Procesos de recocido

Ingeniería mecánica. Tratamiento térmico. Recocido isotérmico, anisotérmico. Poligonización

  • Enviado por: Adrigus
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 10 páginas
publicidad
publicidad

Procesos de recocido

Un tratamiento térmico de recocido puede graficarse de la siguiente forma.

La pieza se calienta se mantiene durante un tiempo y luego se enfría muy lentamente (5 a 10 (C/h).Tener en cuenta que un temple tiene una velocidad de 300 C/seg.

Existen muchos tipos de recocidos. Uno de los procesos para los cuales se usa es el siguiente: vamos a estudiar el proceso de recocido que conduce a una serie de procesos que concluyen con la regeneración de la estructura, cuando una muestra sé esta deformando plásticamente.

Cabe observar que la muestra debe estar previamente deformada. Si no lo resta, también se le puede hacer un recocido pero el resultado será distinto al que analizaremos.

Supongamos que tomamos una muestra de Al puro la pulimos y observamos al microscopio .



Luego deformamos la muestra en un tren laminador y la observamos.

Luego colocamos la muestra en un horno a una temperatura de200 C durante 1 hora y observamos en el microscopio, viéndose una estructura libre de deformación similar a la inicial. El tamaño de grano y el numero de dislocaciones son del mismo orden que las iniciales.

La etapa que de la fig. 2 a la 3 y 4 se denomina recristalizacion y es el reemplazo de una estructura deformada por una nueva.

El paso se debió a una disminución de la energía del sistema, que es energía elástica debida a las dislocaciones que disminuyen 10 6(diez a la sexta) veces. La energía que disponía la muestra era la absorvida por la deformación que es del orden del 10% de la energía inicialmente entregada al tren laminador.

Pero además hay defectos puntuales,etc.

Al proceso lo podemos dividir en 3 etapas(4 etapas):

  • Recuperación o restauración.

  • Recristalizacion

  • Crecimiento de grano.

Y se suele incluir una 4ta etapa comprendida entre la 1ra y la 2da que se denomina poligonizacion.

Vamos a construir un gráfico teniendo en cuenta la resistividad eléctrica y la dureza en función del tiempo.

El proceso de recocido se puede hacer en 2 formas: isotérmico y anisotermico. En el recocido anisotermico el metal trabajado en frío se calienta continuamente desde una temperatura mas o menos baja y la liberación de energía se determina en función de la temperatura.

En el recocido isotérmico se mide la energía liberada mientras se mantiene la probeta a una temperatura constante. En el gráfico que construiremos, consideramos un recocido isotérmico.

La resistividad eléctrica crece al ser deformado el metal. La conductividad depende de los electrones, los que son depositados en el retículo cristalino. Pero las redes no son perfectas, y todas las perturbaciones que tiene estas, tienen efecto sobre el campo eléctrico existente, de manera que al aumentar las perturbaciones o defectos se incrementa la resistencia a la circulación de los electrones.

Sin embargo tienen mucho mas importancia en la resistividad los defectos puntuales que las dislocaciones, y en especial las vacancias. Hay una relación prácticamente lineal entre las vacancias y la resistividad. Lo que hay que averiguar es por que aumenta el numero de vacancias al ser deformada la pieza.

Habíamos visto que cuando se juntan 2 dislocaciones de distinto signo, dejan una fila de vacancias(es una de las posibilidades). Otro motivo de formación de vacancias es la existencia de codos.

Colocamos la muestra en el horno a una temperatura dada y dejamos trascurrir el tiempo , produciéndose las 3 etapas apuntadas.

Durante la etapa I, la resistividad cae lenta hasta niveles similares a la que tenia la muestra al principio. Luego, en las etapas II y III se mantienen casi constantes decreciendo lentamente.

Si el proceso no fuese isotérmico se podría hacer la etapa I a una temperatura mucho menor que la que correspondería a temperatura ambiente es caliente para el Pb y fría para Cu , por lo que es necesario definir que es frío y que es caliente para un determinado metal.

Si el metal no ha sido deformado mucho, no podemos lograr la recristalizacion. Existe un umbral mínimo de deformación para el cual el metal puede recristalizar. Vamos a suponer que tenemos una muestra deformada en forma importante (60% de reducción de espesor). Si para distintos metales hacemos esa reducción de espesor y a estos distintos metales les hacemos el proceso de recocido, de manera de lograr la recristalizacion de la muestra en 1 hora, la temperatura a la que se pruduce es la temperatura de recristalizacion(Tr).

Si para distintos metales si se anotan la temperatura de fusión y la de recristalizacion obtenidas, se obserbara que existe una relación entre ambas: Tr=0.4Tf((K).

Por lo tanto para el Cu 240 (C , resulta frío y 300 (C resulta caliente.

Haciendo lo mismo para el Pb :

Tr(Cu)=640 °K=270 °C

Tr(Pb)=240 °K =-33 °C

Por lo que el plano recristaliza solo al pasar por una trefiladora.

El plano deformado a temperatura ambiente no se endurece.

Durante la etapa I, lo que hacemos es proponer mecanismos de difusión que actúan sobre los defectos puntuales, recuperándose las propiedades que dependen de estos defectos(por ejemplo la resistividad). En este caso los defectos lineales no tienen por que resultar afectados ya que la difusión no los molesta.

Veamos que ocurre en la poligonizacion. En un apilamiento, la acción es mas marcada que cuando están las dislocaciones dispersas. Si pasamos de un apilamiento a un conjunto de dislocaciones dispersas(de igual numero), se produce un descenso de energía.

A fenómenos de este tipo se debe la pequeña disminución de dureza que se da en la zona I.Luego hay un descenso más rápido cuando aparece la poligonizacion.

Durante la etapa de poligonizacion, se si se tiene configuración de dislocaciones dispersas, es de mayor energía que a la que vamos a arribar.

Como todas las dislocaciones están en un mismo octante tienden a rechazarse. Ya sea el recocido iso o anisotermico, la difusión ya ha actuado en mayor forma en la en la etapa I.

La tendencia de las dislocaciones es trepar(para que no queden los mismos signos)y una vez que están todas en el mismo plano tienden a ponerse una encima de la otra.

Primero trepar(para escapar de los campos de tensiones)y luego se atraen para formar un sublimite de grano (subestructura granular).

El fenómeno de poligonizacion se produce por el hecho de que hay muchas dislocasiones (con todas) que eran del mismo signo.

Si embargo todavía no ha habido el cambio de estructura. Todavía suponemos las 1012dislocaciones /cm2 de la muestra deformada, conservándose el porcentaje de la energia. Vamos a ver que esta energía se usara para la formación de una nueva estructura a partir de un mecanismo de similar al de solidificacion, es decir por medio de nucleacion, con la diferencia que ahora los cristales se nutren de sólido en lugar de liquido. Los cristales nuevos crecen con 10 6 dislocaciones/cm2 y los viejos tienen10 12 d/cm2, por lo que la fuerza repulsora viene dotada por esta diferencia de energias. Estos nuevos cristales crecen en forma similar a la vieja estructura(la no deformada).

Puesto que la fuerza impulsora es la energía elástica acumulada, es lógico suponer que los núcleos se ubiquen en las zonas de mayor energia, tales como intersecciones de líneas de deslizamiento, intersecciones gemelas de deformación y áreas cercanas a los limites de granos.

En una estructura deformada, donde la densidad de dislocaciones es maxima, se ubicaran los centros de energia. Todas las zonas próximas al borde de grano son el lugar donde se acumulan las dislocacionesy son por lo tanto, los núcleos de crecimiento (próximo al borde y no en el borde). Se supone que los núcleos existen y que simplemente y que simplemente cuando en función de la temperatura se les proporciona la posibilidad de crecer, crecen. Si no se les suministra la temperatura necesaria para crecer quedan ¨dormidos¨.

Al ser la temperatura mas alta, mayor será la cantidad de núcleos formados(pueden crecer)y el único cambio que hay entre el cristal y nuevo y el viejo es el numero de dislocasiones(las 2 redes son iguales). Entonces los núcleos son zonas que tienen bajo numero de defectos. Por ello es que no requiere un tiempo de nucleacion porque el núcleo ya existe.

Si se traza un gráfico % derecristalizacion -tiempo, será :



Al principio y al final la velocidad de recristalizacion es lenta y en el tercio medio es rapida. Se podría llevar a cabo el proceso de recristalizacion a una temperatura menor(T3), lo que conduciría a tiempos más largos y a una temperatura mayor(T4) con tiempos menores.

Como es muy difícil definir el 100% de recristalizacion ya que las curvas son asisntoticas, se definen 95% para poder definir la temperatura de recristalizacion(Tr). Esta es la temperatura a la cual se produce el 95%de recristalizacion en 1 hora.

Resumiendo, durante todo el proceso de recristalizacion hay una disminución de las propiedades mecánicas(dureza y resistencia mecánica) y un ascenso de la ductilidad.

Variables que afectan a la Tr :

Las más importantes son:

a)grado de deformación previa

b)Tamaño de grano

c)Pureza

d)Grado de recristalizacion

a)Uno de los efectos más importantes es el de la energía de deformación plástica acumulada. La Tr dependerá de la magnitud y del tipo de deformación (plegado, embutido, etc.).

Si la deformación es mayor, es la energía almacenada, disminuyendo la Tr.El tope de energía acumulada es del orden de 10 a 12% de la energía entregada.

b)Una segunda variable que afecta a la Tr es el tamaño de grano de la muestra. Para la misma deformación, una muestra con tamaño de grano pequeño tendra una mayor densidad de energía almacenada y por lo tanto una Tr menor.

c)Una tercera variable es la pureza o presencia de impurezas. Suponemos que hay nucleacion y crecimiento, y por lo tanto desplazamiento de la interface(borde de grano en este caso). Las impurezas se sitúan en el borde de grano frenando el avance de la interface. Por lo tanto, al ser mayor el tenor de impurezas es mayor la Tr.

d) Una variable adicional es el grado de recuperación previa. Al someter una muestra al recocido(iso o anisotermico) se produce antes de la recristalizacion la etapa de recuperación consumiendo parte de la energía para recuperar la muestra.

Por la tanto, cuanto mayor sea el grado de recuperación previa, mayor es la energía utilizada y por lo tanto debe ser mayor la Tr.

Existen otras variables que modifican la Tr, pero estas 4 son las principales.

Analizaremos la energía entregada por la muestra: se intruduce una muestra en una bomba calorimetrica y el proceso de recocido se hace isobaras(aunque puede hacerse por otro camino).



El primer pico corresponde a la cesión de energía de la muestra en la etapa de recuperacion. La segunda curva o pico corresponde a la recristalizacion y queda un remanente para el crecimiento del grano. Las 2 curvas se superponen, lo que indica que la recristalizacion y la recuperación se superponen.

El total de la energía que la muestra entrego es el área que esta por debajo de la curva.

Si hiciéramos el estudio a otra temperatura se tendría:



Disponiéndose de mas energía para la recristalizacion y siendo la temperatura de recristalizacion menor.

La recristalizacion empieza al poco tiempo de haber comenzado la recuperación.

En cambio en el caso, en el caso siguiente se requeriría una temperatura de recristalizacion mayor(el primero es el intermedio de estas 2).

Crecimiento de grano

Para la etapa de crecimiento de grano no es necesario que la muestra este deformada. La fuerza impulsora sale del borde del grano. Si tenemos una muestra con muchos granos, hay mucha energia, lo que disminuye al disminuir el numero de granos(aumentan el tamaño).

Cuando sometemos una pieza no deformada a la acción de temperatura, crecerán sus granos a expensas de la energía de los bordes. Si observamos una muestra, los cristales tienden a tener la forma hexagonal en un corte y disponiéndose en exahedros en el espacio.

Como no todos los granos son hexagonales, los que tienen mas de 6 lados, tienden a crecer en tamaño consumiendo a los cristales de menos de 6 lados, a la vez que tienden a disminuir el numero de lados a la cantidad de equilibrio (6).

No es posible que un cristal consuma a todos los otros formando un monocistal, si no que se produce un equilibrio entre ellos.

Para una deformación dada, nos conviene llevar a cabo el proceso de recristalizacion a una temperatura alta ya que tendremos mas embriones disponibles a crecer a crecer y obtendremos una estructura de grano fino; teniendo en cuenta de hacerlo en un tiempo corto porque se puede producir el crecimiento del grano.

1