Tema 14. mecanismos de endurecimiento. recristalizacion

Ciencia e Ingeniería de Materiales
Tema 14. Mecanismos de endurecimiento y fenómenos de recristalización
14.2..
14.4.
14.5.
14.1.
Introducción
Endurecimiento por afino de grano
Endurecimiento por temple
14.6.
Endurecimiento por deformación
Tema 14. Mecanismos de endurecimiento. Recristalización
14.3.
14.7.
Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
Endurecimiento por aleación
Endurecimiento por precipitación
8.8.
Introducción a los diagramas ternarios

Ciencia e Ingeniería de los Materiales
14.1. Introducción
Los mecanismos de endurecimiento se basan en restringir e impedir el
movimiento de las dislocaciones.
Movimiento de una dislocación de cuña o arista

14.2. Endurecimiento por afino de grano
Las fronteras de grano son barreras que dificultan el movimiento de las dislocaciones del metal
Movimiento de una dislocación cuando encuentra un límite de grano actúa como barrera a la continuación del deslizamiento. Los planos de deslizamiento son discontinuos y cambian de dirección en el límite de grano.
Material con granos grandes y pequeños. En el material con granos grandes las dislocaciones encuentran pocas barreras para moverse.
Granos pequeños   Rm y dureza

14.2. Endurecimiento por afino de grano
σE = σ0 + k d-1/2
Límitew elástico (MPa)
Tamaño de grano, d (mm)
-1 -2 -3
50
100
150
200
10 10 5x10
Variación del límite elástico con el
tamaño de grano
E: límite elástico
d: diámetro medio de grano
0 y k: constantes que dependen del
tipo de material
Influencia del tamaño de grano sobre
el límite elástico de un latón (70Cu-
30Zn). Notesé que el diámetro de
grano aumenta de derecha a
izquierda.

14.3. Endurecimiento por aleación
La adición de impurezas al material producen distorsión en la estructura
cristalina donde se alojan debido a que tienen un tamaño distinto al de los
átomos originales
Tamaño átomo soluto Cantidad de soluto

Zona de compresión
Zona de tensión
En la zona de tensión suelen acumularse átomos grandes. La distorsión en la estructura cristalina disminuye
En la zona de compresión se acumulan átomos pequeños

Metal
rA(Å)
%
Cu
1,278
Zn
1,332
+4,2
Al
1,432
+12,1
Sn
1,509
+18,1
Ni
1,243
-2,7
Si
1,176
-8,0
Be
1,143
-10,6
Radios atómicos y diferencias porcentuales en el tamaño de los átomos.
Tamaño átomo soluto
Efecto de varios elementos de aleación sobre el límite elástico del cobre. Los átomos de Cu y Zn son aproximadamente del mismo tamaño pero los de Be y Sn tienen tamaños muy diferentes a los del cobre. Aumentando la diferencia de tamaño atómico y la cantidad del elemento aleante, se incrementa el endurecimiento por solución sólida.
Átomos de mayor tamaño que el Cu (Zn, Al y Sn) y de menor tamaño (Ni, Si, Be) al aumentar la diferencia de tamaño se incrementa el efecto de endurecimiento

Cantidad de átomo soluto
Efecto de adición del Zn al Cu sobre las propiedades de la aleación endurecida por solución sólida. El aumento en el porcentaje de alargamiento al incrementarse el contenido en Zn no es típico del endurecimiento por solución sólida.
 Cantidad de soluto
 efecto de endurecimiento

14.4. Endurecimiento por precipitación
Objetivo
Crear en una aleación tratada térmicamente una densa y fina dispersión de partículas precipitadas de una segunda fase dentro de la original fase matriz deformable
Solución sólida con solubilidad decreciente a medida que disminuya la T
Hipotético diagrama de fases de una aleación endurecible por precipitación
Precipitados gruesos localizados en los bordes de grano
 endurecimiento

Tratamiento por solubilización y temple ◘ Solubilización: Calentar la aleación a una T superior a la de solvus para producir una solución sólida  homogénea ◘Temple: Enfriar con rapidez a temperatura ambiente para conservar la microestructura de alta temperatura obteniendo una solución sólida sobresaturada sss altamente distorsionada y no es una estructura de equilibrio.  Envejecimiento o maduración: Se calienta la aleación a temperatura inferior a la solvus. El exceso de soluto tenderá a salir de la solución como finas partículas endurecedoras submicroscópicas (segundas fases). Las partículas precipitadas actúan como obstáculos al movimiento de las dislocaciones producidas al deformarse el metal, anclando su movimientos y dando lugar a un fuerte aumento de la resistencia mecánica del mismo.
Si se incrementa el tiempo de envejecimiento o si la temperatura es elevada el exceso de soluto tenderá a agruparse formando una segunda fase de tamaño grande y distribución heterogénea y poco dispersa y se dice que la aleación ha sido sobreenvejecida no estando su estructura cristalina tan distorsionada.
Etapas del proceso

Esquema del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o maduración

Esquema del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o maduración produciendo sobremaduración debido al alargamiento del tiempo de maduración
Sobreenvejecimiento

Evolución de una serie de propiedades mecánicas en función del tiempo de tratamiento de envejecimiento o sobreenvejecimiento

14.5. Endurecimiento por temple
Acero (Austenita )
Enfriamiento rápido
T< 220 ºC (Ms)
Martensita
Fase metaestable formada por una s.s. sobresaturada de C en ferrita 
 Se produce sin difusión
 No se produce cambio alguno en la composición
 Da origen a grandes distorsiones en la red
Cambio de la estructura FCC de la austenita a la BCT (tetragonal centrada en el cuerpo) de la martensita
Diagrama Fe-C
FCC
BCC
BCT
La celda unitaria de la martensita BTC está relacionada con la celda unitaria centrada en las caras de la austenita FCC

14.6. Endurecimiento por deformación
Un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. Se denomina también acritud o bien endurecimiento por trabajo en frio.
%CW= 퐴0−퐴푑 퐴0∗100
CW: % de trabajo en frio
A0 y Ad: área de la sección antes y después de la deformación
Variación de la resistencia a la tracción y la ductilidad durante el trabajo en frio en el cobre puro y en una aleación Cu-30% Zn
Cu
Cu-30%Zn

Variación de la resistencia a la tracción y la ductilidad durante el trabajo en frio para el acero AISI 1040, el latón y el cobre

Diagrama esquemático de la curva de tracción de un acero mostrando el fenómeno de recuperación de la deformación elástica y del endurecimiento por deformación. El límite elástico inicial se indica como y0; yi el es límite elástico después de retirar la carga en el punto D, y continuar después el ensayo.
D
Recuperación de la deformación elástica

14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades y mecánicas y la microestructura

Influencia de la temperatura sobre la resistencia a la tracción y sobre la ductilidad de un latón. Se representa el tamaño de grano en función de la temperatura. Estructura de grano durante la restauración, recristalización y crecimiento de grano

Recuperación
 Tensiones internas se reducen energía térmica  difusión
dislocaciones se reordenan en configuraciones de menor energía y  número
Recristalización
Formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales libres de deformación que tienen baja densidad de dislocaciones
Las propiedades mecánicas son restauradas
Temperatura de recristalización
Temperatura a la cual la recristalización ocurre exactamente en una hora

Recristalización
Variación de la temperatura de recristalización con el porcentaje de trabajo en frío en el caso del Fe. Para deformaciónes inferiores a la crítica (alrededor del 5% de trabajo en frío), la recristalización no tendrá lugar
Temperaturas de recristalización y de fusión para varios metales y aleaciones
% trabajo en frio  vrecristalización
T de recristalización
Metal
T recristalización (ºC)
T fusión (ºC)
Plomo
-4
327
Estaño
-4
232
Cinc
10
420
Aluminio (99,999% en peso)
80
660
Cobre (99,999 % en peso)
120
1085
Latón (60%Cu-40% Zn)
475
900
Níquel (99,999 % en peso)
370
1455
Hierro
450
1538
Tungsteno
1200
3410

Crecimiento de grano
A medida que el grano crece en tamaño, es menor el área total del límite de grano produciendose una reducción en la energía total que es la fuerza motriz para el crecimiento de grano.
Crecimiento de granos libres de deformación si la muestra metálica se deja a temperatura elevada
Crecimiento del grano en función de la temperatura y del tiempo de
permanencia a dicha temperatura para el latón

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