4.2 Las etapas del recocido
En la figura 4.52. referimos las
funciones del flujo calorífico, Fc
= f(t), y Le = f(t) obtenidas a partir de los datos de experimentación
en DSC y durezas correspondientes a los tiempos ti,
tm y tf de las probetas.
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Figura 4.52. Funciones Fc = f(t) y Le = f(t) para el acero F1110 con un 15% de alargamiento, recocido a 450ºC. |
Durante el proceso de recocido
isotermo a 450ºC se pueden observar tres etapas cuando se
comparan, bien las funciones de flujo térmico o bien las
de dureza. Estas están acotadas por:
1ª Etapa. | Comprendida entre el inicio y tiempo ti en el que se mantiene cuasiconstante, Fc = Fca, y en el que se produce una pequeña disminución del límite elástico que tenía con la deformación del 15%, del orden del 5%. Es la etapa que se define como de restauración, recuperación o de recocido contra tensiones. | ||||||
2ª Etapa. |
Se extiende entre los tiempos ti
y tf, los que marcan las diferencias fundamentales:
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![]() |
||||||
3ª Etapa. | Se extiende para los tiempos superiores a tf. En esta etapa sigue existiendo un flujo exotérmico Fc > 0 pero con gradientes muy bajos. Igualmente, la dureza macroscópica sigue descendiendo pero también con gradientes muy bajos. Tanto la disminución de energía libre como de dureza es consecuencia del aumento del tamaño de grano, como puede contrastarse en la dimensión media de los mismos proporcional al tiempo en el que se mantienen las temperaturas del recocido sobre el tiempo en el que termina la recristalización, tf. En la figura 4.53 se muestra el símil de crecimiento de grano. |
El recocido contra acritud consta
de 3 etapas:
a) |
La recuperación; en la que se observa un ligero descenso de la dureza sin cambio en la conformación de los cristales. |
b) |
La recristalización; que denota la pérdida de las características conseguidas en la acritud y la reconstrucción de la estructura policristalina. |
c) |
El engrosamiento de grano, alternativa si se dilata el tiempo de tratamiento; que hace descender ligeramente las características resistentes consecuencia del engrosamiento de grano que ha tenido lugar. |
4.2.1 RECUPERACION O ALIVIO DE TENSIONES INTERNAS.
Como ya hemos citado, el análisis
metalográfico apenas aporta información sobre lo
sucedido en esta etapa. Alguna información adicional aporta
la disminución ligera que sufre la dureza durante este
proceso. Esto nos lleva hacia la hipótesis de que sólo
una pequeña fracción de las dislocaciones existentes
dejan de ser activas como consecuencia de la recuperación.
Nos preguntamos sobre las características
de las dislocaciones desactivadas por la recuperación.
Es práctica habitual que el recocido de recuperación,
sólo la primera etapa, se aplica para eliminar las tensiones
internas con las que queda una aleación con acritud. Las
tensiones internas son las tensiones elásticas próximas
al límite elástico del material que fuerzan en los
diversos puntos que han sufrido el proceso de plastificación.
Por equilibrio de fuerzas, todas las tensiones elásticas
llegan a un equilibrio en la forma de la pieza. Esto es lo que
muestra la figura 4.54a.
Figura 4.54. Pieza sometida a tensiones internas, tracción, compresión. a) Antes de mecanizar. b) Después de mecanizar la zona comprimida. |
El hecho experimental por el que
puede identificarse la exis-tencia de estas tensiones internas
es mediante la eliminación, por mecanizado, de una parte
de la misma. En nuestro caso la zona comprimida inferior. Cuando
esto sucede, el equilibrio de fuerzas inicial se rompe con lo
que las partes traccionadas se distienden curvando la pieza hasta
que se restablece un nuevo equilibrio. Con ello la forma inicial
se pierde, originando el deterioro de la pieza.
Las tensiones internas originan
deformaciones en las piezas cuando se procede a la mecanización
de alguna de sus partes.
Pues bien, cuando esta pieza se somete a un proceso de recocido
de recuperación, el mecanizado posterior con eliminación
parcial de la pieza no produce ninguna deformación adicional.
El recocido de recuperación
aporta estabilidad dimensional a las piezas que han de sufrir
mecanizados parciales.
Este hecho nos informa que el recocido
de recuperación elimina aquellas dislocaciones, o confluencia
de dislocaciones, cuya actuación mantienen al material,
en ciertos puntos, con tensiones elásticas, nivel máximo
de límite elástico.
Para ellos se requiere la existencia
de procesos de difusión que permita la emigración
de átomos a zonas de gran densidad de vacantes como es
la confluencia de dislocaciones de sistemas de deslizamiento diferentes.
Esta difusión se ve favorecida por el aumento de temperatura
y tiempo que son los parámetros que la gobiernan.
El proceso de recuperación
elimina las dislocaciones ancladas e interactuantes que determinan
puntas de tensión elástica máxima del material
con acritud en puntos selectivos con el proceso.
En concordancia con la eliminación
de tensiones está la ligera disminución de resistividad
que experimenta la aleación sometida al recocido de recuperación.
En efecto, el análisis de las propiedades conductoras de
los metales indica que la resistividad aumenta con la densidad
de defectos de la red, vacantes, átomos intersticiales,
átomos en solución sólida, que provocan la
resistencia al flujo electrónico por aumento de choques,
entre los electrones y átomos.
De ello se deduce que el recocido
de recuperación aporta una disminución ligera de
defectos en la red, especialmente vacantes, en los lugares de
máxima interacción entre ellos.
4.2.2 CARACTERISTICAS DE LA ETAPA DE RECRISTALIZACION.
El análisis de la microestructura
policristalina a lo largo de esta etapa evidencia el cambio de
forma que tiene lugar: los granos deformados en el sentido de
las solicitaciones externas se cambian a granos con formas geométricas
equiaxiales con diferente tamaño medio.
En la figura 4.55 se observa la
función Le = f(t) lo que justifica la eliminación
de la acritud, pérdida de límite de elasticidad,
de la estructura policristalina recristalizada.
Figura 4.55. Funciones Le, Rc, Ep y Fc = f(t) en la etapa de recristalización. |
La disminución del límite
elástico durante esta etapa, que evidencia la pérdida
de acritud y el cambio en la forma y tamaño de los granos,
justifica la cristalización nueva, recristalización,
que tiene lugar en la estructura endurecida.
La función de flujo calorífico
extraído Fc = f(t) registrado en
el proceso de recristalización indica la evolución
del propio proceso y, de algún modo, la magnitud de la
masa cristalina que se está reestructurando en cada instante.
En concordancia, la energía
total liberada, Ep, debe estar en correspondencia
con la masa total recristalizada, R, que debe crecer continuamente
durante el proceso de recristalización. Ep
puede calcularse a partir de Fc por la
expresión:
|
(4.32) |
Epm = (Ep)trf |
(4.33) |
4.2.3 MODELO GLOBAL DE RECRISTALIZACION.
Es evidente, por similitud con
otros procesos, que el proceso de conformación de nuevos
granos a partir de la estructura con acritud, debe contener las
etapas de: a) nucleación de embriones y b) crecimiento
de los granos.
El análisis del flujo calorífico,
Fc, del ensayo en el DSC permite hipotetizar
que el tiempo de recuperación, ti,
puede asociarse al de nucleación o incubación de
embriones. En efecto, es a partir de este momento cuando el flujo
Fc es mayor, lo que parece indicar el inicio
de la reestructuración masiva o etapa de crecimiento de
grano.
Parece lógico pensar que
la formación de un embrión requiere un nivel de
temperatura, qR,
y un tiempo mínimo, te, para conseguir
que aquellos lugares en que aleatoriamente se encuentren con mayor
acritud, Ac, mayor energía libre,
se conforme un embrión cristalino sobre el cual puede apoyarse
el edificio cristalino del monocristal.
El tiempo, te,
requerido para este tamaño mínimo del embrión,
Tm, será función inversa:
a) |
de la temperatura, qR. |
b) |
del grado de acritud, Ac. |
|
Recristalización | ||
Temperaturas Dq Þ qR |
|
|
|
Sitios probables de nucleación |
|
|
|
Figura 4.56. Evolución de la masa recristalizada en función del tiempo, R = f(tr) |
C) Etapa de crecimiento amortiguado,
Ra.
Como hemos citado, esta etapa se
inicia con la interacción de los granos, t>ta,
y se concluye cuando toda la masa se ha recristalizado, t=trf. Tomando la hipótesis de crecimiento
esférico, figura 4.57, el tiempo ta está definido
cuando las esferas, granos nuevos, hacen contacto. la relación
de volúmenes es la que existe entre la esfera y el cubo
circunscrito.
Ra = (4/3 p r3)/(2 r)3 = p/6 = 0.52 |
(4.34) |
Figura 4.57. Símil de crecimiento esférico. |
Así podemos hipotetizar
que a partir de la recristalización del 50% de la masa,
el crecimiento queda amortiguado por la propia masa ya cristalizada,
del cristal vecino, que limita su crecimiento. Se puede aplicar
el modelo corregido por la masa sobre la que puede actuar (1-R).
dR/dt = C (1 - R) |
(4.35) |
|
(4.36) |
Figura 4.58. Simplificaciones al modelo global. |
El modelo de Avrami
responde
a un crecimiento de los granos lineal y amortiguado desde su inicio.
4.2.4 TIEMPO REQUERIDO PARA LA RECRISTALIZACION.
Se trata de establecer la correlación
funcional:
trf = f(qr,Ac) |
(4.37) |
trf = trs + tr(0.95) |
(4.38) |
Puede observarse de forma cualitativa
que: El aumento de deformación, acritud, y/o temperatura
de recristalización actúan en el sentido de disminuir
los tiempos necesarios para recristalizar toda la masa.
Figura 4.59. Correlación entre el tiempo de recristalización y la deformación er para cada temperatura, qr, en el acero F1110. |
4.2.5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL TIEMPO DE RECRISTALIZACION.
A partir del modelo de Avrami podemos
determinar la función de correlación de tiempos
y temperaturas de recocido para el acero F1110 ensayado y en las
hipótesis: a) de que el tiempo de restauración tr
sigue las mismas leyes que el de recristalización; b) de
que la difusión atómica gobierna la recristalización.
Se trata de establecer la correlación
entre tiempos, tf, y temperaturas, qr, de recocido a
deformación constante, e.
tf = f(qr)e |
(4.39) |
tf = 3/C1 |
(4.40) |
|
(4.41) |
|
(4.42) |
|
(4.43) |
|
(4.44) |
Figura 4.60. Correlación tr = f(qr)Ai para los valores ensayados en F1110. |
En la figura 4.60. se ha referido
los valores de tr en función de
qr para los
diversos valores de acritud, Ai, ensayados.
Se concluye que: tiempos y temperaturas
mantienen una correlación exponencial inversa, siendo más
sensibles a la variación de temperatura.
Tiempos de recristalización
y acritud muestran una correlación inversa, de tipo hiperbólico.
La acritud influye en modo inverso con el tiempo requerido para
producir la recristalización.