceso muy improbable), aparece una componente de la fuerza btan(θ), que empuja a la dislocación hacia fuera de su plano de deslizamiento. La dislocación no puede deslizar hacia arriba cizallando planos atómicos, pero la dislocación puede moverse hacia arriba si los átomos de la parte inferior del semiplano son capaces de difundir hacia fuera (Figura 2). La ley de Fick se estableció que la difusión está gobernada por diferencias en concentración. Una fuerza mecánica puede hacer exactamente lo mismo y orientar la difusión de los átomos fuera de la dislocación "sometida a carga", eliminando átomo a átomo el semiplano atómico extra hasta que pueda superar al precipitado. Este proceso es el "trepado" y, puesto que requiere de la difusión, sólo puede ocurrir a temperaturas elevadas. El mecanismo de trepado desbloquea las dislocaciones sujetas por precipitados; superados éstos, el deslizamiento puede continuar (Figura 3) hasta el siguiente obstáculo, repitiéndose otra vez el ciclo completo. Para otros obstáculos, como solutos u otras dislocaciones, el mecanismo de desbloqueo es similar. Esto explica la naturaleza progresiva y continua de la fluencia y el papel de la difusión.
k
Q
RT
La dependencia de la velocidad de fluencia con la tensión aplicada σ se debe a la fuerza de trepado: a mayor σ, mayor será la fuerza de trepado btan(θ), más
Figura 2
Figura 3
Mecanismo de fluencia por difusión
Q
A tensiones bajas, la velocidad de fluencia disminuye rápidamente K1 k e RT (n tiene un valor comprendido entre 3 y 8). Sin embargo, la fluencia no se detiene, en su lugar aparece un mecanismo alternativo. Como se puede observar en la figura 4, en respuesta a una tensión aplicada, σ, un material policristalino puede deformarse mediante el alargamiento de sus granos; aquí, σ actúa otra vez como fuerza impulsora mecánica, pero ahora los átomos difunden entre las caras de los granos cristalinos sin que las dislocaciones se vean implicadas. A valores altos de T/TM, este proceso de difusión tiene lugar a través de todo el cristal, es decir, por difusión en volumen. La velocidad de fluencia es, por tanto, proporcional al coeficiente de difusión D y a la tensión σ (porque σ impulsa la difusión en la misma dirección que dc/dx lo hace en la ley de Fick) y la velocidad de fluencia varía con 1/d2, donde d es el tamaño de grano (pues cuando d se hace grande, los átomos tienen que difundir a mayores distancias). La ecuación constitutiva es: Q D C ' RT C 2 e 2 d d
donde C y C' = CD0 son constantes. Para valores pequeños de T/T M, cuando la difusión en volumen es baja, la difusión en los bordes de grano contribuye significativamente, aunque la velocidad de fluencia sigue siendo proporcional a σ. El deslizamiento de los bordes de grano es un mecanismo auxiliar de este proceso para que no se creen huecos entre granos. La difusión a través de la superficie es la más rápida, seguida de la difusión en la junta de grano y la de volumen. Elegida una temperatura T, a temperaturas mayores ( T)manda la difusión en volumen (se agrupan todas las líneas) y a temperaturas inferiores ( T) manda la difusión en juntas de grano (aunque la difusión a través de la superficie es
Figura 4
Mecanismo de fluencia por descohesión inte rgranular En la etapa II hay una formación de huecos o cavidades denominadas huecos de cavitación (damage, dañado estructural del material) contrarrestado con una velocidad de tapado de huecos. Estos huecos se producen por cizallamiento. V(Huecos de cavitación) = V(Taponamiento) Los huecos de dañado no progresan son inmediatamente tapados. Mecanismo de descohesión intergranular (Dieter): En el límite de las etapas II y III empiezan a dominar los huecos y hasta rotura. ruptura en puntos triples y Progresan las entallas y con eso la rotura (Vhuecos > Vtapones) cavitación. La formación de otros huecos de cavitación que se efectua por: (i).- Deslizamiento de juntas de grano o rotación de granos : el hueco aparece en un punto triple. (ii).- Cizallamiento de dislocaciones sobre una junta de grano: el hueco aparece en la junta de grano
Los microvacíos no pueden soportar/transmitir carga, ésta se reparte entre la sección del borde de grano que aún permanece intacta. La consecuencia es que los microvacíos crecen cada vez más deprisa hasta que la total unión entre ellos produce el colapso.
Durante la fluencia, el daño, en forma de defectos y cavidades internas, se acumula. El daño aparece al comienzo de la tercera etapa de la curva de fluencia y aumenta a una velocidad progresivamente creciente. La forma de la curva de fluencia en esta etapa (Figura 1) refleja que, a medida que las cavidades crecen, la sección de probeta que soporta la carga disminuye y (a carga constante) la tensión crece. Puesto que (d/dt) y σn son proporcionales, la velocidad de fluencia crece más deprisa que la tensión (Figura 2). El tiempo hasta el fallo, tf , se expresa mediante una ecuación constitutiva muy similar a la de la fluencia:
t f
1
A '
m
Q
e
RT
En esta expresión, A', m y Q son las constantes de fallo por fluencia, que se determinan de la misma manera que las constantes de fluencia [los exponentes tienen distinto signo porque t f es tiempo, mientras que (d /dt) es velocidad]. En muchas aleaciones de alta resistencia el daño por fluencia aparece muy pronto en la vida de servicio del material, fallando a deformaciones pequeñas (tan pequeñas como del 1 %). En diseño a alta temperatura es importante asegurarse de que: (a).- la deformación de fluencia fldurante la vida de diseño es aceptable (b).- la ductilidad de fluencia ef fl (deformación de rotura) es compatible con la deformación de fluencia aceptable (c)el tiempo hasta el fallo, tf , a las cargas y temperaturas de diseño, es mayor que la vida de diseño (con un factor de seguridad adecuado)
Curvas S/R (Tensión-Rotura) Los tiempos hasta el fallo se presentan normalmente en forma de diagramas de fluencia-rotura. Su utilidad es obvia: si se conocen la tensión y la temperatura, se puede averiguar fácilmente la vida del material. Si se desea diseñar para una cierta vida a una cierta temperatura, la tensión de diseño queda determinada. Como se puede observar si aumenta la temperatura, la tensión a aplicar es menor. Las curvas S/R son las más usadas para el análisis del creep. Se obtienen ensayando distintas probetas a tracción a distintas temperaturas
(A): Roturas transgranulares: roturas con deformación previa en el interior de los granos (B): Roturas intergranulares: la rotura se produce al cabo de mayor tiempo y con menores alargamientos. Al observar microestructuras se aprecia que el interior de los granos no presenta deformación y que la rotura es intergranular (roturas por creep). Rotura de junta de grano por
Ventajas e inconvenientes de las curvas S-R y creep.
Las centrales térmicas exigen el comportamiento en creep para el 1 % de deformación a las 100000 horas. Quieren trabajar con esa especificación, porque apenas se puede parar la central para revisiones. En aeronáutica se admite el 1 % a las 10000 horas (se revisan más)
¿Cuándo ocurre el fallo?;
(d/dt) = /t;
(d/dt)fallo = fallo/tfallo = f /tf
El alargamiento al fallo viene definido por la empresa: f (%)< 1 % (como en la aeronáutica), luego f =Cte la fija el comprador C2
Uso de los ábacos σ-LMP (Larson Miller Parameter) (Figura 1): tienen forma parabólica donde la propia curva también supone un punto de fallo. La tensión de trabajo en una tubería es σθ (circunferencial) (Figura 2). Con cada valor de la presión interior (Pi) se puede obtener una tensión de trabajo ( σTra) y con ello cuanto durará a la temperatura de trabajo mediante la ley de Larson-Miller Por tanto, con el valor de LMP obtenido con el ábaco, fijando una tensión , se puede obtener:
Figura 1
(i).- Temperatura de trabajo conocida, obtenemos log(tf ) y con ello el tiempo de fallo (tf ). (ii).- Tiempo de trabajo conocido Obtenenos la temperatura de trabajo (Tf ) Todo esto se complementa con el ábaco que se detalla en la figura 3
El parametro de Hollomon-Jaffe [ Ablandamiento después de revenido = T(K+logt)] establece el comportamiento del material ante los revenidos. Este parámetro relaciona t-T de manera similar a Larson-Miller, luego complementa a este último.
Figura 2
