tratamientos de fases sólidas

7/23/2019 Tratamientos de Fases Slidas

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TRATAMIENTOS DE FASE SLIDAS

1. TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS

Los tratamientos trmicos son un conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados de unmaterial, con el objeto de modificar alguna o algunas de sus propiedades . En el acero, la mayora de lostratamientos trmicos supone un calentamiento hasta temperatura austentica, seguido de una mantencin adicha temperatura, de manera de lograr una estructura de 100% austenita homognea y posteriormente de unenfriamiento a la velocidad adecuada para obtener las propiedades que se desea.

Los tratamientos trmicos producen una modificacin en la estructura granular (o microestructura)del acero y un cambio en las propiedades mecnicas principalmente. Existen varios tipos de tratamientostrmicos, a saber:

Aquellos en que slo hay modificacin de estructura (y propiedades) Aquellos en que adems hay cambio de composicin. Para diferenciarlos de los anteriores,

se les denomina tratamientos termoqumicos

La modificacin en propiedades, puede corresponder a:- Un endurecimiento del acero (temple; austemperado; normalizado)- Un ablandamiento del acero (recocido de regeneracin; recocido de alivio de tensiones;

recocido de globulizacin; revenido)- Un aumento de la tenacidad del acero (temple revenido; austemperado)- Un aumento de la dureza superficial, manteniendo o aumentando la tenacidad en el resto del

volumen (tratamientos termoqumicos de cementacin, seguida de temple; cianuracinseguida de temple; nitruracin; boracin)

- Un incremento de la resistencia a la fatiga (Temple revenido; austemperado; cementacin temple; nitruracin)

Los aceros responden excepcionalmente bien a los tratamientos trmicos, debido a que el hierropresenta cambios alotrpicos. De estos, el ms importante ocurre entre 910 y 729C, para los aceros

hipoeutectoides (de menos de 0.8% de carbono) y entre 1100 y 729C, para los aceros hipereutectoides. Estecambio alotrpico corresponde al cambio de estructura FCC, que tiene a temperaturas altas, a una estructuraBCC, a temperaturas menores. A esto se agrega una reaccin del tipo eutectoide, que ocurre alrededor de los729C (dependiendo de la cantidad de aleantes y de la velocidad de enfriamiento del acero)

Ciclos trmicos

Cualquier tratamiento trmico puede representarse en coordenadas Temperatura tiempo, como semuestra en la figura 1.

Temperatura

(T)

tiempo (t)

m1 m3

3

2

1

Figura 1

1: Calentamiento2: Mantencin a T = cte.

3: Enfriamientom1: Velocidad de calentamientom2: Velocidad de enfrriamiento

OTA: m1y m3pueden ser variables y las etapas 1 y 3, pueden ser divididas en etapas, como se muestra en las figura 2


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Lneas de temperatura crtica en el diagrama hierro carburo de hierro.

Si se ampla la zona del diagrama Fe Fe3C, correspondiente a los aceros, en el rango detemperaturas entre 600 y 1100 C, tal como se muestra en la figura 4, se puede identificar las lneas como seindica:

En la figura 2 se representa la zona del diagrama Fe Fe3C en que se considera las lneas crticas.

Estas se muestran, amplificadas, a la derecha. A3indica la lnea que separa la zona monofsica de la bifsica+ . A1es la lnea que separa la zona bifsica + de la zona + Fe3C. Ames la lnea que separa la zonamonofsica de la bifsica + Fe3C. Y por ltimo, A3,1representa la lnea que separa las zona bifsica +Fe3C de la zona + Fe3C. La posicin de las lneas crticas no slo se ve afectada por la velocidad decalentamiento o de enfriamiento, sino tambin por la cantidad de elementos aleantes que tenga el acero. Elcromo; el tungsteno; el silicio y el molibdeno desplazan hacia arriba las lneas criticas, mientras que el nquely el manganeso las bajan.

Diagramas TTT

Los diagramas TTT (diagramas de transformaciones isotrmicas de la austenita) permiten interpretarlas transformaciones que ocurren en la tercera etapa de un tratamiento trmico, dependiendo de la velocidadde enfriamiento en dicho tratamiento. En la figura 3 se muestra el ms conocido y ms simple de esosdiagramas: El diagrama TTT del acero AISI 1080

Figura 3

Figura 2 Lneas de temperatura critica

A1

A3

A

A3,1

(b)(a)


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En el diagrama mostrado, las transformaciones ocurren isotrmicamente, es decir, de izquierda aderecha, tal como se muestra con las flechas. La transformacin comienza cuando se toca la lnea llena de laizquierda (lnea I) y termina cuando se toca la lnea de la derecha (lnea II)

Este diagrama nos da la siguiente informacin (ver figuras 3 y 4):

A medida que se baja la temperatura ( en le rango 722C a 550C) la transformacin (aFerrita + Cementita) se hace cada vez mas rpida

En el rango 550C a 215 C, sucede lo inverso, es decir la reaccin se hace mas lenta segndesciende la temperatura.

A 215C se inicia la transformacin martenstica. Desde MShacia abajo empieza a aparecer la fase martensita MS, M50, M90, Mfson lneas

rectas horizontales, pues como ya dijimos, estas son temperaturas invariantes (no dependende la velocidad de enfriamiento).

Conviene hacer notar que la posicin de la nariz de un diagrama TTT, es quien determina lavelocidad critica de temple, es decir, la menor velocidad de enfriamiento que permite obtener 100% demartensita. En los distintos aceros, esta nariz estar tanto mas alejada hacia la derecha, cuanto mayor sea elcontenido de carbono del acero. Por otra parte, los elementos de aleacin, tambin desplazan hacia la derechala nariz del diagrama y adems modifican su forma.

El uso de estos diagramas es bastante sencillo, pues basta trazar sobre el una curva de enfriamientocontinuo, como se muestra en la figura 5 para determinar la estructura que se obtiene a temperatura ambiente.Por ejemplo, para un acero AISI 1080 se tiene:

Para enfriamiento a velocidades mayores que 150 C/seg, se obtiene una estructura 100 %martenstica.

Para velocidades de enfriamiento inferiores a 32 C/seg, se obtiene una estructura 100% perltica.

Para velocidades de enfriamiento que estn entre las ya sealadas, se obtiene una mezcla demartensita y perlita nodular.

Tratamientos trmicos ms comunes

Los tratamientos trmicos ms comunes que se dan a un acero son: Recocido de regeneracin;Recocido de globulizacin; Normalizado; Temple; Revenido y tratamientos de endurecimiento superficial.

Productos finales+ Fe3C

AustenitaInestable

Austenita

Inestable

Austenita inestable + martensita

Austenita estableAc1

transformacinde

Zona

tiempo (escala logartmica)

Temperatura

A + F + C

Figura 4. Diagrama TTT de un acero eutectoide. (0.8 %C) (no hecho a escala)

Perlita gruesaPerlita fina

Bainita superior

Bainita inferiorI

II


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RECOCIDO

Los recocidos tienen por objeto, entre otros, ablandar los aceros para mejorar su maquinabilidad;regenerar su microestructura y aliviar tensiones. Los tipos de recocido ms comunes son:

1) Recocido de regeneracin (curva 1 en figura 5)2) Recocido subcrtico o de alivio de tensiones3) Recocido de proceso4) Recocido de globulizacin.

En la figura 14, se muestran los ciclos trmicos de estos tratamientos.

Recocido de regeneracin: Se austeniza entre 20 y 30C sobre A3, en los aceros hipoeutectoides o A3,1en los hipereutectoides. Despus se hace enfriamiento lento, a menudo dentro del mismo horno en que secalent. Su objeto es regenerar la estructura del acero y ablandarlo.

Recocido de alivio de tensiones: Se calienta el acero hasta temperaturas comprendidas entre 550 y650 C y despus se enfra normalmente. Tiene por objeto eliminar las tensiones residuales provocadas

por deformacin en fro.

Figura 6Ciclo trmico para diversostripos de recocido de aceros

4

3

4

2

1

T

tiempo

A3 A3,1

PERLITA GRUESA

PERLITA FINA

PERLITA MEDIA

PERLITA + MARTENSITA

100 % MARTENSITA

V.C.T.Temperatura

log t

Figura 5. Curvas de enfriamiento en un diagrama TTT.

ota: VCT es velocidad crtica de temple

150 C/seg

32 C/seg5

4

32

1

6


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Recocido de proceso: Es muy parecido al recocido anterior, pero nel calentamiento se hace hastatemperaturas entre 650 y 700 C, aproximadamente. Su objeto es tambien eliminar las tensionesresiduales provocadas por una deformacin plstica previa, pero se asegura una recristalizacin total queablande al mximo el acero, de modo que quede en condiciones de continuar siendo deformado

Recocido de globulizacin. Se puede hacer de dos maneras, la primera calentando y manteniendo elacero por largo tiempo a una temperatura inmediatamente inferior a A3,1 A1, o bien dando un ciclo decalentamientos y enfriamientos alternados alrededor de estas lneas. Con este tratamiento se consigue unaestructura de glbulos de cementita en una matriz ferrtica. Este tratamiento es especialmente aplicable alos aceros hipeeutectoides, para eliminar la red de cementita que rodea islas de perlita en los aceros conrecocido de regeneracin. As se aumenta la maquinabilidad de esos aceros. Tambin se aplica a losaceros de alta aleacin, con el mismo objeto, como condicin comercial. Comercialmente se denomina aeste tratamiento recocido blando.

NORMALIZADO

Para hacer un normalizado se calienta el acero hasta unos 50 C por encima de A 3 por encima deA3,1 , segn si el acero es hipo o hipereutectoide, seguido de una mantencin a esa temperatura parahomogenizar la austenita y de un enfriamiento posterior en aire tranquilo. En el caso de aceros muy aleados,se requiere enfriamiento a una velocidad menor, pues un enfriamiento al aire puede producir una parcial o

total transformacin martenstica. Su objeto es afinar y homogenizar el grano del acero, por lo que es untratamiento imprescindible antes del temple de aceros de herramientas. Los aceros de baja aleacin senormalizan en forma natural despus de su conformado en caliente, de all el nombre de este proceso. En lafigura 7.a se muestra una comparacin entre las zonas de calentamiento del normalizado y del recocido deregeneracin y el la figura 7.b se muestra una comparacin entre los ciclos trmicos del recocido deregeneracin; del normalizado y del temple.

En la figura 8.a se muestra una comparacin cualitativa entre la perlita obtenida por recocido y pornormalizado y en la figura 8.b se muestra una microfotografa de ambas.

(a)

R.R.

N

T

%C

T

tiem o

(b)

Normalizado

Rec. de regeneracin

Temple

Recocido Normalizado

Figura 8 : 8.a arriba; 8.b derecha


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En la tabla 1 se muestra una comparacin cualitativa entre las propiedades obtenidas con un recocidode regeneracin y con un normalizado.

Propiedades Normalizado Recocido de regeneracinDurezaResistencia mecnicaDuctilidadTenacidadResistencia a la fatigaTamao de granoGrosor de la perlita

MayorMayorMenorMayorMayorMenorMenor

MenorMenorMayorMenorMenorMayorMayor

TEMPLE

El temple consiste en calentar y homogenizar la austenita de un acero en la misma forma que se haceen un recocido de regeneracin y a continuacin darle un enfriamiento rapido, de manera de lograr latransformacin martenstica. Esto se mostr en las figuras 6 y 13. Su objeto es endurecer y aumentar la

resistencia mecnica de los aceros. Este endurecimiento se logra como muestra el esquema mostrado en lafigura 18.

Prctica del temple

Como se muestra en el ciclo trmico del temple, existen tres etapas: calentamiento para austenizar;mantencin a temperatura elevada para homogenizar la austenita y enfriamiento rpido. De las tres etapas, lams importante es la ltima, pues all ocurre la transformacin martenstica, pero las dos primeras etapas nodejan de tener importancia.

Tabla 1 Comparacin cualitativa entre las propiedadesobtenidas con el normalizado y el recocido de regeneracin

Austenita enfriamiento rpido Martensita

FCC BCTEstructura:

Propiedades: Tenaz y dctil Frgil, dura y con altastensiones residuales

Figura 9 Esquema de la transformacin martenstica

3

2

1

temperaturacrtica

T

tiempo

1: Calentamiento (Austenizacin)

2: Mantencin (Homogenizacin)

3: Enfriamiento

Figura 10 Ciclo trmico del temple


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Como ya se dijo, las etapa ms importante en un tratamiento trmico es el enfriamiento,especialmente en el temple. Durante ese enfriamiento ocurre la transformacin martenstica. Estatransformacin es la que produce tensiones internas, por lo que el enfriamiento debe hacerse a la menorvelocidad compatible con un temple total, es decir, superando la velocidad crtica de temple (ver figura 11).Hay diferentes tipos de tensiones que se generan durante el enfriamiento, estas son:

- Tensiones por contraccin, debido a la diferencia de temperatura entre distintos puntos de lapieza. El valor del esfuerzo es, en este caso: = ET

- Tensiones por cambio de fase, que son mayores a las anteriores- Tensiones residuales, que corresponden a esfuerzos internos que quedan en las piezas despus

del temple.

El enfriamiento se produce introduciendo la pieza caliente en un medio (medio de temple), que laenfre a la velocidad adecuada para que el acero sufra transformacin martenstica. La velocidad deenfriamiento que producen distintos medios sobre piezas de acero de de dimetro y 2.5 de longitud seindica en la tabla 2. (Los valores indicados varan segn la fuente de origen)

Velocidad de enfriamiento en C / seg , en los

rangos de temperatura indicadosMedio 600 550 C 300 - 200 CAgua a 18 CAgua a 50 CSalmuera de 10% NaClAceites minerales a 50CAire comprimidoAire tranquiloSales fundidasSolucin al 10% de NaOH

600100

1100100 150

303351200

270270300

20 5010135300

TEMPLABILIDAD

Mientras menor es la V. C. T., es decir mientras mas aleado es un acero, se puede usar medios menosenrgicos para templar y por lo tanto el tratamiento se hace mas seguro, ya que se genera menos tensiones altemplar y menos distorsiones o menos peligro de fractura de las piezas.

Se define como templabilidad, la capacidad de un acero para ser templado. Un acero es mstemplable mientras mayor contenido de carbono y mayor contenido de elementos aleantes tenga. Latemplabilidad se indica de dos formas:

Ta

T1

tc

A

A*M

A*

T

log t

c

a

t

TTVCT 1

=

Ta: Temperatura de austenizacin

T1: Temperatura en que la curva deenfriamiento es tangente a la curva

de inicio de la transformacin

tc: tiempo crtico

Figura 11 Determinacin de la velocidad crtica de temple

Tabla 2 Velocidades de enfriamiento de distintos medios de temple


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Como dimetro crtico ideal, que corresponde al dimetro de un cilindro, que templado en unmedio ideal, presente 50% de transformacin martenstica en el centro. Un acero con mayordimetro crtico ideal, es mas templable que otro con uno menor. El dimetro crtico se puede medirmediante un ensayo; calcular u obtener a partir de tablas

Curva Jominy. Estas curvas se obtienen a partir de un ensayo y un acero es ms templable,mientras menor sea la caida de dureza en la respectiva curva. En la figura 12 se muestran algunascurvas Jominy

Tipos de temple

Se pueden distinguir tres tipos de temple: Temple normal Temple subcero Martemple

La diferencia entre ellos se puede deducir de las grficas siguientes (figura 13)

Figura 12Curvas de templabilidadJominy de varios aceros

Ms

M

Ms Ms

0C

s

s

s ccc

TTT

log t

log tlog t

Figura 13 Tipos de temple (a) Normal, (b) Martemple; (c) Temple subceroLas letras s y c indican la vlocidad de enfriamiento en la superficie y en el centro de una pieza

(c)

(b)(a)


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En el temple normal hay gran diferencia entre las temperaturas del centro y de la superficie de la

pieza, en el momento en que en esta ltima comienza la transformacin martenstica, de manera que segeneran fuertes esfuerzos que eventualmente podran fracturar la pieza. La generacin de esfuerzos trmicos(= E T) se puede evitar igualando la temperatura de la superficie y el centro, como se muestra en lafigura (b), que corresponde al tratamiento de martemple. El martemple se realiza enfriando violentamente la

pieza en un horno de bao de sales que mantiene una temperatura apenas superior a Ms. La pieza se mantieneen este horno justo el tiempo para alcanzar el vrtice del diagrama TTT y despus se retira y enfralibremente. Este tratamiento requiere conocer muy bin el diagrama TTT del acero y es aplicable slo en loscasos en que efectivamente es posible igualar las temperaturas del centro y de la superficie de la pieza en eltiempo que permite el diagrama, esto es, generalmente piezas pequeas o de pequeo espesor. En caso quesea posible hacer este tratamiento, no se corre peligro de fractura de piezas.

El temple subcero permite completar la transformcin martenstica, que como se sabe, ocurre enenfriamiento en un rango de temperaturas. Este tratamiento se hace a aceros muy aleados, que por sucomposicin tienen la temperatura Mf(trmino de la transformacin martenstica) a una temperatura muy bajay que por lo tanto no tienen una transformacin completa en el temple normal. Si no se completa latransformacin por no llegar a Mf, queda austenita retenida, que es peligrosa, pues puede transformarse enmartensita en situaciones no deseables, como se ver ms adelante.

REVENIDO

En el temple el acero adquiere alta dureza y resistencia, pero queda demasiado frgil casi paracualquier uso. Esta excesiva fragilidad se debe a la existencia de esfuerzos residuales propios de la estructuramartenstica. Para reducir esta fragilidad y aumentar consecuentemente la tenacidad del acero, se aplica eltratamiento denominado revenido. El revenido consiste en calentar el acero previamente templado atemperaturas entre 250 y 650C, dependiendo de las propiedades que se desean, seguido de una mantencin ala temperatura elegida para completar la transformacin de la martensita en martensita revenida. Elenfriamiento posterior es libre, excepto en los aceros que presentan fragilidad de revenido (aceros de alto Cry/o Mn, revenidos entre 580 y 650C). Estos aceros deben ser enfriados en agua, despus del revenido. Elcambio de propiedades del acero en el revenido se muestra cualitativamente en la figura 14.

Durante el revenido la martensita se descompone, precipitando carburos de distinto tipo. A bajastemperaturas, entra 100 y 400C, se produce un carburo de transicin, de estructura hexagonal (carburo ).Sobre los 450C precipita cementita (Fe3C) ortorrmbica. A mayores temperaturas crecen glbulos decementita, lo que permite reemplazar el recocido de globulizacin (un proceso largo y costoso) por uno maseconmico que es el ciclo temple revenido a temperatura prxima a 700C.

Dureza(RockwellC)

200 400 600

20

40

80

60

40

20

Tem eratura de revenido C

Tenacidad

Figura 14 Cambio de propiedades en el revenido, para un acero AISI 4140


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AUSTEMPERADO

El autemperado o austempering o austemple, es un tratamiento trmico que reemplazaventajosamente al ciclo temple revenido en algunas piezas de algunos aceros. La figura 15 muestra como serealiza tal tratamiento. Con el se obtiene 100% de bainita uniforme.

El austemperado tiene varias ventajas frente al ciclo temple revenido : Hay menor generacin de esfuerzos residuales Se obtienen propiedades mas uniformes a lo largo de las piezas Se logra, para la misma dureza y resistencia final, mayor tenacidad y ductilidad en el acero.

A pesar de estas ventajas, el austemperado est limitado por el espesor de las piezas, pues slo esexitoso cuando el espesor es menor a 1 cm aproximadamente. En muchos aceros el tratamiento resultaoneroso, por los largos tiempos que requiere la transformacin bainitica.

2. TRATAMIENTOS TRMICOS DE LAS ALEACIONES NO FERROSAS

Los tratamientos ms comunes en las aleaciones no ferrosas son el Recocido, para regenerar unaestructura fuertemente alterada por deformacin plstica o deformacin en fro y el Envejecimiento paraendurecer algunas de ellas, por precipitacin de una segunda fase submicroscpica al interior de una primerafase.

RECOCIDO. El recocido es un tratamiento trmico que consiste en calentar un material a una temperaturasuperior a la de recristalizacin, mantenerlo algn tiempo a esa temperatura y despus enfriarlo muylentamente. Con este tratamiento que se efecta, por supuesto totalmente dentro del estado slido, se eliminalas distorsiones en la red cristalina y por ende el material recupera su ductilidad y reduce su dureza.

El recocido se puede subdividir en tres etapas, que son: recuperacin, recristalizacin y crecimiento

de grano.

Recuperacion. En el comienzo del calentamiento, se eliminan las tensiones internas del material. Esto seconoce como recuperacin. La recuperacin ocurre a baja temperatura y durante ella los tomos que habansido desplazados de sus posiciones reticulares en la deformacin en fro, se reacomodan desapareciendo lastensiones en la red. La recuperacin se conoce comercialmente como Recocido con Acritud

Recristalizacion. Al incrementar la temperatura mas all de la temperatura de recuperacin, empiezan aaparecer nuevos cristales de igual composicin y estructura que los deformados, pero a diferencia de estos, noson alargados sino equiaxiales. Estos nuevos cristales se generan y crecen a partir de las zonas mas

T

log tiempo

Ms

Figura 15 Austemperado


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deformadas previamente, como son los limites de grano, las bandas de deslizamiento y los alrededores de lasimpurezas. El grupo de tomos desde el cual se origina el nuevo cristal se denomina ncleo o germen. Larecristalizacin se produce, entonces, por nucleacin y crecimiento a partir de las zonas mas deformadas, porabsorcin del material vecino, hasta absorber todo el material de los granos deformados

Para explicar porque la recristalizacin comienza en las zonas mas deformadas, asociaremos dichoproceso con la siguiente reaccin:

Granos deformados Granos recristalizados

La reaccin precedente se realiza si se supera una barrera energtica denominada energa deactivacin. Esa barrera puede representarse, en nuestro caso, como lo indica la figura 16

De la figura 16, es fcil inferir que si se incrementa la temperatura, los tomos de las zonasdeformadas pueden alcanzar fcilmente la cima que representa la energa de activacin, y por lo tanto darinicio a la formacin de un nuevo cristal. Tambin se puede inferir que a mayor deformacin previa, seformaran mas ncleos de recristalizacion, pues existe un mayor numero de tomos activados.

Temperatura de recristalizacion. La temperatura a que se efecta la recristalizacion no es fija. Porconvencin se denomina temperatura de recristalizacion a aquella en que un material con mucha acritud,recristaliza completamente en una hora. La tabla N 3 muestra la temperatura de recristalizacion de variosmetales y aleaciones

La temperatura a que se inicia la recristalizacion depende del grado de deformacin previa y eltiempo de recocido, de la siguiente forma: A mayor deformacin previa, menor es la temperatura a que se inicia la recristalizacin.

Para que haya recristalizacin, debe haber por lo menos un 8% de deformacin en fro A menor velocidad de calentamiento, la recristalizacin se inicia a menor temperatura.

MATERIAL TEMPERATURA DERECRISTALIZACION (C)

Cobre (99,99%) 121Cobre(5% Zn) 315Cobre(5% Al) 288

Aluminio(99,99%) 79Aluminio(99,0%) 288

Nquel(99,99%) 371Monel 593Hierro (Electroltico) 398

Aceros de Bajo Carbono 538Magnesio 65

Plomo 10Estao -44Zinc -4

Tabla 5 Temperatura de recristalizacin de diversos materiales

tomo de zona deformada

tomo de zona sin deformarEnerga

Q E1

E1

E1

Figura 16 Barrera de potencial para el recocido de un metal deformado en fro


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Crecimiento de grano. Anteriormente se dijo que los lmites de grano eran zonas de alta energa, en relacinal resto del grano. Un lmite de grano es una interfase, de manera que su energa se puede interpretar comoenerga libre de interfase. Uno de los principios de la termodinmica es la tendencia a ir hacia el mnimo nivelde energa. Si se aplica este principio a un sistema compuesto por tomos y lmites de grano, la tendencia adisminuir la energa libre, impulsa la disminucin del rea de lmites de grano y esto se logra con elcrecimiento de los granos. Si nada se opusiera a esta fuerza, los granos creceran indefinidamente. Entoncesexiste otra fuerza que regula el tamao de grano, esta es la rigidez de la red cristalina. A una temperaturadeterminada existe equilibrio entre ambas fuerzas, para un tamao de grano de equilibrio.

Tamao de grano. El recocido involucra nucleacin y crecimiento de grano. Si la nucleacin es rpida y elcrecimiento de grano es lento, se obtienen granos pequeos. Por el contrario, si la nucleacin es lenta y elcrecimiento de grano es rpido, se obtienen granos grandes.

Los factores que gobiernan el crecimiento de grano son: Grado de deformacin previa Cantidad de impurezas insolubles Tiempo de permanencia a una temperatura determinada Velocidad de calentamiento

Cada uno de los factores nombrados influyen en el tamao final de grano, como se indica:

Grado de deformacin previa. Es el factor ms importante. Su relacin con el tamao de grano puedeapreciarse en la figura 17. En ella es posible apreciar que el tamao de grano es inversamente proporcional algrado de deformacin previa, pero ello es vlido slo para deformaciones mayores al 8% aproximadamente.Para deformaciones previas menores a ese valor, no hay recristalizacin y por lo tanto se conserva el tamaode grano original. Es importante observar que para el grado de deformacin crtica, se obtienen granosgigantes. Este es uno de los mtodos para obtener granos grandes.

Velocidad de calentamiento. Si el calentamiento es lento, se favorece el crecimiento de grano, pues en este

caso se forman pocos ncleos de recristalizacin. Parece conveniente en este instante hacer una analoga entrela recristalizacin que ocurre enteramente en el estado slido y la cristalizacin que ocurre en el cambio defase lquido slido. Un cambio de temperatura muy lento favorece el crecimiento de grano, durante lasolidificacin. Dicho en otras palabras, si un enfriamientos muy lento da origen a granos grandes durante lasolidificacin, igual cosa ocurre en la recristalizacin.

Presencia de impurezas insolubles. Las impurezas insolubles actan como ncleos de recristalizacin;entonces a mayos presencia de impurezas insolubles habr mayor cantidad de ncleos de recristalizacin ymenor ser el tamao de grano final.

0 20 40 60 80 100Grado de deformacin en fro

24

18

12

6

0

Tamaode

grano

Figura 17 Influencia de la deformacin en fro en el tamao final de grano deun acero de bajo carbono, recocido a 950 C. (Tamao en micrones)


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Permanencia a una temperatura determinada. Mientras mayor tiempo se mantenga un metal a unatemperatura fija, durante la recristalizacin, se obtendr granos ms grandes.

La velocidad de enfriamiento prcticamente no influye en el tamao de grano recristalizado.

Efecto del recocido en las propiedades mecnicas del material. Con el recocido el material recupera unaestructura libre de distorsiones y tensiones internas. Entonces con este tratamiento los materiales se vuelvenms dctiles, blandos y menos resistentes. La figura 18 muestra la influencia del recocido sobre algunas

propiedades en los materiales.

TRABAJO EN CALIENTE. Los procesos de conformado que se realizan a temperatura superior a latemperatura de recristalizacin, se denominan genricamente Trabajo en Caliente.

Cuando se deforma un material a alta temperatura, ocurren simultneamente dos efectos contrario:

Por un lado el material se endurece por deformacin y por otro lado se ablanda por recristalizacin. Para unavelocidad de deformacin fija, existe una temperatura para la cual se compensan exactamente ambos efectos.Esto da un nuevo y mejor criterio para definir trabajo en caliente: Si el material se endurece despus delconformado, se ha trabajado en caliente. La figura 19 muestra las alteraciones que sufren los granos, en unalaminacin en caliente

El tamao de grano es funcin de la temperatura final de trabajo en caliente, de manera que esnecesario un control de la temperatura de trabajo a objeto de obtener el tamao de grano adecuado

Dureza

Resistencia

Ductilidad

Trabajo en fro Recuperacin Recristalizacin Crecimiento de grano

PropiedadesMecnicas

Temperatura de Recocido

Figura 18 Variacin de las propiedades mecnicas durante el recocido

Grano originalGrano deformado

Ncleo de

recristalizacin

Granorecristalizado

Figura 19 Laminacin en caliente


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PRECIPITACIN O ENVEJECIMIENTO. Se denomina precipitacin a la formacin de una nueva fasea partir de una fase matriz, sobresaturada y por lo tanto inestable. Con ayuda de la figura 20 se explicar lascondiciones que conducen a la precipitacin.

Si se enfra rpidamente una aleacin de composicin Co desde la temperatura T1 hasta latemperatura T2 , tal aleacin que era monofsica a T1 (), lo sigue siendo al no haber tiempo para sudescomposicin en dos fases, como habra ocurrido si se atraviesa lentamente la lnea solvus. Esta solucin ,de composicin Co, sobresaturada en B, se descompone despus de algn tiempo, si se dan las condiciones

para ello, en los productos de equilibrio, que son a temperatura T2: fase de composicin Cy fase decomposicin C. Esto se puede expresar segn la siguiente expresin:

( ) ( ) ( ) CCCo +

La descomposicin citada se denomina precipitacin.

La precipitacin puede ocurrir de dos maneras: Continua, lo que origina pequeos granos o precipitados de fase en una matriz , como semuestra en la figura 21.a

Discontinua (o precipitacin celular), en que se forma una estructura laminar, de placasalternadas de fase y fase , como se muestra en la figura 21.b

En trminos tecnolgicos es ms importante la precipitacin continua, pues a menudo originaprecipitados de tamao submicroscpico, que endurecen e incrementan notablemente la resistencia de lasaleaciones.

Este fenmeno fue descubierto accidentalmente en 1906 por Wilm, cuando estudiaba el efecto de laadicin de magnesio a una aleacin de aluminio cobre manganeso. Despus de enfriar rpidamente esta

A

C CoB

C

T2

T1Lneasolvus

a bFigura 21

Figura 20:Preci itacin


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aleacin, la misma empez a endurecer en el transcurso del tiempo, hasta alcanzar despus de varios das, casiun treinta por ciento mas que la dureza inicial. Al fenmeno de endurecimiento en el tiempo se le denominenvejecimiento. La figura22 muestra la reproduccin de una curva de envejecimiento publicada por Wilmen 1911.

Wilm no observ cambios microestructurales durante el periodo de envejecimiento (endurecimiento).Su aleacin empez a producirse desde 1909 y se le llam duraluminio. Su composicin aproximada es:

Al + 35% Cu; 0.41% Mg; 00.7% Mn; ( acepta como impurezas: 0.41% Fe y 0.30.6% Si)

En 1920, P.D. Merica dedujo que la causa del endurecimiento del duraluminio era la formacin de unprecipitado submicroscpico, es decir, invisible en un microscopio ptico. En la dcada del los 50, se obtuvoevidencias visuales de tal precipitado mediante microscopio electrnico.

La siguiente tabla (4) muestra la efectividad de la precipitacin en la mejora de la resistencia a lafluencia de un duraluminio de 4.4% Cu; 1.5% Mg y 0.6% Mn.

Estado de la aleacin Esfuerzo de fluencia (MPa)No envejecido 138Envejecido a temperatura ambiente * 276Con envejecimiento ptimo ** 414

(*) El envejecimiento a temperatura ambiente se denomina envejecimiento natural(**) El envejecimiento a una temperatura superior a la ambiente (e inferior a la lnea solvus), se

denomina envejecimiento forzado

DESCRIPCIN CRISTALOGRFICA DE LA PRECIPITACIN

Los precipitados en forma de agujas o de lminas muestran al microscopio una sorprendente

regularidad. Esto dio indicios para deducir mas tarde que la precipitacin ocurra segn planos preferencialesy en direcciones especficas. Estos planos se conocen en ingls como planos de hbito (habituales) y formanla frontera entre la fase que crece y la matriz. De all que las fases que crecen rpidamente, tengan caras

planas. Por ejemplo cuando precipita latn (FCC), desde latn (BCC) se encuentra que los planos (110)de son paralelos a los planos (111) de y que la direccin [111] de es paralela a la direccin [110] de .Lo anterior significa que los planos ms compactos de la fase matriz, pasan a ser los ms compactos de lanueva fase. Los planos de hbito corresponden a las interfases de menor energa y por lo tanto las que tienenms posibilidad de formarse. Cuando el crecimiento de la nueva fase es muy lento, como en la formacin de

precipitados submicroscpicos de una aleacin aluminio - cobre de 4,5 % Cu, se observan una serie de etapascuya descripcin cristalogrfica es la siguiente:

++

+++++

+++

+++

10 2420 2212 14 16 180 2 4 6 8

50

60

70

90

80

100

Dureza(Brinell)

tiempo (horas)

Figura 22Endurecimiento en elenvejecimiento


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Etapa I: Aparicin de zonas de Gunier Preston. Las zonas GP son discos de unos 80 ngstrom y de 3 a6 A de espesor, con un 90% de cobre, pero con la estructura cristalina del aluminio. Estas formaciones fuerondescubiertas en la dcada del 30, independientemente por Gunier y Preston, de all su nombre. Se detectaron

por tcnicas de rayos X.

Etapa II: Formacin del precipitado . Este precipitado es una fase de estructura tetragonal, con a = b = 4A y c = 7.8 ngstrom. Forma un disco de unos 300 A de dimetro y unos 20 A de espesor. Presentan unainterfase coherente* con la matriz, lo que induce grandes esfuerzos sobre ella. Aparecen como zonas oscurasen microscopa electrnica.

Etapa III: Formacin del precipitado . Corresponden al primer precipitado visible en un microscopioptico, por lo que pueden tener dimetros de unos 1000 ngstrom. Su estructura es tetragonal, con a = 4.08 Ay c = 5.8 A. Su interfase es semicoherente* con la matriz.

Etapa IV: Precipitado . Tiene estructura tetragonal, con a = 6.06 A y c = 4.87 A. Es un precipitadoincoherente*. Se desconoce si se forma a partir de los precipitados precedentes o si aparece directamente. Esun precipitado de equilibrio. En la figura 23 se muestra algunas curvas de envejecimiento para aleacionesaluminio cobre.

(*) Nota: se denomina precipitado coherente o de interfase coherente, cuando este precipitado se acomoda conla matriz de manera que el cambio en dimensiones de los parmetros cristalinos es gradual en la interfase y

por lo tanto se generan grandes esfuerzos all. En un precipitado incoherente, hay un cambio brusco deestructura en la interfase de este con la matriz, de manera que esta interfase no queda sometida a esfuerzos.

CAMBIO DE PROPIEDADES EN EL TIEMPO

En la figura 23 se muestra algunas curvas de endurecimiento para aleaciones aluminio cobre,envejecidas a 130 C. Se observa en estas grficas que la mayor dureza, y por lo tanto la mayor resistencia deestas aleaciones se obtiene durante la formacin del precipitado ! y que al formarse !, las aleacionescomienzan a perder dureza. Es interesante tambin que antes de alcanzarse la dureza mxima, no hay cambiosmetalogrficos en las aleaciones.

140

120

60

100

80

40

GP

!!

Microscopio electrnico Microscopio ptico

0.1 10 100 10001

tiempo (das)

DurezaVickers

3.0% Cu2.0% Cu

4.0% Cu

4.5% Cu

4.5% Cu

4.0% Cu

3.0% Cu

Figura 23


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La secuencia de formacin de precipitados indicada para las aleaciones aluminio cobre, es diferenteen otras aleaciones envejecibles. En la tabla 5 se indica esta secuencia para las aleaciones mas conocidas ytambin se indica la forma de los precipitados.

Metal base Aleacin Secuencia de precipitados pp. de equilibrioAluminio Al Ag zonas (esferas) " (lminas) "(Ag2Al)

Al Cu zonas (discos)! (discos) ! !(CuAl2)Al Zn - Mg zonas (esferas) M (lminas) MgZn2Al Mg Si zonas (cilindros) # #(Mg2Si)Al Mg - Cu zonas (cilindros y esferas) S S (Al2CuMg)

Cobre Cu Be zonas (discos)" "(CuBe)Cu Co zonas (esferas) #

Hierro Fe C carburos $(discos) Fe3C (lminas delgadas)Fe N % (discos) Fe4N

Ni Ni-Cr-(Ti,Al) " (cubos) "(Ni3Ti Ni3Al)

PRACTICA DEL ENVEJECIMIENTO

En la figura 24 se muestra, a la derecha, el ciclo trmico del envejecimiento. A la izquierda semuestra el diagrama de fases al que corresponde la aleacin, para mostrar las temperaturas del proceso. Lasecuencia del envejecimiento es:

1) Envejecimiento natural: (a) Se calienta una pieza de la aleacin de composicin Cohasta latemperatura T1, que es levemente inferior a la temperatura eutctica. (b) Se mantiene la pieza a esta

temperatura por el tiempo suficiente para que se obtenga una fase %homognea en todo el material.(c) se enfra violentamente la pieza hasta la temperatura ambiente (T 2), para obtener una fase %sobresaturada en B. Se mantiene la pieza a temperatura ambiente y la formacin de un precipitadoocurre de manera natural, obtenindose un endurecimiento del material.

2) Envejecimiento forzado: Los pasos (a); (b) y (c) son los mismos del caso anterior, peroadicionalmente... (d) Se vuelve a calentar la pieza, esta vez a una temperatura T 3(que es inferior a latemperatura de solvus para la aleacin T4), y se mantiene a esa temperatura durante el tiemponecesario para obtener la dureza mxima, despus de lo cual la pieza se enfra para ser usada. Latemperatura T3, en que se obtiene la dureza mxima, se determina experimentalmente y de la mismaforma se encuentra el tiempo ptimo de envejecimiento.

Tabla 5 Diversos precipitados en aleaciones comunes

A

Co B

T2

T1

Lneasolvus T3

a

b

cd

e

e

T4

T

tiempo


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A los pasos (a) y (b) en conjunto se les conoce como solubilizacin o tratamiento por solucin;al paso (c) en algunos casos se le denomina temple, pero ese nombre no es enteramente correcto pues induce a

pensar que estas aleaciones son templables, lo que normalmente no es efectivo. Por ello es preferibledenominarle enfriamiento violento o rpido. El conjunto de etapas es lo que se conoce comoenvejecimiento. En algunos casos, como en algunas aleaciones de titanio y en los aceros maraging, es

posible templar y envejecer sucesivamente, con lo que se obtienen notables propiedades mecnicas.

En el envejecimiento se puede perder si se recalienta las piezas sometidas a este tratamiento, con loque se pierde las propiedades logradas. Por esta razn no se debe soldar un material previamente envejecido.Si se hace esto, se obtendr alrededor de la soldadura, una zona afectada por el calor (z.a.c.) en que setendr una regin de crecimiento de grano y sobresaturada; una regin monofsica sobresaturada y una reginsobreenvejecida, tal como se muestra en la figura 25. Lo anterior indica que al soldar se pierde todo lo ganadoal someter a envejecimiento un material. Esta es la razn del uso de remaches en las lminas de duraluminiodel fuselaje de los aviones, ya que este material ha sido endurecido por envejecimiento natural y por lo tantono puede ser soldado.,

Cordn de soldadura

Crecimiento de granosolubilizacin

sobreenvejecimiento

zona no afectada

Figura 25 Soldadura en una pieza envejecida

tratamientos de fases sólidas

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