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7.1 DEFORMACIN EN FRO DE MATERIALES METLICOSTrabajo en fro de metales es la deformacin permanente de dichos metales y aleaciones por debajo de la temperatura a la que se producen. No se puede definir con exactitud dicha temperatura, la cual define el lmite superior de la zona de trabajo en fri, puesto que vara tanto con la composicin como con la cantidad de deformacin. Una regla emprica aproximada es suponer que la deformacin plstica corresponde al trabajo en fri si este se efecta a temperaturas menores de la mitad del punto de fusin medido sobre una escala absoluta. Un material se considera trabajado en fro si sus granos estn en una condicin distorsionada despus de finalizada la deformacin plstica. Dentro del trabajo en fro se aplica un esfuerzo mayor que la resistencia original del material metlico, lo que produce un endurecimiento por trabajo y al mismo tiempo una deformacin, es decir, este es un proceso por el cual un material metlico se deforma y se endurece al mismo tiempo. El tratamiento trmico llamado recocido se puede usar para mejor la ductilidad y contrarrestar el aumento de dureza causado por el trabajo en fro. El endurecimiento se obtiene durante el trabajo en fro, que se debe al aumento de densidad de dislocaciones, se llama endurecimiento por deformacin o endurecimiento por trabajado. Al controlar el proceso termomecnico se pueden obtener formas de materiales metlicos que se puedan usar, mejorar y controlar sus propiedades mecnicas. El mecanismo de deformacin en fro se basa en: A. Deslizamiento de dislocaciones. Fluencia de dislocaciones: Existe un movimiento de planos al mismo tiempo que se produce el movimiento de las dislocaciones. Depende del tamao de grano (Vector de Burgers; Coeficiente de autodifusin). El lmite desliza en la direccin propia (del lmite de grano). A. Migracin.- El deslizamiento es perpendicular al lmite de grano. B. Formacin de pliegues.-El conocimiento del mecanismo de deformacin es muy importante en el diseo, porque permite estudiar cmo mejorar las propiedades del material. Si se controla la cantidad de deformacin plstica, se controla el endurecimiento por deformacin. Se suele medir la cantidad de deformacin definiendo el porcentaje de trabajo en fro: Porcentaje de trabajo en fro=A0-AdA0100 Donde A0 es el rea transversal original del metal y Ad es el rea de la seccin transversal final despus de la deformacin. La cantidad de trabajo en fro se define en relacin a la reduccin del rea de la seccin transversal de la aleacin, mediante el procesamiento de prensado o torqueado (%CW), como se muestra en la figura 1:

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Fig. 1) Ejemplos de operaciones de trabajo en fri a) prensado de una barra u hoja y b) troquelado en fri de un alambre. Note en estas ilustraciones esquemticas que la reduccin en rea causada por la operacin de trabajo en fro est asociada con una orientacin preferida de la estructura de grano

El endurecimiento por deformacin, que se obtiene por la multiplicacin de dislocaciones, requiere que el material tenga ductilidad. Se usa el endurecimiento por deformacin para aumentar la resistencia del material. La mejor explicacin de las relaciones entre esfuerzo y deformacin la formul Datsko. El describe la regin plstica del diagrama esfuerzo-deformacin con valores reales mediante la ecuacin: donde = esfuerzo real, o =coeficiente de resistencia o coeficiente de endurecimiento por deformacin, = deformacin plstica real, m= exponente para el endurecimiento por deformacin. =0m El esfuerzo de ingeniera es S=e- o bien, S=0me- .El punto mximo en el diagrama carga-deformacin, o en el diagrama esfuerzo deformacin con valores nominales, al menos para algunos materiales, coincide con una pendiente igual a cero. De manera que: 0A0mm-1e-e-e=0 m=u Esta relacin slo es vlida si el diagrama carga-deformacin tiene un punto de pendiente nula.Fig.2 Diagrama esfuerzo-deformacin de ingeniera a partir de datos de prueba de titanio recocido A-40.

Labrado en fro es el proceso de esforzamiento o deformacin de un material en la regin plstica del diagrama esfuerzo deformacin, sin la aplicacin deliberada de calor y significa deformar mecnicamente un metal a temperaturas relativamente bajas. Las propiedades mecnicas resultantes son completamente diferentes de las obtenidas por el labrado en fro.

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3 El efecto del trabajo en fro sobre las propiedades mecnicas del cobre comercial se muestra a continuacin:Fig. 3 Al aumentar el % de trabajo en fro la resistencia a la cedencia y a la tensin aumentan; Sin embargo la ductilidad disminuye y tiende a 0.

El metal se rompe si se intenta ms trabajo en fro. En consecuencia hay una cantidad mxima de trabajo o deformacin en fro que se puede hacer en un material metlico antes de que se vuelva demasiado frgil y se rompa. Se puede predecir las propiedades de un metal o una aleacin si se conoce la cantidad de trabajo fro durante su procesamiento. Entonces se puede decidir si el componente tiene una resistencia adecuada en sus lugares crticos. Existen procesos de manufactura que combinan el trabajo en fro y en caliente como: Extrusin: un material metlico se empuja a travs de un dado para obtener productos con seccin transversal uniforme, como varillas, tubos o las molduras de aluminio para puertas y ventanas. Moldeo por estiramiento y doblado: se usan para conformar o moldear materiales en lmina. Laminado: se usa para producir, placas laminas u hojas de metal. Forjado: Deforma el material en la cavidad de una matriz, dado, troquel o molde, produciendo formas relativamente complicadas como los cigeales y las bielas de los automviles. Trefilado o estirado: se tira de una barrilla metlica a travs de un dado para producir un alambre o fibra. Estampado profundo: se usa para formar el cuerpo de las latas de aluminio para bebidas.

Fig. 4 Procesos de manufactura.

Relacin entre el trabajo en fro y la curva esfuerzo-deformacin unitaria.

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4 En la figura 4 (a) se muestra una curva de esfuerzo-deformacin unitaria para un material dctil. Si se aplica un esfuerzo 1 mayor a la resistencia de cadencia y, causan una deformacin permanente. Al retirar el esfuerzo, deja una deformacin unitaria 1, entonces haciendo un ensayo de tensin al material que se esfuerzo hasta 1 se obtiene la curva de esfuerzo-deformacin (figura b). Donde el nuevo espcimen del ensayo comenzara a deformarse plsticamente, o a fluir a un valor de esfuerzo 1.

El esfuerzo de fluencia se define como el esfuerzo necesario para iniciar el flujo plstico en el material ya deformado. 1 es ahora el esfuerzo de fluencia del material, si se contina aplicando el esfuerzo hasta llegar a 2 y se libera el esfuerzo, se ensaya el material metlico, el esfuerzo de fluencia es 2. Cada vez que se aplica un esfuerzo mayor, el esfuerzo de fluencia y la resistencia (mxima) a la tensin aumenta, disminuyendo 4su ductilidad. El La fig. muestra el desarrollo del material metlico se fortalece hasta que el esfuerzo de fluencia y la resistencia endurecimiento por deformacin a (mxima) a la tensin y de ruptura son iguales, y no partir del diagrama c). En hay ductilidad (fig. de esfuerzo este punto, el material metlico ya no se puede deformar plsticamente. Figura una muestra deformacin. A) se sujeta 5. a un esfuerzo que excede el lmite elstico antes de que aparezca el esfuerzo. B) ahora la muestra tiene un lmite elstico y una resistencia a la tensin ms alta, pero menor ductilidad. C) la resistencia se seguir incrementado y la ductilidad El trabajo en fri es una forma eficaz de moldear materiales metlicos. Y al mismo tiempo aumentar su resistencia, la desventaja de este proceso es la perdida de ductilidad. 7.1.1 DEFINIR EN QU CONDICIONES DE TEMPERATURA SE CONSIDERA QUE UN MATERIAL METLICO SE DEFORMA PLSTICAMENTE. El material se deforma a temperaturas que estn por debajo de la temperatura de rescristalizacin que es la temperatura a la que los granos de la microestructura trabajada en fro comienzan a transformarse en nuevos granos, equixicos y sin dislocaciones. Esto resulta en un proceso ms barato que si se trabajara al caliente. Usualmente la temperatura de operacin es la temperatura ambiente. Sin embargo existen materiales como el plomo o el estao que cuya temperatura re recristalizacion es menor a la del ambiente y no pueden trabajarse en fro. La resistencia y la ductilidad, o la fragilidad, son propiedades afectadas por la temperatura del entorno operacin. 4

5 Se ha realizado numerosos ensayos de metales frreos sometidos a cargas constantes con temperaturas elevadas durante lapsos prolongados. Se encontr que las probetas se deformaban permanentemente durante los ensayos, aun cuando en ocasiones los esfuerzos reales eran menores que la resistencia cedente del material evaluada en pruebas de corto tiempo realizadas a la misma temperatura. Esta deformacin continua bajo la carga se llama flujo plstico (en ingls creep).

Fig. 7 Grafica de flujo plstico-tiempo El diagrama se obtiene a una temperatura constante especificada. Un cierto nmero de ensayos suele efectuarse simultneamente con distintas intensidades de esfuerzo. La curva presenta tres regiones o etapas. En la primera estn incluidas la deformacin elstica y plstica. En esta etapa ocurre un flujo decreciente que se debe al endurecimiento por deformacin. En la segunda etapa se tiene una variacin mnima constante del escurrimiento que proviene del efecto de recocido. En la tercera, la probeta experimenta una considerable reduccin de rea transversal, se intensifica el esfuerzo y el escurrimiento plstico acentuado conduce finalmente a la ruptura. 7.1.2 BENEFICIOS OBTENIDOS POR LA DEFORMACIN EN FRO DURANTE LAS OPERACIONES DE ACABADO. Se utilizan muchas tcnicas para, de manera simultnea, conformar y endurecer un material por trabajo en fro. Para producir placa, hoja o lmina de metal se utiliza el laminado. El forjado deforma el metal al introducirlo en moldes, a fin de producir formas relativamente complejas, como cigeales o bielas de automvil. En el trefilado, se jala un metal o en polmero a travs de un molde para producir un alambre. En la extrusin, se empuja un material a travs de un molde parea formar productos de seccin transversal uniforme, incluyendo varillas, tubos o biseles de aluminio para puertas y ventanas. El embutido se utiliza para formar el cuerpo de latas de aluminio para bebidas. El estirado o el doblado se utilizan para darle forma al material en lminas El trabajado en fro, del lingote al producto acabado (naturalmente, con las etapas de recocido intermedias necesarias) se aplica solamente en el caso de unas cuantas aleaciones. Estas incluyen tanto aleaciones muy maleables en fro, as como aqullas que se vuelven quebradizas al calentarse. El trabajado en fro se aplica ms frecuentemente en los pasos de acabado de la produccin. Sus funciones son: 5

6 A. La obtencin de dimensiones precisas en el producto acabado. B. La obtencin de un acabado limpio, terso. C. Ajustando la cantidad de trabajado en fro en la operacin final despus del recocido, para obtener el grado requerido de dureza o "temple", en aleaciones que no pueden ser endurecidas por tratamiento trmico. La elevacin de la temperatura de una aleacin generalmente aumenta su maleabilidad pero reduce su ductilidad. Luego, en procesos de trabajo en caliente, siempre estamos empujando la aleacin a forma, mientras que en las operaciones de trabajado en fro frecuentemente aprovechamos la alta ductilidad de algunas aleaciones cuando estn fras, estirndolas a la forma requerida. Por lo tanto, los procesos que contienen estirado del metal a travs de un dado, siempre son operaciones de trabajado en fro. A continuacin se estudiarn los principales procesos de trabajado en fro, que se

emplean en las industrias metalrgicas:

Laminado en fro. El laminado en fro se aplica durante las etapas de acabado de produccin, tanto de solera como de perfiles y tambin en la produccin de materiales muy delgados, por ejemplo papeles. El tipo de laminadora usada en la produccin de estos ltimos, se ilustra en la Fig. . En la mayor parte de los otros casos, las laminadoras en fro son de diseo similar a las que se usan para laminado en caliente. La produccin de papel metlico de acabado especular, se lleva a cabo en cilindros confinados en un cubculo con aire acondicionado, y los cilindros mismos se pulen frecuentemente con estopa limpia. Slo trabajando en un ambiente perfectamente limpio, con cilindros perfectamente pulidos, se pueden obtener papeles metlicos de grado superior. Adems de la calidad del acabado, los objetos de laminado en fri poseen precisin en las dimensiones y ajuste del temple correcto en el material.

Fig. 8 Proceso del laminado en fro.

Estirado de secciones slidas y huecas. El estirado es exclusivamente un proceso de trabajo en fri, ya que se apoya ligeramente sobre la alta ductilidad de los materiales estirados. Tanto en las secciones slidas como en las tubulares se produce un estirado a travs de dados y todo el alambre se manufactura por este proceso. En la manufactura de tubos, puede mantenerse el agujero por el empleo de un mandril. El alambre y materiales que pueden ser enrollados se jalan a travs de un dado, para enrollarlos sobre el tambor. 6

7 Los dados de estirado estn hechos (dependiendo de la aplicacin) de acero al carbono de alto grado; de aceros al tungsteno y al molibdeno; de carburo de tungsteno (un perdign de carburo de tungsteno encerrado en una caja de acero) y, para alambre de cobre muy fino, de diamante. Prensado en fro y embutido. Estos procesos estn tan ntimamente ligados entre s que es difcil definirlos separadamente. Las operaciones varan, desde hacer un prensado adecuado en una sola etapa, al ahuecado, seguido de varios estirados. En cada caso, las componentes se producen de lmina y varan desde carroceras de automvil a cartuchos (latn 70/30), cpsulas de proyectiles y botes de aluminio para leche. La operacin de embuticin demanda una alta ductilidad en la materia prima de la lmina, y por lo tanto, slo una gama limitada de aleaciones sirve para esta especie. Las ms conocidas son: latn 70130, cupro-nquel, cobre puro, aluminio puro y algunas de sus aleaciones, as como algunas de las aleaciones de alto nquel. El hierro dulce puede troquelarse y, hasta cierto punto, embutirse. Se usa en la manufactura de muchas partes de automvil y bicicletas. Pasos tpicos en un proceso de embuticin, se ilustran en la Fig. 11. pero debe notarse que puede o no presentarse el adelgazamiento de la pared de este proceso. Si es necesario el adelgazamiento de la pared, debe entonces usarse una de las aleaciones ms dctiles. Aun cuando el proceso de corte y bombeado primario, se puede efectuar en mquinas diferentes, generalmente se emplea una herramienta de combinacin, de manera que ambos procesos tengan lugar en una misma mquina.

Fig. 9 El troquelado en fro se usa mucho, y aleaciones que no son suficientemente dctiles para la embuticin, son generalmente adecuadas para formado por troquelado simple.

Troquelado. El troquelado es en realidad un proceso de forja en fri, y se utiliza para la produccin de monedas, medallones y artculos similares. Se ha usado experimentalmente para producir7

8 componentes de ingeniera de dimensiones exactas. Es esencial una aleacin maleable para este tipo de procesos, con objeto de evitar el desgaste excesivo de los dados.

Rechazado.El rechazado es un proceso relativamente simple, en el cual se fija un disco circular de metal, a la mordaza giratoria de un torno. Al girar el disco, es presionado a forma, por medio de herramientas operadas manualmente, hechas de acero, o de madera dura, achatadas y que descansan sobre un soporte manual. La funcin de la herramienta manual es su aplicacin por presin al metal, en contacto con una horma del perfil deseado. Esta ltima se encuentra tambin fija a la mordaza rotatoria. La operacin es, en algunos aspectos, similar a la que se efecta en una rueda de alfarero, en la cual el trozo de barro esta sustituido por un disco metlico plano. Frecuentemente se producen reflectores de gran tamao, teteras de aluminio y botellas de agua caliente, as corno otros aparatos domsticos huecos, o rechazados. Para moldear y endurecer al mismo tiempo un material se utilizan muchas tcnicas como: laminado, forjado, trefilado y estirado, extrusin, estampado profundo, moldeo por estiramiento y doblado. El laminado se usa para producir placas, lminas u hojas de metal. El forjado deforma el metal en la cavidad de una matriz, dado, que el troquel o molde, produciendo formas relativamente complejas, como cigeales o bielas de automvil. En el trefilado o estirado se tira de una verilla metlica a travs de un dado para producir un alambre o fibra. En la extrusin, se empuja un material travs de un molde para formar productos de seccin transversal uniforme, incluyendo varillas, tubos o biseles de aluminio para puertas o ventanas. El estampado profundo, se utiliza para formar el cuerpo de las latas de aluminio para bebidas. El estirado y el doblado se utilizan para darle forma a material en lminas.

Por lo anterior, el trabajo en fro es una forma eficaz de moldear los materiales metlicos, y al mismo tiempo de aumentar su resistencia. Al controlar la deformacin, se controla el endurecimiento por deformacin normalmente se mide la deformacin definiendo el porcentaje de trabajo en fri con la ecuacin ya antes mencionada. Al incrementar el trabajo en fri, tanto el limite elstico como la resistencia a la tensin aumentan; la ductilidad, sin embargo, se reduce acercndose a cero. Si se intenta mas trabajo en fro el metal se romper. Por lo tanto, existe un mximo de trabajo en fri, es decir de deformacin que puede aplicarse a un metal. 8

9 En contraste con las piezas producidas por el trabajo en caliente, las que se labran en fro tienen un acabado nuevo brillante, son ms exactas. El trabajo en fro mejora la resistencia, maquinabilidad, exactitud dimensional y terminada de superficie de metal, debido a que la oxidacin es menor para el trabajo en fro. En las siguientes figuras se mostraran esquemas de las tcnicas de procesamiento por deformacin.

Fig. 10 Procesamiento de las figuras anteriores: (a) Rolado o laminado (b) Forjado (c) Trefilado (d) Extrusin (e) Embutido (f) Estirado (g) Doblado

7.1.3 EFECTO DEL TRABAJO EN FRO SOBRE LAS PROPIEDADES FSICAS, QUMICAS Y MECNICAS DE LOS MATERIALES METLICOS. El efecto del trabajo en fro sobre las propiedades mecnicas del cobre comercialmente puro se muestra en la fig. Al aumentar el trabajo en fro, la resistencia de cadencia y la resistencia a la tensin aumentan; a un sin embargo, la ductilidad disminuye y tiende a cero. El material se rompe si se intenta ms trabajo. Existe una cantidad mxima de trabajo o deformacin en fro que se puede hacer en un material metlico antes de que se vuelva demasiado frgil y se rompa. Un material se considera trabajado en fro si sus granos estn en una condicin distorsionada despus de finalizada la deformacin plstica. Todas las propiedades de un metal que dependan de la estructura reticular se ven afectadas por la deformacin plstica o por el trabajado en fro. La resistencia a la tensin, la resistencia a la cadencia o fluencia y la dureza aumentan, mientras que la ductilidad, representada por el porcentaje de alargamiento, disminuye. Aunque la resistencia y la dureza aumentan la rapidez de cambio para cada una no es la misma. La dureza suele aumentar ms rpidamente en 9

10 el primer 10% de reduccin, en tanto que la resistencia a la tensin aumenta ms 0 menos linealmente. La resistencia a la cadencia aumenta ms rpidamente que la resistencia a la tensin, as que a mayor intensidad de deformacin plstica, el intervalo entre las resistencias de cadencia y de tensin disminuye. Esto es importante en ciertas operaciones de formado en que se necesita una deformacin apreciable; por ejemplo, en el estirado la carga debe tener un valor superior al punto de cadencia para lograr una deformacin apreciable, pero debe ser menor a la resistencia a la tensin para evitar fallas. Si el intervalo es reducido, se necesita un control muy preciso de la carga aplicada. La ductilidad sigue una trayectoria opuesta a la de la dureza, un gran decremento en el primer 10% de reduccin y despus una disminucin con una rapidez menor.

Fig. 11 Muestra la distorsin de la estructura reticular impide el flujo de electrones y disminuye la conductividad elctrica. Este efecto es leve en metales puros, pero apreciable en aleaciones.

El incremento en energa interna, sobre todo en las fronteras de grano, hace al material ms susceptible a la corrosin intergranular con lo cual se reduce la resistencia a la corrosin. Conocida como esfuerzo de corrosin, sta es una aceleracin de la corrosin en ciertos medios debida a los esfuerzos residuales restantes del trabajo en fro. Una forma de evitar el agrietamiento por el esfuerzo de corrosin es aliviar los esfuerzos internos mediante un tratamiento trmico adecuado despus del trabajo en fro y antes de poner al material en servicio. La dureza y resistencia de las aleaciones se incrementan conforme se incrementa el porcentaje de trabajado en fro, proceso llamado endurecimiento por deformacin. El mecanismo para este endurecimiento es la resistencia a la deformacin plstica causada por la alta densidad de las dislocaciones producidas en el trabajado en fro.

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11 La densidad de dislocaciones puede expresarse como la longitud de lneas de dislocaciones por volumen unitario (es decir, m/m3 o unidades netas de m-2 , con una correspondiente baja dureza. Una aleacin con mucho trabajo en fro puede tener una densidad de dislocacin tan alta como 10 16m-2 con una dureza significativamente ms alta as como su resistencia. Para un metal policristalino en donde la curva de liberacin de energa se muestra en la parte inferior como referencia. 1. Dureza: Por lo general solo hay un pequeo cambio en dureza durante la recuperacin, cerca de una quinta parte de cambio total. Puesto que la dureza y la resistencia disminuyen con la reduccin de las densidades de dislocaciones, la figura indica solamente una pequea cada en la densidad de las dislocaciones durante la recuperacin, pero seala una gran cada durante la recristalizacin. Se espera el ltimo resultado debido a que los nuevos granos recristalizados no tiene esencialmente deformacin. 2. Resistividad: La resistividad elctrica de los metales es una medida de la resistencia presenta por la red metlica al flujo de electrones que es producido por un campo elctrico. Los defectos de la red pueden actuar como sitios de dispersin para los electrones movilizados, y por ello pueden incrementar la resistividad. Los defectos puntuales como las vacancias y los tomos intersticiales son ms eficaces para las dislocaciones, de la manera que los cambio en la resistividad reflejan cambios en la concentracin de vacancia y de tomos intersticiales. 3. Densidad: La densidad de un metal trabajado en fro disminuye debido a la generacin de vacancias. Las dislocaciones de borde contribuyen tambin a reduccin de la densidad debido a la dilatacin de la red. Cerca de este tipo de dislocaciones. 4. Tamao de Celda: El tamao de la celda aumenta ligeramente solo en la primera parte de la etapa pero muestra un incremento definido antes de la recristalizacin. 7.1.4 ENERGA ALMACENADA DURANTE LA DEFORMACIN EN FRO DE LOS MATERIALES METLICOS

La energa gastada en el trabajo en fro aparece, en su mayor parte, en forma de calor, pero una fraccin limitada se almacena en el metal como energa de deformacin asociada con diversos defectos reticulares creados por la deformacin. La cantidad de energa vara desde un pequeo porcentaje hasta ms o menos un 10 % y depende del proceso de deformacin y de otras variables, por ejemplo, composicin del metal y temperatura de deformacin.La energa almacenada se incrementa con el aumento de la deformacin, de manera que la fraccin de la energa total almacenada disminuye con el 11

12 aumento de la deformacin. El valor mximo de la energa almacenada en la fig. 7 es de solo 6 cal/mol

Cuando una aleacin se deforma plsticamente, se producen muchos defectos en la red cristalina y, estos defectos, junto con la deformacin elstica sirven como mecanismos para el almacenamiento de energa en la aleacin.

Cierto nmero de investigadores han indicado que la fraccin de energa que permanece en el metal vara desde un pequeo porcentaje hasta algo como el 10%. La figura muestra la relacin entre la energa almacenada y la cantidad de deformacin en un metal especfico (cobre policristalino, 99.999% de pureza) para un tipo de deformacin especfica (deformacin en tensin).Fig. 12 Energa almacenada del trabajo en fro y fraccin del trabajo total de deformacin que queda como energa almacenada graficada en funcin del alargamiento de tensin.

La cantidad de energa almacenada puede ser aumentada grandemente por el aumento en la severidad de la deformacin, por el descenso de la temperatura de deformacin, y por el cambio del metal puro en una aleacin. El aumento en la densidad de las dislocaciones aumenta la energa de deformacin del metal. La creacin de los defectos de punto durante la deformacin plstica se reconoce tambin como una fuente de energa retenida. La energa libre de un metal deformado es mayor que la del metal recocido en una cantidad aproximadamente igual a la energa de deformacin almacenada. La deformacin plstica aumenta ciertamente la entropa de un metal, el efecto es pequeo comparado al aumento en energa interna (la energa de deformacin retenida). El termino -TS en la ecuacin de energa libre puede, por tanto, ser desestimado y el aumento en la energa libre igualado directamente a la energa almacenada. Por tanto: F=E-TS Se vuelve: F=E Donde: F = Energa libre asociada con el trabajo en fro. E = Energa de deformacin interna o almacenada. S = Aumento en entropa debido al trabajo en fro. T = Temperatura absoluta. 12

13 Un material no retorna por lo general a la condicin de recocido como resultado de un movimiento atmico, o de vacancias simples, debido a la complejidad del estado de trabajo en fro. Ocurre cierto nmero de movimientos diferentes, cuyo efecto total es el recuperar una condicin equivalente a la poseda por el metal antes que fuese trabajo en fro. En consecuencia, calentando un metal deformado se apresura su retorno al estado de recocido. Cuando una aleacin se deforma plsticamente, se producen muchos defectos en la red cristalina y, estos defectos, junto con la deformacin elstica sirven como mecanismos para el almacenamiento de energa en la aleacin Cuando se deforma plsticamente un metal a bajas temperaturas se dice que el metal es trabajado en fro. No se puede expresar con exactitud la temperatura que define el lmite superior de la zona de trabajo en fro, puesto que vara tanto con la composicin como con la cantidad de deformacin. La energa gastada en el trabajo en fro aparece, en su mayor parte, en forma de calor, pero una fraccin limitada se almacena en el metal como energa de deformacin asociada con diversos defectos reticulares creados por la deformacin. La cantidad de energa retenida depende del proceso de deformacin y de un determinado nmero de otras variables, por ejemplo, composicin del metal y temperatura de deformacin. La energa almacenada se incrementa con el aumento de la deformacin, pero en una proporcin decreciente, de manera que la fraccin de la energa total almacenada en el metal disminuye con el aumento de la deformacin. La cantidad de energa almacenada puede ser aumentada gradualmente por el aumento en la severidad de la deformacin, por el descenso de la temperatura de deformacin, y por el cambio del metal puro en una aleacin. El trabajo en fro es capaz de aumentar el nmero de dislocaciones en un metal por un factor tan grande como 10,000 a 1.000,000. Como tales dislocaciones representan un defecto del cristal con una deformacin reticular asociada, el aumento en la densidad de las dislocaciones aumenta la energa de la deformacin del metal. Mecanismos de almacenamiento de energa.

1.

Deformacin elstica: La deformacin reticular producir un desplazamiento de lnea en las radiografas de rayos X de un metal, de modo que se puede calcular la deformacin y, de aqu, la energa de deformacin a partir del examen de rayos X de los metales. Los experimentos indican que la energa de deformacin elstica representa solamente de un 5 a 10% de la energa total que se ha almacenado. Defectos reticulares: La deformacin plstica producir los defectos siguientes en la red cristalina: dislocaciones, vacancias, tomos intersticiales, fallas de apilamiento y lmites de macla. La fraccin de energa almacenada que es producida por cada uno de estos defectos depende de dos factores, la energa del defecto y la densidad de 13

2.

14 defectos producida por deformacin. Los dos defectos ms importantes producidos por deformacin a temperatura ambiente son las dislocaciones y las vacancias. Las vacancias son solamente una pequea fraccin de la energa almacenada total de modo que la porcin principal de esta energa, generalmente alrededor de un 80 a 90%, se debe a la generacin de dislocaciones. El trabajo mecnico severo en fro de un metal recocido incrementar la densidad de dislocaciones desde alrededor de 107 a 1011 dislocaciones por centmetro cuadrado. La distribucin de dislocaciones en la matriz trabajada en fro puede observarse en un microscopio electrnico de transmisin. Se observa que si las dislocaciones tienen una baja movilidad a la temperatura de deformacin, aparecen como un arreglo bastante aleatorio en el metal deformado. Sin embargo, las dislocaciones pueden tener deslizamiento transversal (alta energa de falla de apilamiento) inmediatamente empiezan a condensarse en grupos, de modo que el metal tiene regiones de alta y baja densidad de dislocaciones. Las regiones de baja densidad de dislocaciones se llaman clulas o subgranos. El aluminio deformado a temperatura ambiente forma una estructura de subgrano o celular distinta, debido a que su alta energa de falla de apilamiento no inhibe el deslizamiento transversal. Por lo tanto, si se examinara un grano de aluminio trabajado en fro, en un microscopio electrnico de transmisin (MET), el grano no aparecera como un pequeo monocristal, sino que se llenara de subgranos. En general, se observa que si despus de la deformacin no estn presentes en grupos o laberintos de dislocaciones distintas en un metal, el recocido har que se formen y el recocido adicional condensar los grupos para formar lmites de subgrano claramente definidos. Estos resultados muestran que la red de las dislocaciones puede disminuir su energa al formar grupos en vez de arreglos al azar. Es muy difcil calcular exactamente la energa de los arreglos de las dislocaciones producidos por deformacin debido a la complejidad de los mismos y la incertidumbre en las energas de interaccin entre las dislocaciones. Es importante tener en cuenta que los granos trabajados en fro que aparecen como pequeos monocristales perfectos bajo un microscopio ptico pueden consistir de millones de subgranos pequesimos con orientaciones cristalogrficas levemente diferentes, separados por paredes celulares compuestas de conglomerados de dislocaciones condensadas. Variables que afectan la cantidad de energa almacenada.

1.

2.

Pureza. La adicin de tomos de impureza a un metal incrementa la cantidad de energa almacenada para una deformacin determinada. Aparentemente los tomos de impureza estorban el movimiento de las dislocaciones y, por eso, producen una multiplicacin aumentada de dislocaciones. Deformacin. Los procesos ms complejos de deformacin producen energas almacenadas ms altas. Una tensin simple puede activar el deslizamiento nicamente sobre dos planos de deslizamiento en un metal ccc, mientras que una deformacin ms compleja, como la extrusin, activar generalmente el deslizamiento en las cuatro posibles familias de planos de deslizamiento. En el ltimo caso, la interseccin de 14

15 dislocaciones ser mucho ms frecuente, dando lugar a densidades ms altas de dislocacin. Temperatura. La deformacin a temperaturas ms bajas incrementa la cantidad de energa almacenada. Esto se debe a que hay menos energa trmica que ayude a la liberacin de energa y reduzca la interaccin entre los defectos durante la deformacin. Tamao de grano. La cantidad de energa almacenada se incrementa al disminuir el tamao de grano. Considrese un grano grande que es deformado una cantidad dada. Ahora imagnese el mismo volumen dividido en muchos granos pequeos y, luego, deformado la misma cantidad. En este segundo caso, la deformacin generara muchas ms interacciones grano-lmite-dislocacin. Ya que los lmites de grano son eficaces para bloquear las dislocaciones, el tamao menor de grano ayuda a la interaccin y la multiplicacin de las dislocaciones. Se ha demostrado que la densidad de dislocaciones producida por deformacin es inversamente proporcional al tamao de grano.

3.

4.

Liberacin de energa almacenada durante el recocido. Hay cierto nmero de diferentes tcnicas experimentales para medir la cantidad de energa almacenada en un metal. Al calentarse un metal trabajado en fro, la energa almacenada se libera cuando la temperatura es suficiente para permitir que se efecten los procesos de relajacin. Esta liberacin de energa puede medirse comparando el comportamiento de recocido en un espcimen trabajado en fro y uno recocido. Una tcnica implica calentar una muestra trabajada en fro y otra que haya sido recocida en tanto que se mide la diferencia de potencia requerida para incrementar la temperatura de ambas muestras en igual forma. Utilizando esta tcnica se obtienen diferentes tipos de curvas, como las graficadas en la Fig.16. En relacin con estas curvas hay tres tipos importantes: 1. En cada caso los granos recristalizados aparecen primero en el inicio de un mximo de potencia. 2. La fraccin de energa almacenada que es liberada durante la recuperacin es pequea para el tipo A y grande para el tipo C. 3. Las curvas del tipo A se obtienen por lo general para metales puros, y las del tipo B o C para metales impuros. Hay varios mtodos bsicos diferentes por los que se efecta la liberacin de energa. En el primero, el mtodo de recocido anisotrmico, el metal trabajado en fro se calienta continuamente desde una temperatura ms baja a una ms elevada y la liberacin de la energa se determina en funcin de la temperatura. Una forma de recocido anisotrmico mide la diferencia en potencia requerida para calentar dos probetas similares a la misma velocidad. Una de las dos probetas en trabajada en fro antes del ciclo de recocido, en tanto que la otra sirve como un estndar y no se deforma. Durante el ciclo de calentamiento, la probeta trabajada en fro sufre reacciones que liberan calor y bajan la fuerza requerida para calentarla en comparacin con la requerida para calentar la probeta estndar. 15

16 El otro mtodo a estudiar la liberacin de energa implica el recocido isotrmico. Aqu se mide la energa liberada mientras se mantiene a la probeta a una temperatura constante. Estas grandes liberaciones de energa aparecen en forma simultnea con el crecimiento del todo nuevo de cristeles esencialmente libres de Cuando una aleacin se deforma plsticamente, se producen muchos defectos en la red cristalina y, estos defectos, junto con la deformacin elstica sirven como mecanismos para el almacenamiento de energa en la aleacin. Cierto nmero de investigadores han indicado que la fraccin de energa que permanece en el metal vara desde un pequeo porcentaje hasta algo como el 10%. La figura muestra la relacin entre la energa almacenada y la cantidad de deformacin en un metal especfico (cobre policristalino, 99.999% de pureza) para un tipo de deformacin especfica (deformacin en tensin).

La cantidad de energa retenida depende del proceso de deformacin y de un determinado nmero de otras variables, por ejemplo, composicin del metal y temperatura de deformacin. La energa almacenada se incrementa con el aumento de la deformacin, pero en una proporcin decreciente, de manera que la fraccin de la energa total almacenada en el metal disminuye con el aumento de la deformacin. La cantidad de energa almacenada puede ser aumentada gradualmente por el aumento en la severidad de la deformacin, por el descenso de la temperatura de deformacin, y por el cambio del metal puro en una aleacin. El trabajo en fro es capaz de aumentar el nmero de dislocaciones en un metal por un factor tan grande como 10 000 a 1 000 000. Como tales dislocaciones representan un defecto del cristal con una deformacin reticular asociada, el aumento en la densidad de las dislocaciones aumenta la energa de la deformacin del metal. 7.1.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TRABAJO EN FRO DE LOS MATERIALES METLICOS. Se pueden endurecer el material metlico y al mismo tiempo obtener la forma final que se desee. Se pueden obtener tolerancias dimensinales y acabados superficiales excelentes mediante el proceso de trabajo en fro.

16

17 Es un mtodo poco costoso para producir grandes cantidades de piezas pequeas, no necesitan grandes esfuerzos ni costosos equipos de conformacin. No necesita elementos de aleacin por lo tanto se pueden usar materias primas de ms bajos costos. Algunos materiales como el Magnesio (HCP) tienen una cantidad limitada de sistemas de deslizamiento y son bastante frgiles a temperatura ambiente; solo se les puede hacer poco trabajo en fro. El trabajo en fro perjudica la ductilidad, la conductividad elctrica y la resistencia a la corrosin. Es una forma satisfactoria de fortalecer los materiales conductores, como los alambres de cobre que se usan para transmitir la corriente elctrica. Los esfuerzos y el comportamiento anisotrpico puede ser benficos si se controlan en forma adecuada. y si no se controlan bien las propiedades del material se van a afectar en gran medida. El efecto de trabajo en fro disminuye o se elimina a temperaturas mayores. No se puede usar como mecanismo de endurecimiento para componentes que estarn sujetos a altas temperaturas durante la aplicacin o el servicio. Algunas tcnicas de procesamiento por deformacin solo se pueden lograr por el trabajo en fro. Por ejemplo, el estirado de un alambre requiere tirar de una varilla a travs de un dado para producir una

seccin transversal de rea menor.

El %CW afecta a las propiedades del material. Al endurecer por solucin slida sobresaturada la conductividad elctrica disminuye mucho. Con el CW la conductividad elctrica se mantiene aproximadamente constante.. 17

18 La resistencia a la corrosin disminuye con el CW porque todos los defectos que induce el CW en la superficie del material son zona preferente para la formacin de defectos del tipo de picaduras, sopladuras, etc. Otra caracterstica es que no se produce de carburizacin ni oxidacin superficial. El xido de una chapa de la laminacin se elimina mediante una limpieza superficial con un cido (decapado), o bien con un mecanizado. Para evitar llegar a rotura se intercalan recocidos contra acritud en las distintas etapas para ablandar un poco al material. A veces el ltimo recocido es de restauracin para que el material tenga cierta dureza. Es ms interesante terminar con una etapa de deformacin si queremos controlar el endurecimiento, porque los recocidos son muy sensibles a los cambios de temperatura, que producen ablandamientos distintos en las diferentes zonas de la chapa. En los hornos industriales es muy difcil controlar la temperatura con precisin. Por eso es ms difcil controlar el recocido que controlar el endurecimiento en la etapa de deformacin. Conducta anisotrpica (distinto valor de las propiedades) en la direccin de mximo esfuerzo. A veces interesa tener mejores propiedades mecnicas en una determinada direccin. Por ejemplo, tener tensiones residuales es muy interesante para la resistencia a la fatiga. En laminacin, las tensiones residuales de compresin son muy buenas para evitar la fatiga. Algunos procesos de conformado pueden realizarse slo si se realiza la deformacin en fro, como el trefilado, porque necesitamos que exista ese endurecimiento que se produce durante la deformacin en el material para evitar que se rompa a la salida. La tensin a la salida tiene que ser inferior al valor del lmite elstico que ha adquirido el material. Esto slo se consigue si se cambia su lmite elstico (se endurece). Si eso no ocurre el material se rompera a la salida. El efecto de la textura cristalogrfica es consecuencia de que los granos se alarguen. Esos cristales se orientan en la direccin de mxima deformacin. En el caso de la laminacin, la textura cristalogrfica se define en funcin de los planos que son paralelos a la superficie de laminacin y direcciones de mxima deformacin.

7.2 TRATAMIENTO TRMICO DE RECOCIDO PARA MATERIALES METLICOS DEFORMADOS EN FROEl trabajo en fro es un mecanismo til de endurecimiento, se le considera como una herramienta muy eficaz para conformar materiales mediante trefilado, laminado, extrusin, etc. A un sin embargo causa efectos que no se desean en ocasiones como la perdida de ductilidad o el desarrollo de esfuerzos residuales. Como le trabajo en fro o el endurecimiento por deformacin se debe a una mayor densidad de dislocaciones. Consiste en la exposicin a elevada temperatura durante un prolongado perodo de tiempo, seguido de un enfriamiento hasta temperatura ambiente a velocidad relativamente lenta; se han tratado varios tipos de recocido. Durante el recocido, la pieza con acritud se ablanda y ductiliza como 18

19 consecuencia de la recristalizacin. Las tensiones residuales internas se eliminan durante el recocido de eliminacin de tensiones. En las aleaciones frreas, el normalizado se utiliza para afinar el tamao del grano. Las caractersticas de la conformacin metlica se modifican por los tratamientos de recocido total y de esferoidizacin, que producen microestructuras consistentes en perlita gruesa y esferoidita, respectivamente.En los aceros de alta resistencia, la mejor combinacin de propiedades mecnicas se consigue desarrollando una microestructura predominantemente martenstica en su seccin y reveniendo esta martensita durante el calentamiento a cierta temperatura. La templabilidad es un parmetro utilizado para averiguar la influencia de la composicin en la susceptibilidad a la formacin de mieroestructura predominantemente martenstica en el temple. La templabilidad se determina mediante el ensayo estndar Jominy que permite trazar las curvas de templabilidad.El medio de temple ms utilizado es el agua, seguido del aceite y el aire. La relacin entre velocidad de enfriamiento y tamao y geometra de la muestra (expresada mediante grficas empricas) son otros factores que influyen en la formacin de martensita. Estas grficas y los datos de templabilidad permiten dibujar los perfiles de dureza a travs de la seccin. Algunas aleaciones son capaces de endurecerse por precipitacin, esto es, aumentan su resistencia por formacin de una segunda fase, o precipitado, de partculas muy pequeas. El control del tamao de partcula y, consiguientemente, la resistencia se consigue mediante dos tratamientos trmicos. El tratamiento de precipitacin a temperatura constante incrementa la resistencia con el tiempo hasta un mximo y decrece durante el sobreenvejecimiento. Este proceso se acelera al aumentar la temperatura. El fenmeno del aumento de resistencia se explica en trminos de la dificultad de movimiento de las dislocaciones por deformacin de la red, que tienen lugar en la proximidad de las microscpicamente pequeas partculas precipitado. El recocido es un tratamiento trmico para eliminar algunos o todos los defectos de trabajo en fro. Se puede usar el recocido a bajas temperaturas para eliminar algunos o todos los efectos de trabajo en fro, sin afectar las propiedades mecnicas de la parte terminada; tambin se utiliza para eliminar por completo los esfuerzos residuales que se producen durante el trabajo en fro.

19

20

Fig. 15 Tratamientos trmicos.

Combinando ciclos de trabajo en fro y de recocido, se pueden alcanzar grandes deformaciones totales, finalmente, el recocido a baja temperatura puede ser utilizado para eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en fro, sin afectar las propiedades mecnicas de la pieza terminada.Fig. 16 Efecto de recocido sobre la estructura y cambios de las propiedades metlicas de un metal trabajado en fro.

Textura del recocido. El recocido elimina la mayora de los efectos del trabajo en fro, puede persistir una textura u orientacin preferencial, provocando que el metal recocido sea anisotrpico. Generalmente las texturas con indeseables, en ocasiones la textura de recocido es de utilidad como en el material limitado de hierro silicio, utilizado para transformadores elctricos. Control de las propiedades combinando el trabajo en fro y el recocido. Aprovechando el recocido se puede incrementar la cantidad de deformacin realizable, si se requiere reducir una placa de 5 in de espesor a 0.05 in, es posible realizar el mximo trabajo en fro, recociendo el material para restablecer su condicin de ductilidad, y despus trabajndolo en fro repitiendo hasta obtener el espesor apropiado. Implicacin del recocido en las propiedades a altas temperaturas. Tanto el endurecimiento por deformacin como el enfurecimiento por tamao de grano son inapropiados para una aleacin que se utilizara a temperaturas elevadas. Cuando el metal se pone en servicio a alta temperatura, la rescristalizacin causa inmediatamente un desastroso de cremento en su resistencia mecnica. Adems si la temperatura es suficientemente alta, la resistencia continuara disminuyendo debido al crecimiento de grano de los granos recin recristalizados (Fig. 16). Tanto el control de trabajo en fro como el del crecimiento de grano son mecnicamente son mecanismos de endurecimiento inadecuados para aplicaciones a temperaturas elevadas. 20

21

7.2.1 RECUPERACIN La recuperacin, algunas veces llamada relevado de esfuerzos, implica el rearreglo de algunas de las dislocaciones ms fatigadas o imperfecciones con poco o ningn efecto en la forma externa de los cristales o granos. Aunque los cambios que tienen lugar durante la recuperacin son ms bien menores con respecto al cristal, tienen un efecto marcado en algunas propiedades. Se mejoran las propiedades elctricas y la resistencia a la corrosin, y se reducen los esfuerzos residuales. La recuperacin ocurre completamente para algunos metales a la temperatura ambiente, para algunos otros ocurre parcialmente en un largo periodo y aumento de temperatura. Para la mayora es necesario el tratamiento trmico a una temperatura especfica que depender del grado de recuperacin deseado. La temperatura escogida ser naturalmente, dependiente del metal en alguna extensin a la cantidad de trabajo en fro que se haya realizado previamente. El objetivo de la recuperacin es usualmente volver a ganar propiedades elctricas y qumicas, sin sacrificar las propiedades mecnicas. Si se eleva demasiado la temperatura o si se mantiene durante demasiado tiempo, la dureza y resistencia del metal disminuirn apreciablemente, pero algunas veces es necesario el tratamiento a alta temperatura para eliminar esfuerzos residuales en las forjas y soldaduras. Tipos de recuperacin:

A.

Recuperacin de cristales simples: En esta forma, la distorsin reticular es ms sencilla en un cristal simple deformado por corrimiento fcil de un cristal simple deformado por corrimiento mltiple. Si el cristal es deformado por corrimiento fcil es en tal manera que no flexiona la red, es bastante posible recuperar por completo su dureza sin la recristalizacin de la probeta. 21

22

B.

C.

Recuperacin a temperaturas elevadas y bajas: En metales policristalinos deformados, la recuperacin a temperatura elevada se considera esencialmente un asunto de poligonizacin y aniquilacin de dislocaciones. A temperaturas bajas son de mayor importancia estos procesos, a estas temperaturas las teoras corrientes describen al proceso de recuperacin primordialmente como un asunto de reducir el nmero de defectos de punto a su valor de equilibrio. El defecto de punto ms importante es un lugar vacante, el cual puede tener una movilidad limitada a una temperatura relativamente bajas. Recuperacin dinmica: El efecto bsico de la recuperacin a temperatura elevada es el movimiento de las dislocaciones resultantes de la dislocacin plstica en subgranos o lmites de celdas. En muchos casos este proceso puede comenzar realmente durante la deformacin plstica. Cuando esto sucede, se dice que el metal sufre una recuperacin dinmica. En muchos metales puros es bastante fuerte la tendencia a la dislocacin a formar una estructura celular. A temperaturas

ms elevadas, los efectos de recuperaron dinmica se vuelven naturalmente ms fuertes debido a que el movimiento de las dislocaciones aumenta con el ascenso de la temperatura, como resultado las celdas tiene a formar dislocaciones ms pequeas, las paredes celulares se vuelven ms pequeas y mucho ms definidas en forma aguda, y el tamao de la celda se hace mayor.

Fig. 18 muestra el efecto de la temperatura de recocido en la microestructura de los metales trabajados en fro a) metal trabajado en fro. b) despus de la recuperacin. c) despus de la recristalizacin. d) despus del crecimiento de grano.

Liberacin de la energa almacenada en la recuperacin. La energa del metal recuperado es menor que la del estado de trabajo en fro, puesto que se aniquilan ms dislocaciones o se transforman en configuraciones de menor energa en el proceso de recuperacin. Hay varios mtodos bsicos diferentes por los que se efecta la liberacin de energa. Dos de los mtodos ms importantes son el recocido anisotrmico, el metal trabajado en fro se calienta continuamente desde una temperatura ms baja o una ms alta y la liberacin de energa se determina en funcin de la temperatura, este recocido mide la diferencia en potencia requerida para calentar dos probetas similares a la misma velocidad (Fig. 19). El otro mtodo de liberacin de energa es el recocido isotrmico, aqu se mide la energa liberada mientras se mantiene a la probeta a una temperatura constante (Fig. 20). Tanto la curva de recocido anisotrmico como la del isotrmico muestran 22

23 una mxima correspondiente o una gran liberacin de energa. Las probetas que han sido recocidas por cualquiera de estos mtodos muestran dentro de la regin de liberacin mxima de energa ocurre un fenmeno interesante, estas grandes liberaciones de energa aparecen en forma simultnea con el crecimiento de un juego del todo nuevo de los cristales esencialmente libres de deformacin que carecen a expensas de los cristales muy deformado originalmente. Mientras que el principal liberacin de energa de las curvas corresponde al a recristalizacin, ambas curvas muestran la energa que es liberada antes de la recristalizacin.

Cambios De Propiedad. Los cambios de propiedades fsicas que se presentan durante el recocido para un metal policristalino se ilustra en la siguiente figura en donde la curva de liberacin se muestra en la parte inferior como referencia. Fig. 21 Curvas de propiedades fsicas. 1. Dureza. Slo existe un pequeo cambio en dureza durante la recuperacin, cerca de una quinta parte del cambio total. La dureza disminuye con reduccin de las densidades de dislocaciones. La figura 21 muestra una pequea cada en la densidad de las dislocaciones durante la recuperacin, pero seala una gran cada durante la recristalizacin. 2. Resistividad. La resistividad elctrica de los metales es una medida de la resistencia presentado por la red metlica al flujo de electrones que es producido por un campo elctrico. Los defectos de red actan como sitios de dispersin para los electrones movilizados, y debido a ello 23

24 pueden incrementar la resistividad. Los defectos puntuales, como las vacancia, tomos intersticiales, son ms eficaces para la dispersin que las dislocaciones, de tal forma que los cambios en la resistividad reflejan cambios en la concentracin de vacancias y de tomos intersticiales. La cada de la resistida durante la recuperacin se muestra en la figura 21. significa que debe de haber una disminucin notable en la concentracin de defectos durante la recuperacin. 3. Densidad. La densidad de un metal trabajado en fro disminuye debido a la generacin de vacancias. Las dislocaciones de borde contribuyen a la reduccin de la densidad debido a la dilatacin de la red cerca de este tipo de dislocacin. La figura 21 muestra los mecanismos de recuperacin deben implicar una disminucin en la densidad de las dislocaciones de borde. 4. Tamao de la celda. Los datos de tamao de celda de la figura 21 explican por s mismos. El tamao de la celda aumenta ligeramente slo en la primera parte de recuperacin, pero muestran un incremento definido justo antes de la recristalizacin. Mecanismos De Recuperacin. Se han realizado muchos experimentos en un esfuerzo de determinar cules mecanismos operan durante la etapa de recuperacin. Los mecanismos que operan en el intervalo de temperatura baja implican movilizacin de vacancias; los que operan en los intervalos de temperaturas medias implican movilizacin de dislocaciones sin trepado; aquellos del intervalo alto de temperatura implican movilizacin de dislocaciones con trepado. Este orden de recurrencia es un reflejo de la relativa activacin trmica que se requiere para los diferentes mecanismos. TEMPERATURA Baja MECANISMOS OPERANTES 1.- Migracin de defectos puntuales hacia sumideros. 2.- Combinacin de defectos puntuales. 1.- Nuevo arreglo de las dislocaciones dentro de los grupos. 2.- aniquilacin de dislocaciones. 3.- Crecimiento de subgranos 1.- Trepado de dislocaciones. 2.- Aglutinacin de subgranos. 3.- Poligonizacin.

Intermedia

Alta

1.

Crecimiento de subgranos.- Despus de la deformacin, los laberintos de dislocaciones aslan regiones de la celda con densidad de dislocaciones relativamente baja. Estas celdas estn levemente desalineadas entre s (unos pocos grados). Con el recocido, los laberintos de dislocaciones se condensan en lmites bidimensionales agudos y disminuye la densidad de dislocaciones dentro de las celdas. Cerca del final de la etapa de recuperacin, estos subgranos empiezan a aumentar de tamao. Aglutinacin de subgranos.- Estudios de microscopa electrnica han demostrado que, en algunos casos, los lmites entre los subgranos simplemente desaparecen durante la etapa de recuperacin. Por 24

2.

25 procesos que no estn claros an, desaparece el desajuste en la orientacin entre los dos granos vecinos. Esto probablemente se efecta por el movimiento de las dislocaciones de la intercalan, el cual implica trepado por lo que se requiere la difusin.

Fig. 22 Representacin esquemtica de la aglutinacin de subgranos debida a la rotacin de las mismas.

3.

Poligonizacin.- Al utilizar rayos X, se descubri que cuando un monocristal se dobla ligeramente como se muestra en la figura 7 y, luego se recoce, se fragmenta en pequeos bloques monocristalinos como se indica en la figura7. El registro de Laue de un cristal, como en la figura muestra una mancha de los puntos de difraccin debida a los planos cristalinos curvados. Con el recocido, cada punto manchado se fragmenta en una serie de puntos bien definidos, pero ms pequeos, los cuales indican la estructura poligonizada.

7.2.2 RECRISTALIZACIN. Es cuando un material trabajo en fro se calienta a una temperatura suficientemente alta La recuperacin elimina los esfuerzos residuales y produce la estructura poligonizada de dislocaciones, se nuclean nuevos y pequeos granos libres de deformacin en la estructura del metal recuperado e inicia su crecimiento. Formando una estructura de material recristalizado. Como se reduce mucho la cantidad de dislocaciones, el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero gran ductilidad. La temperatura a la que aparece una microestuctura de nuevos granos con muy baja densidad de dislocaciones se llama temperatura de recristalizacin. El proceso de formacin de nuevos granos por tratamiento trmico de un material trabajado en fri se llama recristalizacin. La recristalizacin tiene lugar a travs de dos mecanismos principales: Un ncleo aislado puede expandirse con un grano deformado. Un lmite de grano de ngulo grande puede emigrar a una regin severamente deformada del metal.

25

26 En los dos mtodos, la estructura del lado cncava del lmite que se mueve est libre de deformaciones y tiene una energa interna relativamente baja, mientras que la estructura del lado convexo de la interfase que se mueve est altamente deformada con una gran densidad de dislocaciones y una elevada energa interna. El movimiento del lmite de grano se produce, por tanto, lejos del centro de la curvatura del citado lmite, por lo tanto el crecimiento del nuevo grano en expendicin durante la recristalizacin primaria conduce a un descenso global de la energa interna del metal por la sustitucin de regiones deformadas por regiones libres de deformacin. La resistencia a la traccin de un metal trabajado en fro disminuye de forma importante y su ductilidad aumenta mediante un tratamiento de recocido que produce una recristalizacin de la estructura del metal... Los factores que afectan el proceso recristalizacin en metales y aleaciones son: La cantidad de deformacin previa del metal La temperatura El tiempo El tamao de grano inicial La composicin del metal o aleacin El proceso de recristalizacin puede tener lugar en un intervalo de temperatura y este intervalo depende de las variables citadas. Por ello no puede hablarse de temperatura de recristalizacin de un metal en el mismo sentido que de temperatura de fusin de un metal puro. Por consiguiente sobre los procesos de recristalizacin pueden realizarse las siguientes generalidades: Se necesita una cantidad mnima de deformaciones para que sea posible la recristalizacin. Cuanto menor sea el grado de deformacin (por encima de n valor mnimo) mayor es la temperatura necesaria para producirse la recristalizacin. Aumentando la temperatura de recristalizacin disminuye el tiempo necesario para complementarla. El tamao de grano final depende principalmente del grado de deformacin. A mayor grado de deformacin menor ser la temperatura de recocido y menor ser el tamao de grano recristalizado. A mayor tamao de grano inicial, mayor ser la cantidad de deformaciones necesarias para producirse una cantidad de recristalizacin equivalente. La temperatura de recristalizacin disminuye al aumentar la pureza del metal. La adicin de elementos en disolucin slida incrementa siempre la temperatura de recristalizacin.

Mecanismos De Enucleacin Para La Recristalizacin.

26

27 Se han observado dos mecanismos para el fenmeno de nucleacin en la recristalizacin dependiendo del metal y del grado de deformacin. El metal deformado contiene dos tipos principales de intercaras, los lmites de grano preexistentes y los lmites de subgrano que resultan de la deformacin. Se ha observado que la nucleacin se origina por el crecimiento repentino de uno u otro de estos dos tipos de lmite. Cintica De La Recristalizacin. La recuperacin y la recristalizacin son dos fenmenos bsicamente diferentes. En un recocido isotrmico, la velocidad a la que ocurre un proceso de recuperacin disminuye siempre con el tiempo, esto es, comienza con rapidez y continua a una velocidad cada vez menor segn se gasta la fuerza impulsora para la reaccin. Por otra parte, la cintica de la recristalizacin es bastante diferente, pues ocurre por procesos de nucleacin y crecimiento. De acuerdo con otros procesos de este tipo, la recristalizacin durante un recocido isotrmico comienza lentamente y llega a Una velocidad de reaccin mxima despus de la cual termina con lentitud. La etapa de recristalizacin se produce por la nucleacin de granos nuevos sin deformacin que crecen y consumen la matriz trabajada en fro como se indic en la figura. La velocidad a la cual se transformar el volumen en granos nuevos es una funcin de la velocidad de nucleacin y de la velocidad de crecimiento de dichos granos. Efecto Del Tiempo Y La Temperatura Sobre La Recristalizacin. Un medio para estudiar el proceso de recuperacin es graficar las curvas de recristalizacin isotrmica. Cada curva representa el dato para la temperatura dada y muestra la cantidad de recristalizacin como una funcin del tiempo. Los datos para cada curva de este tipo se obtienen manteniendo cierto nmero de probetas, trabajadas en fro en forma idntica, a una temperatura constante por periodos de tiempo distintos. Despus de retirar del horno y enfriar a temperatura ambiente, se examina cada probeta metalogrficamente para determinar la extensin de la recristalizacin. Esta cantidad se grafica contra el logaritmo del tiempo. A temperatura ms elevada, ms corto ser el tiempo necesario para terminar la recristalizacin. Una lnea horizontal trazada por las curvas de la figura, corresponde a una fraccin de recristalizacin constante.

Fig. 23 Curvas de transformacin isotrmica (recristalizacin) para cobre puro, laminado en fro en un 98%.

Temperatura De Recristalizacin. 27

28 Un trmino utilizado con frecuencia es el de temperatura de recristalizacin. Esta es la temperatura a la cual un metal en particular con una cantidad determinada de deformacin en fro recristalizar por completo en un periodo de tiempo finito, usualmente una hora. La temperatura de recristalizacin no tiene significado a menos de que especifique el tiempo permitido para la recristalizacin. Sin embargo, debido a las grandes energas de activacin encontradas, parece que la recristalizacin ocurre en realidad a cierta temperatura mnima definida. Para el hombre prctico, esta sensibilidad del proceso de recristalizacin a pequeos cambios en la temperatura le hace pensar que el metal tiene una temperatura fija, por debajo de la cual no recristalizar, y por esta razn, hay la tendencia de considerar la temperatura de recristalizacin como una propiedad del metal y a despreciar el factor tiempo en la recristalizacin. El Efecto De La Deformacin Sobre La Recristalizacin. En la figura se han graficado dos curvas proporcionales a la recristalizacin similares a las de la figura anterior. Estas difieren nicamente la recristalizacin del zirconio en lugar del cobre, y que se observa la velocidad a la que se completa la recristalizacin en lugar de la mitad de sta. Las dos probetas representan datos de probetas trabajadas en fro en diferentes cantidades. En ambos casos, el metal zirconio fue trabajado en fro por estampado. El estampado es un medio de deformacin mecnica empleada en varillas cilndricas en las cuales se reduce uniformemente el dimetro de la varilla en un martillo mecnico equipado con marices rotatorias. La cantidad de este trabajo en fro se mide en trminos de porcentaje de reduccin en rea de la seccin transversal cilndrica.

Fig. 24 Recproco de la temperatura absoluta (K) contra el tiempo para la mitad de la recristalizacin de cobre puro.

La curva de la izquierda de la figura corresponde a probetas con un rea transversal reducida en un 13%, en tanto que la curva de la derecha representa probetas que han sufrido una reduccin en rea mayor (51%). Las dos curvas muestran claramente que la recristalizacin es promovida aumentando la cantidad de trabajo en fro. Cuando se le reduce a la misma temperatura, el metal con mayor cantidad de trabajo en fro recristalizar con mayor rapidez que cuando la reduccin es menor. Como por ejemplo, a 553C 28

29 el tiempo para completar la recristalizacin es de 16 a 40 horas para las reducciones en rea mayor y menor respectivamente. Asimismo, la temperatura a la que cristalizar por competo el metal en una hora es menor para una cantidad mayor de trabajo en fro, 567C comparado con 627C.

Fig. 25 Relacin tiempo-temperatura para la recristalizacin del zirconio correspondiente a dos cantidades diferentes de trabajo en fro.

Teora de la recristalizacin. Se cree que la recristalizacin tiene lugar por la nucleacin de nuevos granos, sobre todo en los puntos de dislocacin con energa alta en un grano endurecido por el trabajo. La recristalizacin empieza a crecer hasta que llena el espacio de los viejos granos y elimina la fatiga existente realineando los tomos en una nueva malla cristalina. La recristalizacin puede ser entonces un proceso de refinacin de grano, as como un mtodo para recuperar la ductilidad si se descontina tan pronto como ha tenido lugar la recristalizacin completa. Los nuevos granos formados durante la recristalizacin tienen a tomar posiciones con orientaciones preferidas. Las propiedades direccionales causadas por la orientacin preferencial, tienen objeciones para la mayora de las operaciones de manufactura. Esta tendencia puede reducirse y obtenerse una orientacin ms aleatoria si se agregan pequeas cantidades de un elemento de aleacin o por la recristalizacin realizada antes que se haya llevado a cabo el mximo trabajo de endurecimiento. En pocos casos la recristalizacin puede usarse como un proceso final para un obtener un producto en su condicin ms dctil o con sus mejores propiedades elctricas y qumicas, pero con ms frecuencia es un tratamiento dentro del proceso para mejorar la ductilidad o para refinar el grano. Aunque la recuperacin por calentamiento es un proceso de relevado de esfuerzos, la recristalizacin a temperaturas ms altas algunas veces tambin se llama relevado de esfuerzos. El mismo proceso puede conocerse como proceso de recocido, en particular cuando se realiza con procesos de deformacin. Otras Variables En La Recristalizacin. 29

30 Se ha demostrado que la velocidad de recristalizacin depende de dos variables: (1) temperatura de recocido y (2) cantidad de deformacin. Similarmente se ha demostrado que, para muchos metales, el tamao de grano recristalizado es independiente de la temperatura de recocido, pero sensitivo a la cantidad de deformacin. El proceso de recristalizacin depende tambin de otras variables. Dos de las ms importantes son: (1) pureza, o composicin del metal, y (2) tamao inicial de grano (antes de la deformacin). Consideremos estos dos factores: Pureza del metal: Es bien conocido el hecho de que los metales extremadamente puros tienen velocidades de recristalizacin muy rpidas. Este hecho es aparente en la fuerte dependencia de la temperatura de recristalizacin sobre la presencia de soluto. La presencia de tan poco como 0.01% de un tomo de impureza en solucin slida puede elevar la temperatura de recristalizacin en varios cientos de grados. A la inversa, un metal espectroscpicamente puro recristaliza en un intervalo fijo a una temperatura mucho menor que la de un metal comercialmente puro. El efecto de los tomos de impureza en solucin slida sobre la velocidad de la recristalizacin es ms aparente a concentraciones muy bajas. Este hecho se muestra claramente en la figura 21 para aluminio de varios grados de pureza.

Fig. 26 Efecto de las impurezas sobre la temperatura de recristalizacin (30 minutos de recocido) de aluminio laminado en fro al 80%.

El hecho de que un nmero de grano muy pequeo de tomos disueltos tengan tal efecto pronunciado sobre las velocidades de recristalizacin se cree que indica una interseccin de los tomos solutos con los lmites de grano. La interseccin propuesta es similar a la que existe entre dislocaciones y tomos solutos. Cuando un tomo extrao emigra a un lmite de grano, se produce tanto su campo elstico como el lmite. En la recristalizacin, el movimiento de lmites de grano ocurre segn se forman y crecen los ncleos. La presencia de tomos extraos en atmsferas asociadas con estos lmites retarda frecuentemente sus movimientos, y en consecuencia, las velocidades de recristalizacin. Tamao inicial de grano: Cuando es trabajado en fro un metal policristalino, los lmites de grano actan para interrumpir los procesos de deslizamiento que ocurren en los cristales. Como consecuencia, la red adyacente a los lmites de grano est, en promedio, mucho ms distorsionada que la del centro de los granos. La disminucin del tamao de grano aumenta el lmite del tamao de grano y, en consecuencia, el volumen y uniformidad del metal distorsionado (adyacente a los lmites). Este efecto aumenta el nmero de posibles lugares 30

31 de nucleacin y, por tanto, mientras ms pequeos sean los granos del metal antes del trabajo en fro, mayor ser la velocidad de nucleacin y ms pequeo el tamao de grano recristalizado para un grado dado de deformacin. 7.2.3. ETAPA DE CRECIMIENTO DE GRANO. Si un metal se mantiene caliente a/o arriba de su temperatura de recristalizacin despus de que se han formado los granos nuevos no fatigados, la tendencia de algunos de los nuevos granos es absorber otros y crecer ms. Los granos grandes son ms estables que los granos pequeos debido a la ms alta relacin de grano-rea de frontera, en el cual el estado de energa es ms bajo. Si se desea una estructura de grano fino despus del proceso de recristalizacin, es necesario reducir la temperatura rpidamente para evitar el subsecuente crecimiento de grano. En general esto se realiza por alguna clase de enfriamiento rpido. Durante el proceso, no siempre es deseado el tamao pequeo de grano debido a que los granos grandes usualmente tienen mayor ductilidad, mejor facilidad de maquinado y requieren menos presin para deformarse. No obstante, el producto final debe ser de estructura relativamente fina a fin de que el material muestre sus mejores propiedades. El tamao de grano para materiales que no tienen cambios alotrpicos de fase, se controla principalmente durante el proceso de solidificacin para los metales fundidos y por recristalizacin para metales de forja. El tamao de grano de los metales alotrpicos puede controlarse por medio de la austenizacin, que ocurre gracias a que con este mtodo se forma una nueva malla cbica fcc, estos nuevos granos se nuclean con la elevacin de la temperatura del metal a travs del rango de la austenita y permanecern pequeos si la temperatura no se eleva demasiado o no se excede dicha temperatura (temperatura crtica) o se mantiene demasiado tiempo. Los tamaos de grano se afectan slo por el aumento de la temperatura a travs del rango y no por la disminucin de ella. Los materiales cermicos, que normalmente no presentan endurecimiento por deformacin, si presentan crecimiento de grano. Tambin pueden presentarse crecimiento anormal de grano en algunos materiales, debido a la formacin de fase liquida durante su sinterizacin. Un ejemplo donde el crecimiento de grano es benfico es la aplicacin de la cermica de almina para fabricar los materiales pticos que se usan en el alambrado. En esta aplicacin se desea tener granos muy grandes, debido a que se debe reducir al mnimo la dispersin de la luz en los lmites de grano. Por lo general, en un metal completamente recristalizado, la fuerza impulsora para el crecimiento del grano queda en la energa de superficie de los lmites de grano. Segn crecen en tamao, los granos y su nmero decrece, el rea de lmite de grano disminuye y la energa de superficie total desciende de conformidad. El crecimiento de celdas en la espuma de jabn ocurre tambin como resultado de una disminucin en la energa de superficie de la pelcula jabonosa. Debido a que cierto nmero de factores de complicacin que influyen en el crecimiento de los cristales metlicos no se aplican en el caso de la 31

32 pelcula jabonosa, el crecimiento de las burbujas de jabn, puede tomarse como un caso ideal de crecimiento de celdas. Por esta razn, el crecimiento de las celdas jabonosas ser considerado antes del caso ms complicado del crecimiento del grano metlico. Primero, considrese una burbuja de jabn esfrica simple. El gas encerrado por la pelcula jabonosa est siempre a una presin mayor que el del exterior de la pelcula, debido a las tensiones de superficie en la pelcula de jabn. Debido a la diferencia de presin que existe a travs de una pelcula de jabn curvada, se produce difusin gaseosa; el flujo neto se produce a travs de la pelcula desde el lado de la presin elevada hacia el de la presin baja. En otras palabras, los tomos se difunden desde el interior al exterior de la burbuja, resultando una disminucin en su tamao y en su movimiento de sus paredes desde el interior hacia su centro de curvatura La siguiente figura se muestra una secuencia mostrando el crecimiento de celdas en un espuma de jabn bidimensional formada en una pequea celda de vidrio plana. El nmero en la esquina inferior derecha de cada fotografa representa el nmero de minutos pasados desde que se detuvo la agitacin de la celda para formar la espuma. Representa tambin el tiempo durante el cual se efectu el crecimiento de las celdas. En varias de las fotografas pueden observarse pequeas celdas de tres lados. En la tercera fotografa a partir de la izquierda en fila superior, aparece una en la posicin correspondiente a las nueve horas en un reloj, aproximadamente, y otra alrededor de las diez horas en la primera fotografa de la fila inferior contando desde la izquierda.

Fig. 27 Crecimiento de las Celdas de jabn en un Recipiente plano.

Ahora se muestra un croquis aumentado de una de estas celdas. Obsrvese que para poder mantener el ngulo de equilibrio de 120 requerido cuando tres superficies con tensiones superficiales idnticas se encuentran en una unin comn, las paredes de la celda de tres lados han sido forzadas a tomar una curvatura pronunciada. Como la curvatura es cncava hacia el centro de la celda, puede esperarse que la pared emigre, disminuyendo el volumen de la celda y ocasionando que desaparezca por completo.

Fig. 28 Croquis de una celda de jabn de tres lados. Obsrvese la curvatura pronunciada de los lmites, que es cncava hacia el centro de la celda.

Esto es lo que en realidad ocurre, como puede verse estudiando las fotografas, justamente a la derecha de

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33 las dos fotografas indicadas con anterioridad. En cada caso, ya no son visibles los lados triangulares. Otro hecho interesante es que hay una correspondencia definitiva entre el tamao de las celdas y el nmero de lados que contienen. Las celdas ms pequeas tienen usualmente el menor nmero de lados. No es sorprendente que las celdas de tres lados desaparezcan con tanta rapidez, pues tanto su tamao pequeo como el nmero mnimo de lados requieren que sus paredes tengan grandes curvaturas, con las correspondientes diferenciales de presin elevada, velocidad de difusin y velocidad de migracin de las paredes. Las fotografas muestran que, en general, las celdas de cuatro y cinco lados no desaparecen como una unidad, sino que primero cambian a celdas de tres lados las cuales desaparecen rpidamente. Otro aspecto importante del crecimiento celular puede verse en las fotografas de la figura de crecimiento de las celdas de jabn (mostrada anteriormente). Este aspecto tiene que ver con el hecho de que sobre cierto periodo de tiempo, el nmero de lados que posee cualquier grano cambia continuamente. El nmero de lados puede aumentar o disminuir, como puede verse considerando el mecanismo ilustrado en la siguiente figura. Debido a la curvatura de los lmites que separan a las celdas B y D de A y C, respectivamente, los lmites emigran, eliminando as los lmites entre las celdas B y D, y creando entonces un nuevo lmite entre A y C. Estos pasos estn indicados en las siguientes figuras (B) y (C), respectivamente. Como consecuencia de este proceso, las celdas B y D pierden un lado cada una, mientras que las celdas A y C ganan un lada cada una. Cada vez que desaparece una celda de tres lados, cada una de las celdas vecinas pierde un lado.

Fig.

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Los tres cambios tridimensionales en la geometra de grano.

Mecanismo que cambia el nmero de lados de un grano durante el crecimiento de un grano.

En un metal los granos no son de carcter bidimensional, sino tridimensional. Rhines ha delineado los cinco mecanismos bsicos por los cuales pueden cambiar las propiedades geomtricas de los granos tridimensionales. En la figura se muestra un breve resumen de estos mecanismos. En la figura (A) se muestra la analoga de los granos bidimensionales de tres lados. Es un grano tetradrico o de cuatro lados. Su desaparicin resulta en la prdida de cuatro lmites de grano. En la figura (B) es la correspondiente analoga tridimensional del mecanismo ilustrado en la figura mecanismo que cambia el nmero de lados durante el crecimiento de grano unin de tres granos o de lnea triple en un ejemplo tridimensional. Si se juntan los granos superior e inferior esta lnea 33

34 se quita y se sustituye por un lmite de grano horizontal que queda entre los granos superior e inferior. El resultado es la ganancia de un lmite de grano. El tercer caso, en la figura (C), es sencillamente el inverso del que se acaba de discutir.

Fig. 30 Los cinco procesos geomtricos tridimensionales bsicos en el crecimiento de grano.

En la figura (D) se muestra un mecanismo interesante. Este es el ejemplo tridimensional de la coalescencia geomtrica de granos. En este caso, los granos superiores e inferior se supone que son capaces de acercarse uno a otro como en el caso de la figura (B), pero en este caso el lmite formado entre los dos granos es uno de lmite de energa baja. El resultado es una coalescencia efectiva de los granos superior e inferior. Finalmente, en la figura (E) muestra la inversa de la coalescencia geomtrica. Aqu, un grano se estrecha y se separa en dos granos. La Ley Del Crecimiento De Grano. A cualquier velocidad, es aparente que en un instante dado cualquiera, las celdas varan de tamao sobre un medio y que este tamao medio aumenta con el tiempo. El dimetro medio de las celdas sirve como una medida conveniente de tamao de celda de un agregado. En consecuencia, cuando nos referimos al tamao de celda de una espuma, significa el dimetro de la celda promedio. Esta aseveracin es cierta tambin para metales donde el trmino tamao de grano comnmente empleado se refiere, en general, al dimetro medio de un agregado de granos. Resulta que el crecimiento de grano, o crecimiento de las celdas, se refiere al crecimiento del dimetro promedio d un agregado. Se ha propuesto, y aceptado, generalmente que los tomos del lmite en el cristal sobre el lado cncavo del lmite estn enlazados con ms fuerzas que los tomos del lmite en el cristal sobre el lado convexo, debido a que estn rodeados ms cerca por los tomos vecinos del mismo cristal. Este enlace ms fuerte de los tomos sobre el lado cncavo del lmite debe tener algn efecto sobre la velocidad a la cual saltan los tomos a travs del lmite desde un cristal a otro, puesto que la velocidad de movimiento es mayor desde los cristales convexos a los cncavos que viceversa. Entonces, mientras mayor sea la curvatura del lmite, mayor deber ser este efecto, y ms rpido el movimiento del lmite del cristal. Sin embargo, debido a la falta de un conocimiento detallado de la estructura de los lmites de grano metlicos, todava no se conoce la naturaleza exacta del mecanismo de transferencia por 34

35 el cual los tomos cruzan un lmite, y no es posible explicar cuantitativamente los resultados en apariencia irracionales obtenidos cuando se estudia el crecimiento de granos en un cristal. Impurezas En Forma De Inclusiones. Los tomos de soluto que no estn en solucin slida son capaces de interactuar con los lmites de grano. Durante ms de treinta aos se ha sabido que los tomos de impureza en la forma de inclusiones o partculas de segunda fase pueden inhibir el crecimiento de grano en los metales. Las inclusiones mencionadas se encuentran con frecuencia en aleaciones comerciales y en los llamados metales comercialmente puros. En su mayor parte, pueden consistir en partculas muy pequeas de xidos, sulfuros o silicatos que se incorporan al metal durante su fabricacin. En la figura (A) vemos un croquis esquemtico de una inclusin situada en un lmite de grano representado como una lnea recta vertical. Por conveniencia se ha dado a la partcula una forma esfrica. Como se muestra en el croquis de la izquierda, la inclusin y el lmite se encuentran en una posicin de equilibrio mecnico. Si se mueve el lmite a la derecha, como se indica en la figura (B), el lmite de grano toma forma curvada en la cual el lmite (debido a su tensin de superficie) se esfuerza en mantenerse normal a la superficie de la pelcula. Los vectores marcados en la figura indican la direccin y magnitud de los esfuerzos de tensin superficial en la lnea de Contacto circular (en tres dimensiones) entre el lmite de grano y la superficie de la inclusin.

En muchos casos, las partculas de segunda fase tienden a disolverse a temperaturas elevadas, tambin tienden a coalescer a temperaturas elevadas y formar menos partculas grandes. stas eliminan el efecto retardante de las inclusiones sobre el crecimiento de grano en los metales. El efecto de las impurezas sobre el crecimiento de grano puede resumirse como sigue: los tomos solutos en solucin slida pueden formar atmsferas de lmite de grano; la presencia de los primeros en los lmites retarda su movimiento normal inducido por tensin de superficie. Para que se pueda mover el lmite, debe llevar su atmsfera. Por otra parte, los tomos de soluto en la forma de impureza de segunda fase pueden interactuar tambin con los lmites. En este caso, el lmite debe tirar por s mismo a travs de las inclusiones que quedan en su trayectoria.

Fig. 31 Interaccin entre un lmite de grano y una inclusin de segunda fase.

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Fig. 32 Interaccin entre poros y lmites de grano.

Los efectos de superficie libre. Los lmites de grano para cualquier superficie libre de una probeta de metal tienden a quedar perpendiculares a la superficie de la probeta, lo cual tiene el efecto de reducir la curvatura neta de los lmites prximos a la superficie. Esto quiere decir que la curvatura se vuelve cilndrica ms bien que esfrica y, en general, las superficies cilndricas se mueven a una velocidad menor que las superficies esfricas con el mismo radio de curvatura. En la figura, el punta a representa la lnea en la que se encuentran las tres superficies: el lmite de grano y las superficies libres a la derecha y a la izquierda del punto a, respectivamente.

Fig. 33 Ancladura trmica

Las ancladuras de los lmites de grano son importantes en el crecimiento de grano porque tienden a anclar los extremos de los lmites (en donde se encuentra la superficie), especialmente si los lmites son casi normales a la superficie. Este efecto de anclaje puede ser explicado en una forma muy cualitativa con la ayuda de la siguiente figura de la izquierda representa un lmite sujeto a una ancladura, en tanto que la figura de la derecha muestra el mismo lmite movido a la derecha y liberado de su ancladura. Liberando este lmite de su ancladura aumenta claramente el rea de superficie total y por lo tanto, la energa de superficie total. Liberar el lmite de su ancladura, requiere trabajo, y, como resultado, la ancladura restringe el movimiento del lmite.Fig. 34 El movimiento de un lmite de grano fuera de su ancladura aumenta su superficie, si el lmite es casi normal a la superficie libre.

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Cuando el tamao de grano promedio a travs de una probeta de metal es muy pequeo comparado con las dimensiones de la probeta, la ancladura trmica, o la falta de curvatura en los granos de la superficie, tiene poco efecto sobre la velocidad general de crecimiento. Sin embargo, cuando el tamao de grano se acerca a las dimensiones de espesor de la probeta, puede esperarse que disminuyan las velocidades de crecimiento de grano. El Tamao Del Grano Limitador. Las dimensiones de la probeta pueden influir en la velocidad de crecimiento de grano cuando el tamao promedio del cristal se acerca al espesor de la probeta. En muchos casos, esta situacin puede tener el efecto de poner un lmite superior prctico sobre el tamao de grano, esto es, puede producirse el crecimiento hasta el punto donde parezca que no es posible ms crecimiento. En casos extremos, este efecto de superficie puede detener por completo el crecimiento de grano. Considrese el caso de un alambre en el cual los granos se han vuelto tan grandes que sus lmites cruzan al cristal en la manera mostrada en la figura. Los lmites de esta naturaleza no tienen curvatura y no pueden emigrar bajo la accin de las fuerzas de tensin superficial. Entonces no es posible ms crecimiento de grano.Fig. 35 Un ejemplo de una configuracin estable del lmite de grano.

Adems de las atmsferas de lmite de grano, inclusiones de segunda fase, y los efectos de superficie libre, hay otros factores que afectan la velocidad medible del crecimiento de grano. Entre stos se encuentra la orientacin preferente de la estructura cristalina. Por orientacin preferente se quiere decir una orientacin casi idntica en todos los cristales de una probeta metlica dada. Cuando ocurre esta situacin, se ha observado que generalmente se reducen las velocidades de crecimiento de grano. La extensin del crecimiento del grano depende, en gran parte, de los siguientes factores: a) La temperatura de recocido; al aumentar la temperatura, el tamao del grano aumenta. b) La duracin del recocido; los granos crecen rpidamente al principio y luego ms lentamente

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fig. 43 c) El grado de trabajado en fro previo, En general, una ligera deformacin, por ejemplo, el enfriamiento lento en un metal lquido, conducir a la produccin de pocos ncleos y en consecuencia a un grano grande, mientras que una deformacin mayor conducir a la formacin de muchos ncleos y, como resultado, a un grano fino. d) La Influencia de las adiciones insolubles al metal o aleacin; un ejemplo, es el uso de la teora (xido de torio) en los filamentos de tungsteno para lmparas. Aqu, las pelculas de teora evitan la fragilidad excesiva, que de otra manera resultara en el crecimiento del grano en los filamentos de la lmpara mantenidos a alta temperatura durante largos periodos. e) La adicin de ciertos elementos de aleacin, de los cuales el nquel es el que ms se usa. Este elemento limita el crecimiento del grano durante el recocido y otros procesos de tratamiento trmico en aceros y algunas aleaciones no ferrosas.

7.3 TRABAJO EN CALIENTELa caracterstica metalrgica ms importante de una operacin de trabajado en caliente, es que tiene lugar arriba de la temperatura de recristalizacin del metal o aleacin. La importancia de lo anterior, resultar inmediatamente aparente. La deformacin y la recristalizacin tendrn lugar simultneamente, de manera que sea posible una aceleracin considerable en el proceso, sin la necesidad de recocidos tediosos entre etapas, necesarios en los procesos de deformacin en fro. Adems, en la mayor parte de las aleaciones, la maleabilidad y la plasticidad aumentan considerablemente a temperaturas altas, de manera que se necesita menos potencia para producir la deformacin. Con algunas aleaciones, es esencial el empleo de procesos de trabajado en caliente, puesto que son duras o quebradizas cuando estn fras, debido a la presencia de un micro constituyente duro que se absorbe a la temperatura de trabajo en caliente. Los principales procesos de trabajado en caliente son: Laminado en caliente. La laminadora fue adaptada por Henry Cort en 1783, para la manufactura de barras de hierro forjado. Subsecuentemente se us para el acabado de acero Beasemer en 1856 y se adapt como laminadora de 38

39 tres rodillos, en 1857. Rarnabottoin Introdujo al precursor de la laminadora moderna reversible en Crewe en 1866. Este progreso en el desarrollo de la tcnica de la laminadora, fue necesario con objeto de poderse mantener al ritmo de la creciente produccin de acero, de los nuevos procesos de produccin en masa. La laminacin en caliente se aplica universalmente a la reduccin de lingotes grandes de acero a secciones, cintas, lminas y varillas de varios tamaos. Un taller de laminacin consiste de una laminadora reversible potente, de 'dos cilindros, para reducir los lingotes al rojo blanco, seguido de trenes de laminacin que pueden ser lisos o ranurados, segn el tipo de producto manufacturado. La laminacin en caliente se aplica similarmente a la mayor parte de las aleaciones no ferrosas. Forjado. El proceso ms simple y ms antiguo que se conozca en la industria metalrgica, es esencialmente el empleado por Tubal-Can (Gnesis IV, 22) y que an se emplea modernamente en las herreras. Aun cuando actualmente se emplean martillos mecnicos, la habilidad sigue siendo una parte necesaria en el trabajo. Durante el forjado, la estructura original de vaciado, se va dividiendo, siendo substituida por otra de grano relativamente ms fino, Al mismo tiempo, las impurezas se redistribuyen en forma ms o menos fibrosa. Por lo tanto, es ms satisfactorio, en Igualdad de circunstancias, forjar una componente que vaciarla.

Forjado con dados. Cuando se requiere un gran nmero de componentes forjadas idnticas, es conveniente fabricarlas por un proceso de forjado con dado. En este proceso, se emplea un dado preformado, del cual una mitad est unida al martillo y la obra al yunque. Con formas ms complicadas, pueden usarse dados en serie. El martillo, que trabaja entre dos guas verticales, se eleva mecnicamente una cierta distancia sobre el yunque, y se deja caer bajo su propio peso sobre el metal que se forja. Este consiste de una barra caliente de metal, que se sujeta sobre el yunque por, medio de tenazas. Al caer el martillo, forja al metal entre las dos mitades del dado. Una modificacin de la forja por dados, utiliza poten