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Profesor: Alberto

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Lección: Recocido y Trabajo en Caliente David Sales Léridaa) Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica Escuela Politécnica Superior Universidad de Cádiz Avda. Ramón Puyol s/n, 11202, Algeciras, Cádiz, España. (Dated: 7 de diciembre de 2012) Se expone aquí de forma detallada la lección impartida en la asignatura Ingeniería y Tecnología de Materiales, del Grado en Ingeniería y Tecnologías Industriales. I. INTRODUCCIÓN En el tema anterior se estudiaron los mecanismos de deformación plástica por deslizamiento y por maclaje y el efecto del trabajo en frío sobre las propiedades del metal. Como resultado del trabajo en frío aumentan · la dureza, · la resistencia a la tracción, · la resistividad eléctrica, · el número de dislocaciones, y · la distorsión de ciertos planos en la estructura cristalina. disminuye la ductilidad. Mientras la mayor parle de la energía utilizada para trabajar en frío el metal se disipa en forma de calor, una cantidad es almacenada en la estructura cristalina como energía interna asociada can los defectos de la red creados par la deformación. La energía almacenada del trabajo en frío es aquella fracción de la energía introducida en el material mientras se produce un trabajado en frío que se queda retenida en el material, suele tener valores entre el 1 y el 10 %. La Figura 1 muestra la relación entre la energía almacenada y la cantidad de deformación en cobre de alta pureza. El recocido total (en ingles full annealing) es un tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío. Este proceso se efectúa totalmente en el estado sólido y generalmente Ie sigue un enfriamiento lento en el horno desde la temperatura deseada. Puede utilizarse para eliminar totalmente el endurecimiento por deformación conseguido durante el trabajo en frío; el componente nal será blando y dúctil, pero conservando Figura 1. Energía almacenada por trabajo en frío y fracción del trabajo total que permanece como energía almacenada para cobre de alta pureza, representados en función de la elongación por tensión. Tomada de la referencia [4]. el acabado supercial y con una tolerancia satisfactoria. O bien, después del recocido, podría seguir aplicándose trabajo adicional en frío, ya que la ductilidad ha sido restablecida. Combinando ciclos repetidos de trabajo en frío y de recocido, se pueden alcanzar grandes deformaciones totales. Finalmente, el recocido a baja temperatura puede utilizarse para eliminar esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frío, sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza terminada. II. ETAPAS DEL PROCESO DE RECOCIDO El proceso de recocido puede dividirse en tres etapas: recuperación, recristalización y crecimiento de grano. A. Etapa 1: Recuperación [email protected]; This article is licensed under a C reative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Unported License. Creado a partir de la obra en http://campusvirtual.uca.es. a) La microestructura original trabajada en frío está compuesta por granos deformados con gran número de dislocaciones entrelazadas. Cuando al principio se calienta el metal, la energía térmica aportada permite 2 Figura 2. Efecto de la recuperación sobre la microestructura de un metal trabajado en frío. (a) Metal trabajado en frío, donde los granos están estirados y con un alto número de dislocaciones. (b) Después de la recuperación las dislocaciones se mueven formando las futuras fronteras de grano. que las dislocaciones se muevan y formen los bordes de lo que será la nueva estructura subgranular al nal del recocido (ver Figura 2). Sin embargo, la densidad de las dislocaciones se mantiene virtualmente sin modicación. Este tratamiento a baja temperatura se llama recuperación. Como durante la recuperación no se ha reducido el número de dislocaciones, las propiedades mecánicas del metal quedan relativamente igual; sin embargo, al reordenar las dislocaciones se reducen o incluso se eliminan los esfuerzos residuales; esta recuperación a menudo se conoce como recocido para eliminación de esfuerzos. Además, la recuperación restablece la conductividad eléctrica al metal, permitiendo producir alambres de cobre o de aluminio más resistentes para transmitir energía eléctrica con una conductividad elevada. Finalmente, la recuperación a menudo mejora la resistencia del material a la corrosión. Figura 3. (a) Efecto del trabajo en frío sobre las propiedades de una aleación de Cu 35% Zn. (b) Efecto de la temperatura de recocido sobre las propiedades de Cu-35 % Zn trabajado en frio al 75 %. Figura 4. Evolución de la microestructura en las distintas etapas del recocido: al inicio (a), en la recuperación (b), recristalización (c) y el aumento del tamaño de los granos recristalizados (d). C. Etapa 3: Crecimiento de Grano B. Etapa 2: Recristalización Si seguimos calentando por encima de una determinada temperatura aparecen nuevos cristales en la microestructura (Figura 4(c)), con la misma composición y estructura cristalina que los granos originales no deformados y sin estar alargados, sino que son aproximadamente uniformes en sus dimensiones (equiaxiales). Los nuevos cristales suelen aparecer en las porciones del grano más drásticamente deformadas, por lo general en los límites de grano y los planos de deslizamiento, quedando eliminadas la mayoría de las dislocaciones. Dado que se ha reducido de manera importante el número de dislocaciones, el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero una elevada ductilidad. A temperaturas de recocido aun mayores, tanto la recuperación como la recristalización ocurren con rapidez, produciendo una estructura granular recristalizada na. Los granos empiezan a crecer, sin embargo, el crecimiento de ciertos granos es favorecido, lo cual elimina a los más pequeños (ver Figura 5). 1. Fuerza impulsora del crecimiento de grano Los granos grandes tienen menor energía libre que los pequeños, ya que el sistema tienen menos supercie en la frontera de grano; por tanto, en condiciones ideales, el menor estado de energía para un metal sería aquél que estuviese formado por un solo cristal. 3 Figura 5. Micrografías 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 recristalizaión 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 recristalizados (4s a 580 C). (d) recristalización completa (8s a 580 C). (e) Crecimiento del grano después de 15 min a 580 C. (f) Crecimiento del grano después de 10 min a 700 C. Adaptada de Callister. o o o o o 2. Tamaño de grano Figura 6. Efecto del trabajo en frío previo realizado frente al tamaño de grano recristalizado. Si en el recocido se favorece una nucleación rápida y un crecimiento lento, la estructura nal será de granos nos. Si por el contrario, se favorece una nucleación lenta y un rápido crecimiento, dará como resultado un material de grano grueso. Algunos factores que determinan el tamaño nal de los granos recristalizados son: 1. Grado de deformación previa: Cuanto más deformación haya sufrido el metal previamente, más favorecida estará la nucleación y, por tanto, el tamaño de grano será menor (ver Figura 6). Como se observa en el gráco, a la deformación crítica los granos crecen con un gran tamaño durante el recocido. A mayores grados de deformación existirá un mayor número de puntos altamente reforzados o de alta energía (defectos), dando lugar durante la recristalización a un número mayor de núcleos y, por último, a un mayor número de granos que no podrán alcanzar un gran tamaño, pues se encontrarán pronto con otros granos nucleados a poca distancia. 2. Tiempo en el que se mantiene la temperatura de recocido: cuanto más tiempo se mantenga una temperatura superior a la de cristalización, mayor será el grano nal. Este efecto se observa bien en las tres últimas micrografías (la de abajo) de la Figura 5 Figura 7. Efecto de la temperatura frente al tamaño de grano recristalizado. 3. Temperatura de recocido: Cuanto mayor sea la temperatura, siempre que sea superior a la temperatura de cristalización, más grueso será el grano nal (ver Figura 7). 4. Impurezas insolubles: Cuanto mayor sea la cantidad y más na sea la distribución de impurezas insolubles más no será el tamaño nal del grano. Aumentan la nucleación y actúan como barrera al crecimiento de los granos. III. EFECTO SOBRE LAS PROPIEDADES Como el recocido total devuelve al material una microestructura libre de tensiones internas, es esen- 4 reblandecimiento, y el material puede deformarse continuamente sin necesidad de aumentar la fuerza (ya que el material no se endurece). Los términos caliente y frío en la manera en que se aplica en el trabajo de metales, no tienen el mismo signicado que el ordinario; por ejemplo, el plomo y el estaño tienen una temperatura de recristalización inferior Figura 8. Representación esquemática de los ciclos de trabajo en frío y recocido, mostrando los efectos sobre las propiedades mecánicas y la microestructura. cialmente un proceso de reblandecimiento. Como se muestra en la Figura 8, los cambios en propiedades producidos por la deformación plástica se eliminarán, y el material vuelve casi a adquirir sus propiedades originales. IV. EL TRABAJO EN CALIENTE El trabajo en caliente consiste en trabajar un material por encima de su temperatura de recristalización. A. Línea divisoria entre trabajo en frío y trabajo en caliente Cuando un material se deforma plásticamente tiende a hacerse más duro, pero la intensidad del endurecimiento disminuye conforme aumenta la temperatura. Cuando un material se def

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