Universidad de Concepción Facultad de Ingeniería Dpto. Ing. Civil de Materiales

Laboratorio Nº2

Recristalización y Crecimiento de Grano

Alumno : Javier Candia H. Carrera : Ing. Civil de Materiales. Asignatura : Transformaciones de Fases. Profesor : Víctor Vergara S.

Introducción Durante el desarrollo de este laboratorio se realizo el estudio metalográfico de dos

muestras consistentes en clavos comunes, los cuales han sido fabricados mediante dos procesos de deformación diferentes, trefilación en el cuerpo y forja en frío en la cabeza, dado que así en un posterior recocido podremos visualizar como afecta la energía almacenada en la nucleación de nuevos granos libres de deformación y su posterior crecimiento, en los procesos de Recuperación, Recristalización y Crecimiento de grano experimentados por el clavo.

Cabe mencionar que para un mejor entendimiento de esta experiencia, definiremos el

proceso de Recuperación es netamente la relajación del material gracias a la acción del recocido en el cual, los defectos cristalinos, tanto como de línea (dislocaciones) como los puntuales, se condensan para finalmente aniquilarse entre si, como condensación en marañas en el caso linear, y resumideros de defectos de punto en el caso puntual, para finalmente generar la nucleación de granos libres de deformación y dar inicio al proceso de Recristalización. Este proceso varia moderadamente las propiedades mecánicas del material, y no puede ser visualizado con microscopio óptico pues los cambios ocurren a nivel de estructura cristalina, por movimiento o de defectos puntuales y lineales y no son visibles a éstos aumentos.

En seguida se inicia el proceso de Recristalización el cual consiste en la nucleación de

granos nuevos libres de deformación y el consumo gradual de la matriz trabajada en frío debido al crecimiento de estos granos. Al momento de consumirse totalmente la matriz que aloja a estos granos no deformados comienza el proceso de Crecimiento Normal de Grano donde los granos que nuclearon en primera instancia durante la Recristalización han alcanzado un tamaño mayor que los últimos en formarse a medida que se va consumiendo la matriz y en esta última etapa, los granos más grandes crecen a expensas de los más pequeños que se encogen hacia su centro de curvatura y finalmente desaparecen. El tamaño de grano final obtenido después de este proceso puede ser controlado mediante procesos tales como la adición de elementos formadores de carburos en el caso del acero que frenan el avance del limite de grano, pero este tema no nos avoca por ahora.

La fuerza impulsora tanto para el proceso de Recuperación como para el de

Recristalización es la energía almacenada en forma de defectos gracias a la acción de la deformación en frío. De ahí la necesidad de estudiar los cambios tanto en la microestructura como en las propiedades mecánicas del material (clavo) debido a los diferentes tipos de deformación aplicadas. Dado que cuando mas complejo sea el tipo de deformación, mayor será la cantidad de energía almacenada por el material, favoreciendo así los procesos y los cambios mencionados anteriormente.

Objetivos

Análisis y comparación de microestructuras en las diferentes zonas del clavo, con el fin de visualizar el diferente cambio en estas, debido a los procesos de trefilación y forja realizados en la fabricación del clavo.

Análisis y comparación de microestructuras del mismo clavo, posterior a recocidos a diferentes tiempos realizados sobre este, con el fin de visualizar el proceso de Recristalización de una manera mas controlada y sin perdida de datos.

Análisis y comparación de las mediciones de dureza realizadas sobre el clavo, con el fin de estudiar el comportamiento de las propiedades mecánicas en el material a lo largo del experimento.

Procedimiento Experimental

El material trabajado consiste en dos clavos comunes (Acero SAE 1008) los cuales han sido fabricados mediante trefilación en el cuerpo y forja en frío en la cabeza., de aproximadamente 4” (~10 cm) cada uno.

El primero de ellos fue cortado en un trozo de aproximadamente 2 cm en relación al

extremo superior (cabeza).

El reborde de esta sección fue recortada hasta su horizontalidad con el fin de facilitar su posterior desbaste.

Posteriormente esta sección fue montada en resina de modo que el lado desbastado

pueda ser observado metalográficamente y luego observar su microestructura.

Luego se procede al lijado y posterior pulido de la muestra, y finalmente su ataque químico para su visualización al microscopio.

Al segundo clavo es seccionado en tres partes de aproximadamente 1,5 cm. y se

desbasta de la misma forma que el primer clavo (en la zona de la cabeza).

Se mide la dureza en la zona de transición desde forja a trefilación.

Luego, las tres secciones son recocidas a una misma temperatura (650ºC) pero a distintos tiempos, durante 1, 2 y 3 horas respectivamente.

Estas secciones son montadas en resina del mismo modo del caso anterior.

Y finalmente se procede al lijado y posterior pulido de estas nuevas muestras, y son

atacadas químicamente para su estudio metalográfico.

Resultados Experimentales

Iniciaremos este análisis experimental y microestructural, con nuestra muestra patrón M1, sea el clavo sin recocer, para posteriormente continuar con el estudio de las muestras recocidas (M2.1, M2.2, M2.3) a 650ºC por 1 , 2 y 3 horas respectivamente e iremos identificando los diversos puntos de interés a lo largo de estas muestras.

Zona: Extremo superior del clavo (cabeza). Sometida a forja para su fabricación. Matriz ferrítica 0,08%C 1.- Se visualiza grano poliédrico, debido a al forjado se observa un cambio de orientación de estos hacia el contorno del clavo. Obs. Posterior al ensayo de dureza realizado sobre esta sección, su dureza resulto 100 HRB.

Micrografía M1.1 100X Reactivo Nital.

Zona: Transición entre forja y trefilación. Matriz ferritica 0,08%C 1.- Se observan granos pequeños encogidos ferríticos en la parte superior debido al forjado. 2.- Zona de transición entre forja y trefilación, se evidencia un cambio en la forma, dimensión y orientación de los granos. 3.- Se visualizan granos alargados en la dirección del trefilado.

Micrografía M1.2 100X Reactivo Nital.

Zona: Parte inferior de la muestra. Sometida a Trefilado para su fabricación. Matriz ferrítica 0,08%C 1.- Se observa granos ferríticos alargados, claramente orientados en la dirección del trefilado Obs. Posterior al ensayo de dureza realizado sobre esta sección, su dureza resulto 92 HRB.

Micrografía M1.3 100X Reactivo Nital.

Zona: Centro del cuerpo del clavo recocido durante 1 hora a 650ºC. Matriz ferrítica 0,08%C. 1.- Grano ferrifico poliédrico recristalizado libres de deformación. 2.- Granos de menor tamaño en comparación a 1. recristalizados, debido a su posterior nucleación.

Micrografía M2.1 100X Reactivo Nital.

Zona: Centro del cuerpo del clavo recocido durante 2 horas a 650ºC. Matriz ferritica 0,08%C. 1.- Se evidencia una mayor cantidad de granos recristalizados libres de deformación en comparación con la muestra M2.1. 2. Lógicamente también se evidencia disminución en cantidad de granos pequeños libres de deformación, debido a su crecimiento. 3. Una visión a mayor aumento de la muestra mostró que estas secciones en su mayoría no es perlita sino que es suciedad y/o inclusiones presentes en el clavo durante su fabricación.

Micrografía M2.2 100X Reactivo Nital.

Zona Forjada Transición Zona Trefilada Se visualiza un menor tamaño de grano recristalizado en la zona forjada que en la zona trefilada.

Zona: Centro del cuello del clavo recocido durante 3 horas a 650ºC. Matriz ferritica 0,08%C. 1.- Se aprecian una mayor cantidad de granos grandes libres de deformación, lo que lleva a intuir el crecimiento de grano mediante proceso difusivo donde los granos más grandes crecen a expensas de los más pequeños. 2.- A medida que aumento el tiempo de recocido se presenta una mayor homogenización de granos grandes libres de deformación, y una mayor dispersión de los granos de menor tamaño. 3. Nuevamente cabe mencionar que una visión a mayor aumento de la muestra mostró que estas secciones en su mayoría no es perlita sino que es suciedad y/o inclusiones presentes en el clavo durante su fabricación.

Micrografía M2.3 100X Reactivo Nital.

Análisis y Discusiones Es claro que cuanto mas complejo sea el tipo de deformación aplicada sobre nuestro material, mayor será la cantidad de planos de deslizamiento que se activen, y en estos van viajando las dislocaciones, por ende existirá mayor interacción entre estas. Al ocurrir este fenómeno opera la multiplicación de dislocaciones, esto nos dice que la densidad de dislocaciones aumentara en el material, por consiguiente ocurrirán dos accionares importantes para la discusión de los resultados obtenidos y observados durante la experiencia. Primero, un material que acumula una mayor cantidad de dislocaciones en su microestructura, nos dirá que su ductilidad disminuirá, dado que, pese a que estos defectos son los que se encargan de darles una buena ductilidad a los metales debido que cuando este presenta una grieta o ranura superficial en su estructura y alcanza el esfuerzo de cedencia, las dislocaciones comienzan a moverse y el consiguiente flujo plástico de ellas actúa para redondear la punta de la grieta y con ello aliviar la concentración de esfuerzos, una gran acumulación de estas tienen a estorbarse entre si, impidiendo su movilidad, disminuyendo la ductilidad del material. Pero esto aumentara su dureza dado que un mayor trabajado en frío tiende a afinar el grano frenando el avance de las dislocaciones y en conjunto con lo anterior, aumenta la dureza del material.

En concordancia con el ensayo de dureza realizado en Rockwell B, HRB, considerando una dureza promedio por zonas se confirma que la zona de mayor dureza es la forjada dado que esta deformación al actuar, activa una mayor cantidad de planos de deslizamiento en el material en comparación con la zona trefilada.

Segundo, una deformación mas compleja sobre un material aumentara la cantidad de energía almacenada en este, y dado que esta es la fuerza impulsora para los procesos de Recuperación y Recristalización, entregara un menor tamaño de grano recristalizado al final de este proceso. Esto ocurre debido a que una mayor cantidad de energía almacenada aumenta el numero de núcleos (granos libres de deformación) aparecidos por unidad de tiempo (velocidad de nucleación) y luego, cuando estos granos tiendan a crecer, se encontraran con un menor espacio para hacerlo, dado que tenderán a chocar entre si, generándose el fenómeno de traslapo. Esto se ve reflejado al final del proceso cuando se obtienen granos mas pequeños en comparación a un mismo material pero deformado en menor medida o con deformación menos compleja. Esto concuerda con los resultados experimentales, dado que al final la experiencia se visualizó un menor tamaño de grano recristalizado en la zona forjada del clavo, que en la zona trefilada del mismo.

Otro punto interesante para discutir es como se fue produciendo el proceso de recristalización durante esta experiencia. Una deformación en frío y su posterior recocido durante diferentes tiempos nos permite una visualización mas detallada de los fenómenos que ocurren al interior del material.

La primera muestra retirada M2.1, evidencia el inicio del proceso de recristalización del

material, comienza a presentar nucleación de granos nuevos libres de deformación en los límites de grano y el crecimiento de los mismos a expensas de los granos deformados. A medida que aumentamos el tiempo de las muestras en el horno a 650ºC, muestra M2.2, Se evidencia una mayor cantidad de granos recristalizados libres de deformación en comparación con la muestra

M2.1 y a su vez evidencia disminución en cantidad de granos pequeños libres de deformación, debido a su crecimiento, identificando una homogenización de la cantidad de granos libres de deformación. En la muestra M2.3 se muestra la sección de transición del clavo entre su zona forjada y trefilada, se ven dos puntos que cabe resaltar. Primero que el proceso de recristalización esta completo en ambas zonas y se inicia el proceso de crecimiento normal de granos, esto es, dado que se consume la energía almacenada en el material, comienza a regir el proceso difusivo, atribuible a la diferencia en la curvatura de granos en que los granos más grandes comenzarán a consumir a los mas pequeños. Y segundo, que se visualiza que el tamaño de grano recristalizado en la zona forjada es mas pequeño que en la zona trefilada, situación explicada anteriormente dentro de este análisis.

Conclusiones El proceso de forja es una deformación mas compleja que el trefilado, dado que modifica la orientación de los granos y aumenta de mayor manera la activación de planos de deslizamiento en el material, esto influye fuertemente en relación a la dureza del material, su ductilidad, y cantidad de energía almacenada, esta ultima reflejándose en el tamaño final de grano recristalizado de la muestra. A medida que recocemos por mas tiempo el material se evidencian una gran variedad de cambios microestructurales en el. En primera instancia, se iniciara el proceso de nucleación de granos libres de deformación, y a medida que pasa el tiempo, se presentara el crecimiento de estos además de continuar el proceso de nucleación, hasta generarse el fenómeno de traslapo en ellos, donde el crecimiento se torna mas lento, y finalmente se consumirá la matriz deformada. Al llegar a el tiempo de la muestra M2.3 se manifestó el consumo total de la matriz deformada por ende se inicio el proceso de crecimiento normal de grano, donde la energía almacenada se agota y empieza a regir el proceso difusivo donde los granos grandes consumen a los mas pequeños. Si hubiéramos mantenido la muestra M2.3 en el horno durante más tiempo se habría obtenido un grano ferrítico de mayor tamaño. Dado que el crecimiento de grano es una función del tiempo y la temperatura de recocido, a mayor tiempo de recocido, mayor será el crecimiento de grano normal, por ende mayor será el tamaño de grano final.

Bibliografía

Fundamentos de la Metalurgia Física, John D. Verhoeven.

http://www.steeluniversity.org/content/html/eng/default.asp?catid=1&pageid=1016899460