Recristalización (metalurgia) - Recrystallization (metallurgy)

Cristalización
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La recristalización es un proceso mediante el cual los granos deformados son reemplazados por un nuevo conjunto de granos sin defectos que se nuclean y crecen hasta que los granos originales se han consumido por completo. La recristalización suele ir acompañada de una reducción de la resistencia y dureza de un material y un aumento simultáneo de la ductilidad . Por tanto, el proceso puede introducirse como un paso deliberado en el procesamiento de metales o puede ser un subproducto indeseable de otro paso de procesamiento. Los usos industriales más importantes son el ablandamiento de metales previamente endurecidos o quebradizos por trabajo en frío y el control de la estructura del grano en el producto final.

Definición

Tres mapas de EBSD de la energía almacenada en una aleación de Al-Mg-Mn después de la exposición a una temperatura de recristalización creciente. La fracción de volumen de granos recristalizados (ligeros) aumenta con la temperatura durante un tiempo determinado. Luke Hagen

La recristalización se define como el proceso en el que los granos de una estructura cristalina adquieren una nueva estructura o una nueva forma de cristal.

Es difícil establecer una definición precisa de recristalización ya que el proceso está fuertemente relacionado con varios otros procesos, más notablemente la recuperación y el crecimiento del grano . En algunos casos, es difícil definir con precisión el punto en el que comienza un proceso y termina otro. Doherty y col. (1997) definieron la recristalización como:

"... la formación de una nueva estructura de grano en un material deformado por la formación y migración de límites de grano de ángulo alto impulsados ​​por la energía almacenada de deformación. Los límites de ángulo alto son aquellos con una desorientación de más de 10-15 °"

Por lo tanto, el proceso se puede diferenciar de la recuperación (donde los límites de grano de ángulo alto no migran) y el crecimiento de grano (donde la fuerza impulsora se debe solo a la reducción del área de límite). La recristalización puede ocurrir durante o después de la deformación (durante el enfriamiento o el tratamiento térmico posterior, por ejemplo). El primero se denomina dinámico, mientras que el segundo se denomina estático . Además, la recristalización puede ocurrir de manera discontinua, donde se forman y crecen nuevos granos distintos, o de manera continua, donde la microestructura evoluciona gradualmente hacia una microestructura recristalizada. Los diferentes mecanismos por los que se produce la recristalización y la recuperación son complejos y en muchos casos siguen siendo controvertidos. La siguiente descripción es principalmente aplicable a la recristalización discontinua estática, que es la variedad más clásica y probablemente la más comprendida. Los mecanismos adicionales incluyen la recristalización dinámica ( geométrica ) y la migración de límites inducida por deformación .

La recristalización secundaria se produce cuando un cierto número muy pequeño de granos {110} <001> (Goss) crece selectivamente, aproximadamente uno de cada 106 granos primarios, a expensas de muchos otros granos primarios recristalizados. Esto da como resultado un crecimiento anormal del grano , que puede ser beneficioso o perjudicial para las propiedades del material del producto. El mecanismo de recristalización secundaria es un tamaño de grano primario pequeño y uniforme, que se logra mediante la inhibición del crecimiento normal del grano mediante precipitados finos llamados inhibidores. Los granos Goss reciben su nombre en honor a Norman P. Goss , el inventor del acero eléctrico orientado al grano alrededor de 1934.

Leyes de recristalización

Hay varias leyes de recristalización, en gran parte empíricas:

  • Activado térmicamente . La velocidad de los mecanismos microscópicos que controlan la nucleación y el crecimiento de los granos recristalizados depende de la temperatura de recocido. Las ecuaciones de tipo Arrhenius indican una relación exponencial.
  • Temperatura crítica . Siguiendo la regla anterior se encuentra que la recristalización requiere una temperatura mínima para que ocurran los mecanismos atómicos necesarios. Esta temperatura de recristalización disminuye con el tiempo de recocido.
  • Deformación crítica . La deformación previa aplicada al material debe ser adecuada para proporcionar núcleos y suficiente energía almacenada para impulsar su crecimiento.
  • La deformación afecta la temperatura crítica . Aumentar la magnitud de la deformación previa o reducir la temperatura de deformación aumentará la energía almacenada y el número de núcleos potenciales. Como resultado, la temperatura de recristalización disminuirá al aumentar la deformación.
  • El tamaño de grano inicial afecta la temperatura crítica . Los límites de los granos son buenos sitios para que se formen los núcleos. Dado que un aumento en el tamaño de grano da como resultado menos límites, esto da como resultado una disminución en la velocidad de nucleación y, por lo tanto, un aumento en la temperatura de recristalización.
  • La deformación afecta el tamaño de grano final . El aumento de la deformación o la reducción de la temperatura de deformación aumenta la tasa de nucleación más rápidamente de lo que aumenta la tasa de crecimiento. Como resultado, el tamaño de grano final se reduce al aumentar la deformación.

Fuerza impulsora

Durante la deformación plástica, el trabajo realizado es la integral de la tensión y la deformación en el régimen de deformación plástica. Aunque la mayor parte de este trabajo se convierte en calor, una fracción (~ 1–5%) se retiene en el material como defectos, en particular dislocaciones. La reordenación o eliminación de estas dislocaciones reducirá la energía interna del sistema y, por lo tanto, existe una fuerza impulsora termodinámica para tales procesos. A temperaturas moderadas a altas, particularmente en materiales con una alta energía de falla de apilamiento como el aluminio y el níquel, la recuperación ocurre fácilmente y las dislocaciones libres se reorganizarán fácilmente en subgranos rodeados por límites de grano de ángulo bajo. La fuerza impulsora es la diferencia de energía entre el estado deformado y recristalizado Δ E, que puede determinarse por la densidad de dislocación o el tamaño del subgranito y la energía límite (Doherty, 2005):

donde ρ es la densidad de dislocaciones, G es el módulo de cizallamiento, b es el vector de Burgers de las dislocaciones, γ s es la energía límite del subgrano y d s es el tamaño del subgrano.

Nucleación

Recristalización de un material metálico (a → b) y crecimiento de granos de cristal (b → c → d).

Históricamente, se asumió que la tasa de nucleación de nuevos granos recristalizados estaría determinada por el modelo de fluctuación térmica utilizado con éxito para los fenómenos de solidificación y precipitación . En esta teoría se asume que como resultado del movimiento natural de los átomos (que aumenta con la temperatura) surgirían espontáneamente pequeños núcleos en la matriz. La formación de estos núcleos estaría asociada a un requerimiento de energía debido a la formación de una nueva interfaz y una liberación de energía debido a la formación de un nuevo volumen de material de menor energía. Si los núcleos fueran más grandes que un radio crítico, serían termodinámicamente estables y podrían comenzar a crecer. El principal problema con esta teoría es que la energía almacenada debido a las dislocaciones es muy baja (0,1-1 Jm −3 ) mientras que la energía del límite de un grano es bastante alta (~ 0,5Jm −2 ). Los cálculos basados ​​en estos valores encontraron que la tasa de nucleación observada era mayor que la calculada por algún factor increíblemente grande (~ 10 50 ).

Como resultado, la teoría alternativa propuesta por Cahn en 1949 es ahora universalmente aceptada. Los granos recristalizados no se nuclean de la manera clásica, sino que crecen a partir de subgranos y células preexistentes. El 'tiempo de incubación' es entonces un período de recuperación en el que los subgranos con límites de ángulo bajo (<1-2 °) comienzan a acumular dislocaciones y se vuelven cada vez más desorientados con respecto a sus vecinos. El aumento de la desorientación aumenta la movilidad del límite y, por lo tanto, aumenta la tasa de crecimiento del subgrano. Si un subgrano en un área local tiene una ventaja sobre sus vecinos (como densidades de dislocación localmente altas, un tamaño mayor u orientación favorable), entonces este subgrano podrá crecer más rápidamente que sus competidores. A medida que crece, su límite se desorienta cada vez más con respecto al material circundante hasta que puede reconocerse como un grano completamente nuevo sin deformaciones.

Cinética

Variación de la fracción volumétrica recristalizada con el tiempo

Se observa comúnmente que la cinética de recristalización sigue el perfil mostrado. Hay un 'período de nucleación' inicial t 0 donde los núcleos se forman y luego comienzan a crecer a una tasa constante consumiendo la matriz deformada. Aunque el proceso no sigue estrictamente la teoría clásica de nucleación, a menudo se encuentra que tales descripciones matemáticas proporcionan al menos una aproximación cercana. Para una matriz de granos esféricos, el radio medio R en un tiempo t es (Humphreys y Hatherly 2004):

donde t 0 es el tiempo de nucleación y G es la tasa de crecimiento dR / dt. Si se forman N núcleos en el incremento de tiempo dt y se supone que los granos son esféricos, la fracción de volumen será:

Esta ecuación es válida en las primeras etapas de recristalización cuando f << 1 y los granos en crecimiento no chocan entre sí. Una vez que los granos entran en contacto, la tasa de crecimiento se ralentiza y se relaciona con la fracción de material no transformado (1-f) mediante la ecuación de Johnson-Mehl:

Si bien esta ecuación proporciona una mejor descripción del proceso, aún asume que los granos son esféricos, las tasas de nucleación y crecimiento son constantes, los núcleos están distribuidos aleatoriamente y el tiempo de nucleación t 0 es pequeño. En la práctica, pocos de estos son realmente válidos y es necesario utilizar modelos alternativos.

En general, se reconoce que cualquier modelo útil no solo debe tener en cuenta la condición inicial del material, sino también la relación en constante cambio entre los granos en crecimiento, la matriz deformada y las segundas fases u otros factores microestructurales. La situación se complica aún más en los sistemas dinámicos donde la deformación y la recristalización ocurren simultáneamente. Como resultado, en general ha resultado imposible producir un modelo predictivo preciso para procesos industriales sin recurrir a pruebas empíricas exhaustivas. Dado que esto puede requerir el uso de equipo industrial que en realidad no se ha construido, existen claras dificultades con este enfoque.

Factores que influyen en la tasa

La temperatura de recocido tiene una influencia dramática en la velocidad de recristalización que se refleja en las ecuaciones anteriores. Sin embargo, para una temperatura determinada, existen varios factores adicionales que influirán en la velocidad.

La velocidad de recristalización está fuertemente influenciada por la cantidad de deformación y, en menor medida, por la forma en que se aplica. Los materiales muy deformados se recristalizarán más rápidamente que los deformados en menor grado. De hecho, por debajo de una cierta deformación, la recristalización puede no ocurrir nunca. La deformación a temperaturas más altas permitirá la recuperación simultánea y, por lo tanto, dichos materiales se recristalizarán más lentamente que los deformados a temperatura ambiente, por ejemplo, la laminación en frío y en caliente de contraste . En ciertos casos, la deformación puede ser inusualmente homogénea o ocurrir solo en planos cristalográficos específicos . La ausencia de gradientes de orientación y otras heterogeneidades pueden prevenir la formación de núcleos viables. Los experimentos en la década de 1970 encontraron que el molibdeno se deformaba a una deformación real de 0.3, se recristalizaba más rápidamente cuando se tensaba y a velocidades decrecientes para el trefilado , laminado y compresión (Barto y Ebert 1971).

La orientación de un grano y cómo cambia la orientación durante la deformación influyen en la acumulación de energía almacenada y, por tanto, en la tasa de recristalización. La movilidad de los límites de los granos está influenciada por su orientación, por lo que algunas texturas cristalográficas darán como resultado un crecimiento más rápido que otras.

Los átomos solutos, tanto las adiciones deliberadas como las impurezas, tienen una profunda influencia en la cinética de recristalización. Incluso concentraciones menores pueden tener una influencia sustancial, por ejemplo, el 0,004% de Fe aumenta la temperatura de recristalización en alrededor de 100 ° C (Humphreys y Hatherly 2004). Actualmente se desconoce si este efecto se debe principalmente al retraso de la nucleación o la reducción en la movilidad de los límites de los granos, es decir, el crecimiento.

Influencia de las segundas fases

Muchas aleaciones de importancia industrial tienen alguna fracción de volumen de partículas de la segunda fase, ya sea como resultado de impurezas o de adiciones deliberadas a la aleación. Dependiendo de su tamaño y distribución, tales partículas pueden actuar para estimular o retrasar la recristalización.

Pequeñas partículas

El efecto de una distribución de partículas pequeñas sobre el tamaño de grano en una muestra recristalizada. El tamaño mínimo se produce en la intersección del crecimiento estabilizado.

La recristalización se previene o se ralentiza significativamente mediante una dispersión de partículas pequeñas y poco espaciadas debido a la fijación de Zener en los límites de grano de ángulo alto y bajo. Esta presión se opone directamente a la fuerza impulsora que surge de la densidad de dislocación e influirá tanto en la cinética de nucleación como de crecimiento. El efecto se puede racionalizar con respecto al nivel de dispersión de partículas donde es la fracción de volumen de la segunda fase yr es el radio. A bajo, el tamaño de grano está determinado por el número de núcleos, por lo que inicialmente puede ser muy pequeño. Sin embargo, los granos son inestables con respecto al crecimiento del grano y, por lo tanto, crecerán durante el recocido hasta que las partículas ejerzan suficiente presión de fijación para detenerlas. A moderado, el tamaño del grano todavía está determinado por el número de núcleos, pero ahora los granos son estables con respecto al crecimiento normal (mientras que el crecimiento anormal todavía es posible). A un nivel alto, la estructura deformada no recristalizada es estable y se suprime la recristalización.

Partículas grandes

Los campos de deformación alrededor de partículas grandes (más de 1 μm) no deformables se caracterizan por altas densidades de dislocación y grandes gradientes de orientación, por lo que son lugares ideales para el desarrollo de núcleos de recristalización. Este fenómeno, llamado nucleación estimulada por partículas (PSN), es notable porque proporciona una de las pocas formas de controlar la recristalización controlando la distribución de partículas.

El efecto del tamaño de partícula y la fracción de volumen sobre el tamaño de grano recristalizado (izquierda) y el régimen de PSN (derecha)

El tamaño y la desorientación de la zona deformada están relacionados con el tamaño de partícula, por lo que se requiere un tamaño de partícula mínimo para iniciar la nucleación. Aumentar la extensión de la deformación reducirá el tamaño mínimo de partícula, lo que conducirá a un régimen de PSN en el espacio tamaño-deformación. Si la eficiencia de PSN es uno (es decir, cada partícula estimula un núcleo), entonces el tamaño de grano final se determinará simplemente por el número de partículas. Ocasionalmente, la eficiencia puede ser mayor que uno si se forman múltiples núcleos en cada partícula, pero esto es poco común. La eficiencia será menor que uno si las partículas están cerca del tamaño crítico y grandes fracciones de partículas pequeñas realmente evitarán la recristalización en lugar de iniciarla (ver arriba).

Distribuciones de partículas bimodales

El comportamiento de recristalización de materiales que contienen una amplia distribución de tamaños de partículas puede ser difícil de predecir. Esto se suma a las aleaciones donde las partículas son térmicamente inestables y pueden crecer o disolverse con el tiempo. En varios sistemas, puede producirse un crecimiento anormal del grano dando lugar a cristalitos inusualmente grandes que crecen a expensas de los más pequeños. La situación es más simple en las aleaciones bimodales que tienen dos poblaciones de partículas distintas. Un ejemplo son las aleaciones de Al-Si, donde se ha demostrado que incluso en presencia de partículas muy grandes (<5 μm), el comportamiento de recristalización está dominado por las partículas pequeñas (Chan & Humphreys 1984). En tales casos, la microestructura resultante tiende a parecerse a la de una aleación con solo pequeñas partículas.

Temperatura de recristalización

La temperatura de recristalización es la temperatura a la que puede ocurrir la recristalización para un material y condiciones de procesamiento dados. Esta no es una temperatura establecida y depende de factores que incluyen los siguientes:

  • Aumentar el tiempo de recocido disminuye la temperatura de recristalización
  • Las aleaciones tienen temperaturas de recristalización más altas que los metales puros.
  • Aumentar la cantidad de trabajo en frío disminuye la temperatura de recristalización
  • Los tamaños de grano más pequeños trabajados en frío disminuyen la temperatura de recristalización
Temperaturas de recristalización comunes en metales seleccionados
Metal Temp de recristalización ( ) Temperatura de fusión ( )
Pb -4 327
Alabama 150 660
Mg 200 650
Cu 200 1085
Fe 450 1538
W 1200 3410

Ver también

Referencias

  1. ^ Y. Hayakawa (2017), "Mecanismo de recristalización secundaria de granos Goss en acero eléctrico orientado a granos", Ciencia y tecnología de materiales avanzados , 18 : 1, 480-497, doi : 10.1080 / 14686996.2017.1341277 .
  2. ^ Askeland, Donald R. (enero de 2015). La ciencia y la ingeniería de materiales . Wright, Wendelin J. (Séptima ed.). Boston, MA. págs. 286–288. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750 .
  3. ^ Ladrillo, Robert Maynard (1977). Estructura y propiedades de los materiales de ingeniería . McGraw-Hill.
  • RL Barto; LJ Ebert (1971). "Efectos del estado de tensión de deformación sobre la cinética de recristalización del molibdeno". Transacciones metalúrgicas . 2 (6): 1643–1649. Código Bibliográfico : 1971MT ...... 2.1643B . doi : 10.1007 / BF02913888 (inactivo el 31 de mayo de 2021).Mantenimiento de CS1: DOI inactivo a partir de mayo de 2021 ( enlace )
  • HM Chan; FJ Humphreys (1984). "La recristalización de aleaciones de aluminio-silicio que contienen una distribución de partículas bimodal". Acta Metallurgica . 32 (2): 235–243. doi : 10.1016 / 0001-6160 (84) 90052-X .
  • RD Doherty (2005). "Recristalización primaria". En RW Cahn; et al. (eds.). Enciclopedia de Materiales: Ciencia y Tecnología . Elsevier. págs. 7847–7850.
  • RD Doherty; DA Hughes; FJ Humphreys; JJ Jonas; D Juul Jenson; ME Kassner; WE King; TR McNelley; HJ McQueen; AD Rollett (1997). "Problemas actuales en recristalización: una revisión". Ciencia e Ingeniería de Materiales . A238 : 219-274.
  • FJ Humphreys; M Hatherly (2004). Recristalización y fenómenos de recocido relacionados . Elsevier.