Mecanismos de Endurecimiento y Procesos de Recristalización en Materiales Metálicos

Mecanismos de Endurecimiento de Materiales Metálicos

1. Endurecimiento por Precipitación

En comparación con el endurecimiento por acritud, se puede aumentar el límite elástico con una menor pérdida de ductilidad. Las dislocaciones se encuentran con los precipitados, que obstaculizan su movimiento. Si el precipitado es lo suficientemente pequeño, la dureza crece con el precipitado. Por encima de un tamaño crítico, el precipitado pierde eficacia para endurecer el material. El máximo endurecimiento se obtiene cuando se forman precipitados pequeños y uniformemente distribuidos en el interior de los granos.

Etapas del Tratamiento de Precipitación:

• Tratamiento de Solubilización: Para disolver todos los precipitados formados de manera no adecuada (por ejemplo, en la junta de grano).
• Enfriamiento Rápido: Hasta temperatura ambiente para evitar la precipitación. El elemento aleante queda en sobresaturación.
• Envejecimiento (Precipitación): Si se deja transcurrir tiempo a temperatura ambiente (envejecimiento natural) o se aplica un tratamiento térmico a baja temperatura (envejecimiento artificial), se forman precipitados uniformemente distribuidos en el interior de los granos.

2. Endurecimiento por Dispersión

Se basa en la dispersión de partículas (como óxidos) en el estado líquido del material. Produce un mecanismo de endurecimiento combinado de endurecimiento por precipitación y endurecimiento por acritud. A diferencia de otros métodos de endurecimiento, permite endurecer a alta temperatura debido a que las partículas dispersadas suelen ser muy estables.

3. Endurecimiento por Transformación Martensítica

Este tipo de endurecimiento solo ocurre en materiales que presentan diferente estructura cristalina en función de la temperatura. Si el enfriamiento es lento, se forma la estructura cristalina de equilibrio a temperatura ambiente, no produciéndose el endurecimiento. Sin embargo, si se enfría rápidamente, se forma una estructura cristalina con menor simetría, mayor número de dislocaciones y, en general, una alta concentración de átomos intersticiales en solución sólida, lo que resulta en el endurecimiento.

4. Endurecimiento por Afino de Grano

Cuanto menor es el tamaño de grano, mayor es el límite elástico del material. Esto se debe a que las juntas de grano frenan el deslizamiento de las dislocaciones. Además de endurecer, el afino del tamaño de grano permite aumentar la tenacidad del material (es decir, se reduce la fragilidad).

Tratamiento de Recristalización

La deformación plástica de un material produce distintos efectos en diferentes niveles:

• A nivel macroscópico: Se produce un cambio de forma.
• A nivel de la microestructura: Se produce un alargamiento de los granos en la dirección de deformación.
• A nivel atómico: Se produce un aumento en el número de dislocaciones, lo que da lugar a un endurecimiento del material (acritud).

Un metal deformado plásticamente en frío posee mayor energía interna que ese mismo metal sin deformar. Con el incremento de la temperatura, tienen lugar procesos de recuperación y reordenamiento microestructural:

• Eliminación mutua de dislocaciones.
• Reordenamiento de dislocaciones.
• Absorción de dislocaciones en juntas de grano.
• Desplazamiento de la frontera de grano.

Estos procesos se distinguen en tres etapas principales:

1. Restauración

Se reduce ligeramente la energía interna del cristal al eliminarse o reordenarse dislocaciones y pasar los átomos a posiciones de equilibrio. Sin embargo, no se produce movimiento de las juntas de grano. Como resultado, se reducen las tensiones residuales y disminuye ligeramente la dureza y el límite elástico.

2. Recristalización

En esta etapa, se forman nuevos cristales libres de deformación. Estos nuevos granos equiáxicos empiezan a formarse en los lugares con mayor acritud (mayor densidad de dislocaciones). El material recupera las propiedades que tenía antes de la deformación, incluyendo una reducción significativa de la dureza y un aumento de la ductilidad.

• Efectos de la Recristalización:
  • A nivel macroscópico: La forma no cambia.
  • A nivel de la microestructura: Se forman nuevos granos equiáxicos.
  • A nivel atómico: Se produce una eliminación de dislocaciones hasta alcanzar la densidad de dislocaciones que se tenía antes de deformar.

3. Crecimiento de Grano

Si el calentamiento continúa por encima de la temperatura de recristalización, se produce el crecimiento del grano recristalizado. Este proceso puede ser perjudicial para las propiedades mecánicas, ya que un tamaño de grano excesivamente grande puede reducir la tenacidad y el límite elástico del material.