Recuperación, Recristalización y Crecimiento de Grano en Recocido de Metales

La recuperación, recristalización y crecimiento de grano son cambios microestructurales que ocurren durante el recocido tras deformación plástica en frío y/o durante trabajo en caliente de metales.

Recuperación, Recristalización y Crecimiento de Grano

La deformación plástica, que distorsiona la red cristalina y rompe los bloques de granos equiaxiales iniciales (ejes de dimensiones aproximadamente iguales) para producir estructura fibrosa o láminas delgadas, aumenta el nivel de energía del metal.

El metal deformado, comparado con su estado no deformado, está en estado no equilibrado, termodinámicamente inestable. Por tanto, ocurren procesos espontáneos en metal endurecido por deformación, incluso a temperatura ambiente, que lo llevan a condición más estable.

Si la temperatura se eleva lo suficiente, el metal intenta acercarse al equilibrio mediante tres procesos: (a) recuperación, (b) recristalización, y (c) crecimiento de grano.

La Figura 3.16 muestra una sistemática de estos procesos con variación temporal. Nuevos granos comienzan a nuclearse de granos trabajados en frío en tiempo T1; nucleación continúa y crecen hasta T2. En este punto, todos los granos trabajados en frío se han nucleado en nuevos granos. En T3, el tamaño de estos nuevos granos crece a ritmo más lento.

Un dibujo esquemático indicando recuperación, recristalización, crecimiento de grano y cambios principales de propiedades en cada región se muestra en Fig. 2.9.

Recuperación

¿Qué es la Recuperación?

Fenómeno a baja temperatura que resulta en restauración de propiedades físicas sin cambio notable en microestructura. La recuperación es crítica para liberar tensiones internas en forjado, soldado y equipos fabricados sin reducir la resistencia ganada durante y tras el trabajo.

Funcionamiento

Si un metal endurecido por deformación se calienta a temperatura comparativamente baja, las distorsiones elásticas de la red cristalina se reducen por aumento de amplitud de oscilación térmica de átomos. Este calentamiento reduce ligeramente la resistencia del metal endurecido pero el límite elástico y ductilidad aumentan, aunque no alcanzan valores del material inicial (antes de endurecimiento).

No se observan cambios en microestructura en este periodo. Esta restauración parcial de propiedades originales, por reducir distorsión de red sin cambios microestructurales notables, se llama recuperación.

A una temperatura dada, la tasa de recuperación es rápida al principio y disminuye en tiempos largos. Así, la cantidad de recuperación en tiempo práctico aumenta con temperatura. En un metal trabajado en frío, las propiedades individuales se recuperan a distintas tasas y grados de completitud.

Curva Característica de Recuperación

Figura 3.18 muestra características del proceso de recuperación. Muestra que (i) la tasa es rápida al principio y luego se ralentiza, y (ii) la cantidad aumenta con temperatura. Propiedades individuales se recuperan a distintas tasas.

Por recuperación, se alivian tensiones de aleaciones trabajadas en frío previniendo agrietamiento por corrosión bajo tensión. Es posible aliviar tensión sin afectar significativamente propiedades mecánicas. Se requiere alta temperatura de recuperación para eliminar completamente tensiones residuales. Este tratamiento a alta temperatura beneficia piezas fundidas o soldadas.

Recristalización

¿Qué es la Recristalización?

Proceso en el que granos distorsionados de metal trabajado en frío son reemplazados por nuevos granos libres de deformación al calentar por encima de temperatura conocida como temperatura de recristalización. La recristalización causa disminución brusca de dureza y resistencia mientras aumenta ductilidad.

Proceso de Funcionamiento

La formación de nuevos granos equiaxiales en el calentamiento, en lugar de la estructura fibrosa orientada del metal deformado, se llama recristalización. Cristales equiaxiales = ejes de longitud aproximadamente igual. Granos equiaxiales pueden indicar recristalización. Se logran por tratamiento térmico: recocido y normalizado.

Ilustrado en Fig. 2.10. Primer efecto: formar nuevos granos minúsculos (en blanco en a), que crecen rápido hasta que crecimiento se restringe por encuentro con otro grano (b, c). Finalmente, el sistema original desaparece y la nueva estructura recristalizada se muestra en (d), granos originales en líneas punteadas. La recristalización no produce nuevas estructuras, sino nuevos granos o cristales de la misma estructura.

En esencia, consiste en que átomos del metal deformado superen enlaces de red distorsionada, formación de núcleos de granos equiaxiales y crecimiento subsiguiente por transferencia de átomos de cristalitos deformados a no deformados. En fin, granos se refinan y adquieren forma semejante a fibras (Fig. 2.11).

La temperatura a la que ocurre cristalización (nuevos granos) se llama temperatura de recristalización. Definida como temperatura a la que 50 % del material trabajado en frío recristaliza en una hora.

Crecimiento de Grano

¿Qué es el Crecimiento de Grano?

Aumento del tamaño medio de grano por recocido adicional tras recristalización. Granos pequeños tienen menos energía libre que grandes. Cristales pequeños con átomos de mayor energía tienden a convertirse en parte de cristales mayores. Esta propensidad promueve el crecimiento de grano.

Proceso de Funcionamiento

Justo tras recristalización, granos son pequeños y algo regulares. Crecerán si temperatura es suficiente o supera mínimo para recristalización. Este crecimiento resulta de tendencia a volver a estado más estable y grande, y parece depender principalmente de forma del grano.

Para cualquier temperatura por encima de recristalización, normalmente hay tamaño máximo práctico donde granos alcanzan equilibrio y dejan de crecer apreciablemente, sin importar cuánto se mantengan. Sin embargo, ciertos crecimientos anormales ocurren por gradientes de tensión aplicados o residuales por distribución no uniforme de impurezas, permitiendo granos únicos muy grandes.

Factores que Afectan Controlan Tamaño de Grano

1. Grado de Deformación Previa

Mayor deformación previa promueve nucleación y reduce tamaño final de grano. Antes de recristalización se requiere cierta deformación: ~2,8 % de deformación total. Si deformación es pequeña (pero > mínima), grano es grueso por pocos núcleos. Al aumentar deformación, puntos distorsionados aumentan y tamaño de grano disminuye.

2. Temperatura

Hay temperatura por debajo de la cual no ocurre recristalización. El tamaño de grano aumenta gradualmente por encima.

3. Calentamiento

Efecto del tiempo de calentamiento en tamaño de grano depende de temperatura de recristalización. La recristalización toma cierto tiempo, pero este disminuye al subir temperatura. Menor tiempo de recocido = grano más fino. Grano se vuelve más grueso al aumentar tiempo de recocido. Calentamiento lento promueve crecimiento de grano formando nuevos núcleos, resultando grano grueso.

4. Impurezas

Tamaño de grano más fino con mayor cantidad y distribución más fina de impurezas. Impurezas promueven nucleación y actúan como barrera al crecimiento de grano.

Efecto de Temperatura en Recuperación, Recristalización y Crecimiento de Grano

Fig. 3.21 resume efecto de varios fenómenos en propiedades mecánicas y físicas.

P. ¿En cuál proceso ocurren recuperación, recristalización y crecimiento de grano?
a) Endurecimiento superficial
b) Templado
c) Refuerzo
d) Recocido

Respuesta: D

Explicación: En recocido, el cristal pasa por tres etapas: recuperación, recristalización y crecimiento de grano, en ese orden.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre recuperación y recristalización?

Recuperación – Tratamiento térmico de recocido a baja temperatura para eliminar tensiones residuales de deformación sin reducir resistencia del material trabajado en frío.

Temperatura de recristalización – Temperatura por encima de la cual se eliminan efectos de endurecimiento por deformación durante recocido.

¿Cuál es la diferencia entre recuperación, recristalización y crecimiento de grano?

Recuperación ocurre a bajas temperaturas y reduce/elimina efectos de endurecimiento por trabajo.

Recristalización ocurre cuando hay energía térmica suficiente para impulsar creación y crecimiento libre de deformación de nuevos granos en matriz existente.
Crecimiento de grano resulta de temperaturas altas continuadas tras recristalización al eliminarse fronteras de grano, aumentando tamaño actual independientemente de tamaño austenítico previo.

¿Por qué se requiere trabajo en frío para recuperación?

El trabajo en frío aumenta resistencia pero reduce ductilidad y conductividad eléctrica. Además, introduce tensiones residuales por solapamiento y enredo de dislocaciones.

¿Cuáles son las fuerzas impulsoras de recristalización y crecimiento de grano?

Fuerza impulsora del crecimiento de grano (continuo o discontinuo) es energía de fronteras de alto ángulo. Fuerza principal para recristalización es energía almacenada durante deformación en forma de defectos cristalinos.