Deformación y recristalización de los metales
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Los metales, como materiales con estructura cristalina, pueden cambiar de forma permanentemente bajo la influencia de fuerzas externas. Este fenómeno, conocido como deformación, constituye la base del trabajo plástico, un proceso tecnológico clave en metalurgia e ingeniería de materiales.
En la práctica industrial, los metales se someten a diversos tipos de deformación. Estos van desde la deformación elástica, que desaparece cuando se elimina la carga, hasta la deformación plástica, que da lugar a un cambio permanente en las dimensiones y la estructura interna del material. Es esta capacidad de sufrir deformación plástica lo que permite que los metales se laminen, se estiren, se doblen o se forjen sin destruirse.
El proceso de deformación del metal está asociado a los cambios significativos en su estructura interna, especialmente, a nivel de la red cristalina. Esto da lugar a defectos estructurales, como las dislocaciones que, por un lado, permiten el deslizamiento y la deformación y, por otro, conducen al fortalecimiento del material. Sin embargo, un aplastamiento excesivo puede provocar una pérdida de plasticidad y una reducción de la resistencia a procesamientos posteriores.
Para restaurar las propiedades originales del metal, se emplea un proceso de recristalización, que consiste en transformar la estructura deformada en una nueva estructura cristalina ordenada, con lo que se recupera así la plasticidad y las propiedades beneficiosas.
Comprender los mecanismos de deformación y recristalización es fundamental no solo para diseñar procesos tecnológicos, sino también para predecir el comportamiento de los materiales en condiciones de funcionamiento. En este artículo, se exploran tanto los fundamentos teóricos como las aplicaciones prácticas de estos fenómenos, desde el nivel atómico hasta el ámbito industrial.
Deformación elástica y plástica
Bajo la influencia de fuerzas externas, el metal cambia de forma y de dimensiones. Dependiendo de la magnitud y la duración de estas fuerzas, distinguimos dos tipos básicos de deformación: elástica y plástica.
Deformación elástica
La deformación elástica es una deformación temporal que desaparece tras retirar la carga, lo que significa que el material vuelve a su forma y dimensiones originales. A nivel atómico, se produce un cambio en la distancia que hay entre los átomos de la red cristalina sin que se produzca una transformación permanente. Bajo fuerzas de tracción, las celdas de la red se alargan, mientras que bajo fuerzas de compresión, se acortan.
En el rango de la deformación elástica, existe una relación lineal entre la tensión y la deformación relativa descrita por la fórmula:
\[ \sigma = E \,\cdot\,\epsilon\]
- \(\sigma\) – tensión,
- \(\epsilon\) – deformación relativa,
- \(E\) – módulo de elasticidad longitudinal (módulo de Young).
El módulo de Young es una medida de la rigidez de un material: cuanto mayor es su valor, más rápido aumenta la tensión al aumentar la deformación. Depende del tipo de metal, del tipo de red cristalina y de la dirección de la carga (especialmente, en los monocristales).
Además de las tensiones axiales, los materiales también pueden sufrir tensiones tangenciales (cizallamiento), que provocan que las capas de átomos se desplacen entre sí. Esta deformación también puede ser elástica y se mide mediante el módulo de elasticidad transversal.
Deformación plástica
Cuando la fuerza supera el denominado límite elástico, el material comienza a deformarse de forma permanente y se produce la deformación plástica. Una vez eliminada la carga, la muestra no recupera su forma original y los cambios de la estructura cristalina son irreversibles.
La deformación plástica se produce, principalmente, de dos maneras: por deslizamiento, es decir, el desplazamiento de partes del cristal entre sí a lo largo de los llamados planos de deslizamiento fácil, donde el metal ofrece la menor resistencia, y por macla, es decir, la transformación de una parte del cristal en una imagen especular de la otra parte, especialmente común en metales con una red hexagonal o con FCC.
La plasticidad de un metal está estrechamente relacionada con su estructura cristalina: cuantos más planos y direcciones de deslizamiento fácil haya, mayor será la capacidad de deformación plástica. Por ejemplo, en una estructura FCC (como el aluminio), el deslizamiento se produce más fácilmente que en una estructura hexagonal (por ejemplo, el zinc o el magnesio).
La capacidad de sufrir deformación plástica determina las posibilidades tecnológicas de conformado de un metal, pero también influye en la distribución de las tensiones internas, la formación de la textura cristalográfica y otras propiedades de resistencia del material.
Mecanismos microscópicos de deformación
El proceso de deformación plástica del metal no implica el desplazamiento uniforme de fragmentos enteros del material. Este fenómeno se produce a nivel microscópico mediante el desplazamiento local de átomos a lo largo de planos y direcciones específicos, y sus mecanismos principales son el deslizamiento y el macla.
Deslizamiento cristalino
El deslizamiento implica el desplazamiento de las partes de un cristal entre sí a lo largo de los denominados planos de deslizamiento fácil. Es decir, aquellos con mayor densidad atómica y menor resistencia al movimiento de dislocación. Este fenómeno se produce cuando las tensiones de cizallamiento de estos planos superan la tensión de cizallamiento crítica.
Los planos de deslizamiento y las direcciones en las que se mueve el material dependen de la estructura de la red cristalina. Cuantas más estructuras de este tipo haya, mayor será la plasticidad del metal. Por eso, el aluminio es muy dúctil y el magnesio, por ejemplo, es relativamente frágil.
El cizallamiento no afecta a todo el cristal a la vez, sino que comienza de forma localizada y luego se propaga a lo largo de la red. En los lugares donde se ha producido el cizallamiento, se forman líneas o bandas características que son visibles al microscopio.
Macla
El segundo mecanismo posible es el macla, que consiste en que una parte del cristal se orienta como una imagen especular de la otra parte con respecto a un plano específico, conocido como plano gemelo.
Este proceso se produce con especial facilidad en metales con una estructura hexagonal y en algunos metales FCC (por ejemplo, el cobre o la plata) a bajas temperaturas o durante una deformación rápida. La formación de maclas permite la deformación cuando el deslizamiento es limitado, por lo que desempeña un papel especial en metales con un número reducido de sistemas de deslizamiento fácil.
Dislocaciones y la teoría del deslizamiento real
Aunque durante muchos años, se creyó que el deslizamiento requería el desplazamiento de planos enteros de átomos a la vez, las investigaciones han demostrado que las tensiones reales necesarias para tal desplazamiento serían miles de veces mayores que las observadas en la práctica.
La solución a esta contradicción se encontró en la teoría de la dislocación. Según esta teoría, el deslizamiento se produce mediante el movimiento de dislocaciones, defectos lineales en la estructura cristalina. En lugar del movimiento simultáneo de todo el plano de átomos, la deformación se produce por etapas, como si una «onda de deformación» se moviera a través del cristal.
Las dislocaciones pueden moverse con relativa facilidad, pero su movimiento se ve dificultado por obstáculos como otras dislocaciones, límites de grano, impurezas o partículas de fase secundaria. A medida que aumenta su número, se produce un efecto de refuerzo, lo que da lugar a una mayor resistencia a un mayor deslizamiento.
Aplastamiento y refuerzo
Durante la deformación plástica, especialmente en condiciones de trabajo en frío, la estructura del metal sufre cambios significativos. Este proceso, conocido como aplastamiento, implica una deformación permanente del metal acompañada de un aumento de la densidad de dislocaciones y otros defectos de la red. Estos cambios tienen un impacto significativo en las propiedades del material, tanto mecánicas como fisicoquímicas.
Aplastamiento
A medida que aumenta el aplastamiento:
- El número de dislocaciones comienza a aumentar y forma mallas complejas e irregulares.
- A deformaciones más elevadas (10-25 %), se forman paredes continuas que rodean las zonas con menos defectos, las llamadas células.
- Una mayor deformación conduce a una concentración de dislocaciones en las paredes y a cambios en la forma de las células.
Como resultado, la estructura del metal se deforma gravemente y se reduce su capacidad para sufrir deformaciones adicionales. También cambian otras propiedades del metal: disminuye la conductividad eléctrica, aumenta la coercitividad y el magnetismo residual, aumenta la solubilidad en ácidos y disminuye la densidad, mientras que aumenta el volumen específico.
El aplastamiento no solo cambia la forma de los granos, sino que también cambia su orientación espacial, lo que conduce a la formación de la denominada textura de deformación, una disposición estructural característica de una dirección específica de deformación (por ejemplo, laminado o estirado).
Endurecimiento del metal
Un aumento de la densidad de dislocaciones da lugar a un fenómeno conocido como endurecimiento. Este consiste en que el movimiento de las dislocaciones posteriores se ve cada vez más dificultado por los obstáculos existentes (otras dislocaciones, límites de grano, inclusiones, etc.), de modo que se necesitan fuerzas cada vez mayores para continuar la deformación.
Los efectos del endurecimiento son visibles en las propiedades del metal: aumenta el límite elástico, mientras que también aumentan la resistencia a la tracción y la dureza; por el contrario, disminuyen las propiedades plásticas, como la elongación, el estrechamiento y la resistencia al impacto.
Estos fenómenos se han ilustrado, por ejemplo, en estudios sobre el hierro puro, en los que se observó un aumento significativo de la resistencia, junto con una disminución de la ductilidad, al aumentar el grado de aplastamiento.
Recristalización
Tras una intensa deformación plástica, la estructura metálica se caracteriza por una alta densidad de defectos, principalmente dislocaciones y distorsiones de la red cristalina. Dicho material se encuentra en un estado energéticamente inestable, con una energía interna mucho mayor que la del metal fundido o recocido. Para restaurar sus propiedades originales, se lleva a cabo un proceso de recristalización, que consiste en calentar el metal para restaurar su estructura cristalina correcta.
Etapas del proceso de recristalización
- La curación se produce a temperaturas relativamente bajas (por ejemplo, para el hierro, aproximadamente entre 300 y 400 °C), los defectos puntuales se difunden, las dislocaciones opuestas se aniquilan y las dislocaciones se reorganizan; la estructura no cambia de forma visible al microscopio, pero las propiedades físicas (por ejemplo, la conductividad) y mecánicas mejoran ligeramente.
- Poligonización: las dislocaciones se reorganizan, formando los denominados límites de subgranos. Se forman áreas con orientaciones cristalinas ligeramente diferentes, lo que reduce la energía interna del material. Se trata de una forma de reorganización interna que conduce a la estabilización estructural, pero sin una reconstrucción completa del grano.
- La recristalización primaria comienza por encima de la denominada temperatura de recristalización, en zonas con alta densidad de dislocaciones. Se forman nuevos núcleos de grano, libres de defectos, que crecen a expensas de la estructura deformada hasta sustituirla por completo. El metal recupera su plasticidad y homogeneidad.
- Crecimiento del grano: tras la recristalización, los granos pueden seguir creciendo y se produce un aumento espontáneo del tamaño de los granos grandes a expensas de los pequeños, lo que reduce el área total del límite de grano y, por lo tanto, la energía del sistema. En condiciones de recocido no controladas, puede producirse un crecimiento anormal del grano, lo que da lugar a la formación de granos únicos muy grandes, lo cual no es deseable en estructuras que requieren una alta resistencia.
La recristalización aumenta la plasticidad del metal, restaura sus propiedades mecánicas y tecnológicas, hace que el material sea más homogéneo y predecible, y reduce la tensión interna y la fragilidad. Este proceso se utiliza en la práctica como el denominado recocido de recristalización, que es necesario, por ejemplo, en operaciones de estirado, laminado, doblado y otras operaciones plásticas, tanto entre operaciones como al final del proceso de fabricación.
Temperatura y factores que influyen en la recristalización
La temperatura de recristalización es la temperatura más baja a la que, en el plazo de una hora, se produce la restauración completa de la estructura deformada por el aplastamiento. Este valor no es constante, sino que depende de varios factores, entre ellos el material, el tamaño del aplastamiento, la pureza del metal y el método de enfriamiento. Para la mayoría de los metales puros, la temperatura de recristalización oscila entre 0,3 y 0,5 veces el punto de fusión (expresado en Kelvin).
El control de las condiciones de recristalización permite adaptar la microestructura a los requisitos tecnológicos, mejora la ductilidad del material antes de su posterior procesamiento y permite obtener el tamaño de grano deseado, lo que a su vez influye en propiedades como la dureza, la resistencia a la fatiga y la conductividad eléctrica.
Sin embargo, temperaturas excesivamente altas o tiempos de recocido prolongados pueden provocar un crecimiento excesivo del grano, lo que debilita el metal y deteriora sus propiedades; por lo tanto, el proceso de recristalización requiere una selección precisa de los parámetros.
Factores que afectan a la temperatura de recristalización
- Grado de deformación: cuanto mayor es la deformación, mayor es la densidad de dislocación, más sitios hay para la nucleación de nuevos granos y, por lo tanto, menor es la temperatura necesaria para la recristalización. Con una deformación muy baja (por debajo del 5-10 %), el proceso de recristalización puede no producirse en absoluto.
- Pureza química del metal: los metales puros se recristalizan más fácilmente y a temperaturas más bajas; la presencia de impurezas (por ejemplo, carbono, azufre, fósforo) dificulta el movimiento de los límites de grano, lo que aumenta la temperatura de recristalización.
- Tamaño del grano antes de la deformación: los metales con una estructura de grano fino antes de la deformación tienen más límites, lo que facilita la nucleación, mientras que las estructuras de grano grueso requieren un mayor sobrecalentamiento.
- Velocidad de enfriamiento tras la deformación: el enfriamiento lento favorece la cicatrización y la poligonización, seguidas de la recristalización, mientras que el enfriamiento rápido (temple) puede detener el proceso de transformación, dejando una estructura aplastada.
- Textura de deformación y tensiones internas: las áreas con aplastamiento intenso u orientaciones cristalográficas desfavorables se recristalizan más rápidamente. Algunas orientaciones de los granos pueden provocar un crecimiento preferencial, lo que conduce a la formación de una textura de recristalización.
Destrucción de material
La destrucción del metal es la etapa final de su trabajo mecánico, el momento en que el material pierde su continuidad y deja de cumplir su función estructural. Dependiendo de las condiciones de carga, la temperatura, la estructura interna y el tipo de material, la destrucción puede producirse de dos formas básicas: como chatarra frágil o chatarra dúctil.
Chatarra frágil
Los residuos frágiles se producen cuando el material se rompe repentinamente sin deformación plástica previa. Se caracterizan por: ausencia de elongación o estrechamiento de la muestra, una superficie de fractura plana, a menudo con patrones característicos en forma de concha, una fractura ruidosa, «similar al vidrio», y una alta velocidad de propagación de la fractura.
Este mecanismo predomina en metales con baja plasticidad (por ejemplo, hierro fundido, algunos aceros endurecidos), especialmente a bajas temperaturas, bajo cargas dinámicas o de impacto, y en presencia de defectos, muescas y grietas preexistentes, que actúan como concentradores de tensión. Los residuos frágiles son de naturaleza trans-cristalina (a través de los granos) o inter-cristalina (a lo largo de los límites de los granos), dependiendo de la microestructura y las impurezas presentes.
Chatarra de cizallamiento (dúctil)
El cizallamiento se produce en materiales que sufren una deformación plástica significativa antes de romperse. Sus características incluyen un alargamiento significativo de la muestra, un estrechamiento en el punto de rotura (conocido como cuello), una superficie de fractura con una estructura rugosa y fibrosa, y una destrucción resultante de la deformación por dislocación y el crecimiento de microfisuras.
Este tipo de fallo es característico de los metales blandos y fácilmente deformables (por ejemplo, el cobre o el aluminio) que trabajan a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas, y bajo cargas estáticas o que aumentan lentamente. El fallo por cizallamiento puede considerarse «más seguro» porque da una señal de advertencia (la deformación) antes de que el material se rompa por completo.
El tipo de fallo depende de muchos factores, entre ellos la temperatura (las temperaturas más bajas favorecen la fragilidad), la velocidad de carga (cuanto más rápida, mayor es el riesgo de fractura frágil), la estructura y la composición química (las impurezas pueden causar fragilidad intergranular), la presencia de defectos superficiales (favorecen el fallo sin deformación) y la duración de la tensión (una carga prolongada puede provocar fluencia y fallo a bajos niveles de tensión).
Ensayo de propiedades mecánicas de metales
Para evaluar cómo se comportará un metal bajo cargas mecánicas, es necesario realizar pruebas de laboratorio adecuadas para determinar su resistencia, ductilidad, dureza y resistencia a la fractura y a la fluencia. Los resultados de estas pruebas son la base para seleccionar un material para una aplicación técnica específica.
Ensayo de tracción
Una de las pruebas básicas es la prueba de tracción, que permite determinar el módulo de elasticidad (E), el límite elástico, la resistencia a la tracción, así como el alargamiento relativo y la reducción de área.
A partir del ensayo de tracción, se elabora un diagrama de tensión-deformación que ilustra la deformación del metal desde la fase elástica, pasando por la fase plástica, hasta la fractura. Este ensayo proporciona información clave sobre el comportamiento del material en condiciones de trabajo estáticas.
Pruebas de dureza
La dureza es la resistencia de un material a la deformación permanente bajo la influencia de un cuerpo más duro. Los métodos más utilizados son Brinell (HB), con una bola de acero; Vickers (HV), con una pirámide de diamante; y Rockwell (HR), con un cono o una bola de acero. La dureza se correlaciona con otras propiedades mecánicas: cuanto más duro es el metal, mayor es su resistencia, pero a menudo menor es su ductilidad.
Pruebas de impacto
Se utilizan para evaluar la resistencia del metal a cargas dinámicas rápidas. Se realizan utilizando el péndulo Charpy (ensayo con muesca) y el péndulo Izod. El resultado se expresa como la cantidad de energía necesaria para romper la muestra, lo que ilustra el comportamiento del material bajo carga de impacto, crucial, por ejemplo, en las industrias automovilística, ferroviaria y aeronáutica.
Ensayo de fluencia
La fluencia es la deformación lenta y progresiva del metal bajo la acción de una carga y una temperatura constantes. La prueba consiste en aplicar una carga a largo plazo a la muestra y medir la deformación a lo largo del tiempo. Es de gran importancia en la selección de materiales para componentes que funcionan a temperaturas elevadas, como turbinas, calderas y reactores.
Métodos modernos de evaluación
Además de las pruebas clásicas, cada vez se utilizan más métodos no destructivos y técnicas microscópicas avanzadas, como el análisis EBSD (difracción de electrones retrodispersados), la microscopía SEM/TEM, las pruebas ultrasónicas y de rayos X y las pruebas de dureza nanométrica (nanoindentación). Estos métodos permiten examinar la estructura, los defectos y las propiedades mecánicas con extrema precisión, sin destruir la muestra.
Deformación y recristalización de metales: resumen
Comprender los mecanismos de deformación y recristalización en los metales es fundamental tanto desde el punto de vista científico como desde el punto de vista de la ingeniería. La forma en que un metal reacciona al estrés determina no solo su durabilidad y fiabilidad, sino también su conformabilidad y procesabilidad.
El control consciente de la estructura interna de un material, mediante la selección adecuada de las condiciones de deformación y tratamiento térmico, permite optimizar las propiedades mecánicas, lo que se utiliza en casi todos los campos de la industria: desde la construcción de maquinaria, pasando por la aviación, hasta la energía nuclear.
El conocimiento de estos procesos no es solo teoría, sino una herramienta para el diseño consciente de materiales, adaptada a las condiciones reales de su funcionamiento.
