Date post: | 12-Jul-2015 |
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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
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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.
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Movimiento de una dislocación de cuña o arista
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
14.2. Endurecimiento por afino de grano
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n 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
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14.2. Endurecimiento por afino de grano
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σE = σ0 + k d-1/2
Lím
itew
elá
stico (
MP
a)
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.
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14.3. Endurecimiento por aleación
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n 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
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14.3. Endurecimiento por aleación
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14.3. Endurecimiento por aleación
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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
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14.3. Endurecimiento por aleación
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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
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14.3. Endurecimiento por aleación
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n 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
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14.4. Endurecimiento por precipitación
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n 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
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14.3. Endurecimiento por precipitación
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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
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14.4. Endurecimiento por precipitación
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Esquema del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o maduración
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14.4. Endurecimiento por precipitación
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Esquema del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o maduración produciendo
sobremaduración debido al alargamiento del tiempo de maduración
Sobreenvejecimiento
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14.4. Endurecimiento por precipitación
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Evolución de una serie de propiedades mecánicas en función del tiempo de tratamiento de
envejecimiento o sobreenvejecimiento
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14.5. Endurecimiento por temple
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n 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
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14.6. Endurecimiento por deformación
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n 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=𝐴0−𝐴𝑑
𝐴0∗ 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
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14.6. Endurecimiento por deformación
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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
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14.6. Endurecimiento por deformación
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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
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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
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Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades
y mecánicas y la microestructura
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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
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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
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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
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n 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
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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
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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
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14.7. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano
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n 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