fluencia.pdf

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 193-203

0255-6952 2009 Universidad Simn Bolvar (Venezuela) 191

CORRELACIN ESFUERZO DE FLUENCIA-MICROESTRUCTURA A TEMPERATURA AMBIENTE DE UN COBRE PURO PROVENIENTE DE LAMINACIN EN CALIENTE

Mary de L. Torres 1*, Sandra B. Cabello 2

9 Este artculo forma parte del Volumen Suplemento S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

(RLMM). Los suplementos de la RLMM son nmeros especiales de la revista dedicados a publicar memorias de congresos.

9 Este suplemento constituye las memorias del congreso X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X

IBEROMET) celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008. 9 La seleccin y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comit

Organizador del X IBEROMET, quien nombr una comisin ad-hoc para este fin (vase editorial de este suplemento).

9 La RLMM no someti estos artculos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los nmeros regulares

de la misma. 9 Se recomend el uso de las Instrucciones para Autores establecidas por la RLMM para la elaboracin de los

artculos. No obstante, la revisin principal del formato de los artculos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comit Organizador del X IBEROMET.

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 193-203

0255-6952 2009 Universidad Simn Bolvar (Venezuela) 193

CORRELACIN ESFUERZO DE FLUENCIA-MICROESTRUCTURA A TEMPERATURA AMBIENTE DE UN COBRE PURO PROVENIENTE DE LAMINACIN EN CALIENTE

Mary de L. Torres 1*, Sandra B. Cabello 2 1: Dpto. de Mecnica, Universidad Simn Bolvar. Caracas, Venezuela

2: Dpto. de Materiales y Procesos de Fabricacin, Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela

*E-mail: [email protected]

Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008 Seleccin de trabajos a cargo de los organizadores del evento

Publicado On-Line el 20-Jul-2009 Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.htmll

Resumen La recristalizacin durante la deformacin en caliente es un proceso dinmico durante el cual las tasas relativas de

nucleacin y migracin de bordes de grano definirn la respuesta (esfuerzo de fluencia) del metal a las diferentes temperaturas y tasas de deformacin. En particular para el cobre proveniente de un proceso de laminacin en caliente, el comportamiento esfuerzo-deformacin a temperatura ambiente brinda informacin de su formabilidad, haciendo referencia a los procesos de conformado y las condiciones de trabajo que favorecen y facilitan su conformado en fro ulterior para la fabricacin de conductores elctricos. En el presente trabajo se correlacionaron los esfuerzos de fluencia a temperatura ambiente con la microestructura de un cobre ETP que ha sido laminado, en una pasada a partir del material en estado normalizado con un tamao de grano de 18 m, empleando temperaturas entre 500 y 800 C y grados de deformacin de 0,18 y 0,3, para identificar los valores ptimos de conformado a temperatura ambiente. Los valores ptimos referidos se encuentran entre los 600 y 800 C, para una deformacin de 0,18 y una tasa de 0,8 s-1; y entre 700 y 800 C para una deformacin de 0,30 y una tasa de 1 s-1.

Palabras Claves: Deformacin en caliente, recristalizacin dinmica, esfuerzo de fluencia, cobre

Abstract The recrystallization during hot deformation is a dynamic process where relative nucleation rates and grain borders

migration will define the metal answers (flow stress) to the different work temperatures and strain rates. Particularly, for copper which comes from hot working, the flow stress-strain behavior at ambient temperature offers information about their formability, making reference to the forming processes and the work conditions for facilitate their ulterior cold formability to the production of electric conductors. In the present work the yielding stress were correlated with the microstructure at ambient temperature of a laminated copper ETP, in one pass from the material with a grain size of 18 m, with temperatures between 500 and 800 C and a true strain of 0,18 and 0,30, in order to identify the optimums values to conform at ambient temperature. The optimum values referred is between 600 and 800 C, for a true strain of 0,18 and strain rate of 0,8 s-1; and between 700 and 800 C for a true strain of 0,30 and strain rate of 1 s-1.

Keywords: Hot deformation, dynamic recrystallization, flow stress, copper

1. INTRODUCCION El estudio de los mecanismos de evolucin de microestructuras bajo procesamiento termomecnico de metales y aleaciones tiene una considerable importancia prctica y terica, donde el cobre y sus aleaciones destacan por su atractivo comercial en la fabricacin de electroconductores. El cobre se caracteriza por tener una estructura cristalina cbica centrada en las caras FCC, alta densidad de maclas de recocido y un valor medio

de energa de falla de apilamiento (EFA). Tambin se caracteriza por su capacidad de endurecerse durante la deformacin cuando es conformado en fro y, de una manera ms compleja en caliente, a travs de los procesos tradicionales de conformado como laminacin, estampado, trefilado y extrusin, obtenindose fcilmente productos comerciales como componentes electrnicos, terminales, conectores elctricos, partes de intercambiadores de calor, etc.

Torres et al.

194 Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 193-203

El conformado a temperaturas elevadas es el primer mtodo para producir componentes de forma compleja que deben satisfacer requerimientos exigentes en cuanto a sus propiedades fsicas y mecnicas. La evolucin microestructural a estas temperaturas depende de la extensin y proporcin relativa de dos procesos que, a pesar de ser esencialmente antagnicos, son los garantes de las propiedades finales del material. Uno de ellos, el endurecimiento por deformacin, depende de los defectos presentes en la estructura y de su interaccin; los bordes de grano, por ejemplo, restringen el movimiento de las dislocaciones y contribuyen al endurecimiento durante la deformacin inelstica. El otro, los procesos de ablandamiento causados por procedimientos dinmicos de restauracin, recuperacin y/o recristalizacin, representan la contraparte del primero. La recuperacin dinmica es retardada por el incremento en la dificultad para el deslizamiento cruzado en aleaciones con EFA baja, debido a que la activacin trmica es insuficiente para promover el deslizamiento cruzado por si mismo debido al gran espaciamiento entre las dislocaciones parciales. En estos casos, se ve favorecida la recristalizacin, la cual sustituye la estructura granular deformada por una nueva de granos libres de deformacin, suprimiendo la acritud introducida por la deformacin en la bsqueda de un arreglo que minimice la energa interna asociada a ella [1-2]. En ocasiones, la evolucin de la estructura de los materiales mediante el mecanismo de restauracin es interrumpida momentneamente, por otros procesos como los asociados con la presencia de solutos intersticiales (por ejemplo, el carbono en los aceros y el oxgeno en el cobre electroltico), especialmente en materiales con EFA baja. Estos procesos han sido observados en los trabajos de muchos investigadores [3-5], en metales FCC con energas de falla de apilamiento de baja a media como los aceros inoxidables austenticos y las aleaciones de cobre, respectivamente. Con respecto a esto, es conocida la tendencia de las impurezas a segregarse en las dislocaciones. En metales relativamente puros la concentracin de impurezas atmicas segregadas en las dislocaciones puede ser elevada; en particular los tomos de soluto intersticial, como el oxgeno en el cobre, los cuales tienen una gran interaccin elstica con las

dislocaciones de arista y hlice debido a la distorsin asimtrica alrededor de ellas. Alta concentracin de impurezas intersticiales pueden trancar las dislocaciones por las altas energas de enlace asociadas y prevenir la migracin de vacancias a travs de ellas. El oxgeno en exceso no disuelto forma partculas de Cu2O en la matriz de cobre, reduciendo su ductilidad. La solubilidad de oxgeno en cobre por encima de los 700 C parece ser la responsable del cambio de mecanismo controlador a esta temperatura. Este cambio de mecanismo es favorecido en los metales de baja EFA donde la energa de activacin para la difusin a travs de dislocaciones es cercana a aquella para la difusin a travs del cristal (0,8 veces) [6]. Prasad y Rao (2004) [6] estudiaron el comportamiento a compresin del cobre electroltico puro (ETP) deformado en caliente entre los 300 y 950 C, y tasas de deformacin entre los 0,001 y 100 s-1. Las curvas de fluencia para el cobre as deformado mostraron caractersticas tpicas de la ocurrencia de recristalizacin dinmica, exhibiendo picos simples o mltiples en el esfuerzo de fluencia antes de alcanzar el estado estacionario. Ellos estudiaron las tasas que controlan los mecanismos de deformacin en caliente para los intervalos de temperatura entre 300 a 600 C y 700 a 950 C. Para el primer intervalo de temperaturas y tasas menores a los 10 s-1, el cobre muestra un pico durante la deformacin inicial seguido por un estado de fluencia estacionaria. Para tasas menores a 1 s-1, se observan mltiples picos antes que se alcance el estado de fluencia estacionaria; mientras que para tasas superiores a los 30 s-1, la curva presenta caractersticas de endurecimiento por deformacin [6]. Para temperaturas entre los 700 a 950 C, la curva presenta caractersticas de ablandamiento a todas las tasas de deformacin. Para este intervalo de temperaturas, los primeros picos para todas las tasas se alcanzan a menores deformaciones que los correspondientes al intervalo de menores temperaturas. Se estableci que el comportamiento de ablandamiento descrito corresponde a una tpica manifestacin de la ocurrencia de recristalizacin en el cobre. Estos investigadores [6] reportaron que la energa aparente de activacin en el cobre electroltico para todas las temperaturas y tasas de deformacin estudiadas incrementa con el contenido de oxgeno, debido al incremento del

Correlacin esfuerzo de fluencia-microestructura a temperatura ambiente

Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 193-203 195

esfuerzo por la presencia de partculas de xido de cobre en la matriz. De acuerdo a lo mencionado, la evolucin microestructural depende de la extensin y proporcin relativa de los procesos de restauracin durante los tratamientos termomecnicos gobernados por la temperatura de deformacin, el grado de deformacin, la tasa de deformacin y la tasa de enfriamiento despus de la deformacin, as como por las caractersticas del material tales como la energa de falla de apilamiento y el tamao, distribucin y coherencia de segundas fases [3,7]. Procesos tales como los referidos son los que ocurren durante las primeras etapas del conformado de muchos productos, cuando se transforma la materia prima en un producto semiacabado. En estos casos, las curvas de fluencia permiten obtener las condiciones de trabajo (temperatura, deformacin y tasa de deformacin) idneas para obtener productos semiacabados de calidad microestructural ptima, evitando la posible presencia de inestabilidades plsticas que propicien la ruptura anticipada del elemento en cuestin. A nivel industrial, sin embargo, muchos de estos productos intermedios en la cadena de conformado, que han sido trabajados a elevadas temperaturas, continuarn la cadena de conformado en fro o formarn parte de los productos a comercializar. Por tal motivo, en estos casos es importante estudiar su comportamiento esfuerzo-deformacin a temperatura ambiente, considerando su historia termomecnica. En el cobre, por su gran atractivo industrial como conductor elctrico, uno de los aspectos importantes de estudio tiene que ver con la formabilidad en fro del material como producto intermedio, con lo cual se debe hacer referencia a los procesos de conformado y las condiciones de trabajo que le dieron origen, para favorecer y facilitar su deformacin a temperatura ambiente. En este sentido, el presente trabajo considera estos aspectos al caracterizar la microestructura y correlacionarla con el comportamiento del esfuerzo de fluencia a temperatura ambiente de un cobre ETP proveniente de un proceso de laminacin en caliente, para cuatro niveles de temperatura, una velocidad de deformacin y dos grados de deformacin. Esta informacin permitir establecer su formabilidad y predecir los valores ptimos para las variables de trabajo del material.

1. DESARROLLO EXPERIMENTAL El metal empleado en el presente estudio es un cobre ETP, con una pureza de 99,97%, no desoxidado y una cantidad significativa de precipitados que se corresponden con la presencia de oxgeno caracterstica de este tipo de cobres [6], la cual se determin en 607 ppm a 500C y 494 ppm a 700C. El cobre, en forma de pletinas y en estado de entrega, con una seccin transversal de 20x10 mm2 y 125 mm de longitud, fue normalizado a 400C por una hora, empleando un horno Electra sin atmsfera controlada, obtenindose un cobre con tamao de grano igual a 18 m. Posteriormente, fue laminado en caliente, en una pasada, con las condiciones que se especifican en la tabla 1; donde d0, representa el dimetro de grano inicial; V, la velocidad de laminacin; , la deformacin efectiva y

, la tasa de deformacin. Tabla 1. Condiciones de laminacin para el cobre ETP estudiado.

Variable d0

(m) T (C)V

(m/s)

(adimensional)

(s-1)

0,18 0,8

Valor 18

500 600 700 800 0,05 0,30 1

El material fue templado inmediatamente a la salida de la laminadora para retener su microestructura. Adicionalmente se emplearon muestras calentadas a las mismas temperaturas de laminacin, las cuales fueron templadas a la salida del horno, sin llegar a ser laminadas; estas se utilizaron como muestras de control, emplendose como referencia para la mejor comprensin del comportamiento del material despus de la laminacin. Para la determinacin experimental de todas las propiedades mecnicas, se realizaron ensayos de traccin. Las probetas empleadas se disearon tomando en cuenta las dimensiones de las pletinas de cobre, siguiendo las especificaciones descritas en la norma ASTM A 370-91a [8]. Un total de tres (3) probetas fueron ensayadas para obtener los promedios de todas las propiedades. Los ensayos de traccin se realizaron siguiendo los procedimientos de la norma ASTM E 8 M-91[9], en una mquina de traccin MTS 810 con capacidad mxima de 25 toneladas, utilizando mordazas para probetas planas, con una velocidad

Torres et al.


de desplazamiento constante del pistn de 5 mm/min, bajo condiciones normales de presin y temperatura, realizando el ensayo de manera continua hasta fractura. La obtencin de datos se llev a cabo a una razn de 1000 puntos/s, utilizando el programa computacional DASYLAB. Adicionalmente se prepararon metalogrficamente probetas de cobre siguiendo la metodologa especificada en la norma ASTM E 3-80 [10], la cual incluye corte, desbaste grueso, desbaste fino y pulido especular.

2. RESULTADOS Y DISCUSIN Generalmente la temperatura de recristalizacin de un metal se sita en la mitad del punto de fusin del material, considerando la temperatura absoluta, aunque depende de diversas variables como la magnitud de la deformacin y el tiempo de permanencia a la temperatura de tratamiento. Quintero (1994) [11] seala que, en la mayora de los metales, la temperatura de recristalizacin para el caso esttico coincide con el 60% de la temperatura de fusin para las aleaciones y el 40% de la temperatura de fusin para metales puros. En particular para el cobre desoxidado, la temperatura de recristalizacin depende de la cantidad de oxgeno presente en el metal; a menores deformaciones previas y mayor contenido de oxgeno presente, las temperaturas de recristalizacin sern mayores para el cobre ETP [12-14]. La temperatura de fusin para el cobre es aproximadamente 1356 K. De acuerdo a lo sealado y en lo que respecta a este estudio se puede considerar que el cobre fue laminado en caliente al emplear temperaturas superiores a los 500C (valor superior a los 270 C, equivalente a los 543 K sugeridos para la recristalizacin del cobre puro); valor a partir del cual y para los calentamientos superiores empleados se espera que la microestructura del cobre ETP estudiado evolucione siguiendo caractersticas propias de los procesos de restauracin dinmica.

2.1 Condiciones iniciales y de control En la grfica de la figura 1 se muestra el efecto de la temperatura sobre los valores promedios del esfuerzo de fluencia y del dimetro de grano para las diferentes condiciones de control del cobre ETP estudiado y, como referencia, los estados de entrega y normalizado (estados iniciales), identificados con los nmeros 1 y 2 respectivamente. El estado de entrega se grafica a temperatura ambiente y el

normalizado a la temperatura de tratamiento (400 C); los valores restantes se grafican para las diferentes temperaturas de estudio y corresponden a los promedios con sus respectivas barras de error. En esta grfica se observa que el esfuerzo de fluencia para el cobre en estado de entrega registra el mayor valor, en concordancia con un remanente de endurecimiento propio de los procesos de conformado que lo originaron, y un valor intermedio para el tamao de grano, entre el normalizado y los estados de control. Le sigue el normalizado con un menor valor de esfuerzo de fluencia y tamao de grano, como consecuencia de la actuacin de procesos de recristalizacin dinmica como era de esperarse. Finalmente, las condiciones de control para el cobre, obtenidas mediante calentamiento posterior a las diferentes temperaturas de estudio sin llegar a la laminacin, presentan los menores valores para el esfuerzo de fluencia y los valores mayores para los tamaos de grano como se observa en la figura 1.

Temperatura (C)0 200 400 600 800 1000

Esfu

erzo

de

fluen

cia

(Pa

)

020406080

100120140160180200

Di

met

ro d

e gr

ano

(m)

020406080100120140160180200

Esfuerzo de fluencia Dimetro de grano

Figura 1. Grfica del esfuerzo de fluencia y el dimetro de grano en funcin de la temperatura para las condiciones iniciales y de control del cobre ETP. Los puntos 1 y 2 corresponden a los estados de entrega y normalizado a 400C respectivamente; los puntos restantes a las diferentes temperaturas de control.

Los esfuerzos de fluencia para los estados de control del cobre incrementan paulatinamente su valor entre 500 y 800C (en un 37%), con una dispersin significativa a los 800C. El comportamiento del dimetro promedio de grano con las temperaturas de control observado en la grfica de la figura 1, y la dispersin observada a los 500C, sugiere que el tamao promedio de grano del cobre se mantiene aproximadamente constante (diferencia mxima de 3%) y que no

1

1

2

2



existe una influencia significativa de la temperatura de control sobre el tamao de grano. El comportamiento descrito para la fluencia y tamao promedio de grano del cobre ETP estudiado concuerda con las caractersticas microestructurales que se observan en las fotomicrografas de la figura 2. Las mismas corresponden a muestras obtenidas de la seccin transversal de los estados iniciales y de control respectivos. En la figura 2 a) se observa que el estado de entrega se caracteriza por su heterogeneidad microestructural, con granos equiaxiales de diferentes tamaos orientados al azar, de bordes rectos y curvados, con algunas partculas pequeas de segunda fase dispersas dentro de ellos y maclas trmicas. Comparativamente en la secuencia de fotomicrografas presentadas en figura 2 se observa que el menor tamao promedio de grano, en apariencia, corresponde al normalizado seguido en orden creciente de magnitud por el estado de entrega y despus por todas las condiciones de control, entre los 500 y 800 C.

a) Entrega b) Normalizado

c) Control a 500C d) Control a 600C

e) Control a 700C f) Control a 800C

Figura 2. Fotomicrografas del cobre ETP de 18 m de dimetro inicial para los estados iniciales y las diferentes temperaturas de control. Ataque qumico con peroxodisulfato de amonio.

Entre estas ltimas no es posible distinguir alguna tendencia definitiva en el tamao de grano con la temperatura, en correspondencia con lo expresado en prrafos anteriores. El normalizado, mantiene su heterogeneidad microestructural aunque se observa ms refinado, con algunos bordes menos definidos que otros, pero la microestructura sigue conservando en esencia todas las caractersticas mencionadas para el estado de entrega. Con el aumento de la temperatura de control, a partir de esta condicin normalizada, los bordes de grano se definen ms en aspecto y tamao, adquiriendo una forma ms regular y redondeada a los 800C, aunque se mantiene la heterogeneidad microestructural. La presencia de las maclas persiste para todas las temperaturas y disminuye a los 800C. Todo ello aunado al comportamiento del esfuerzo de fluencia descrito anteriormente, concuerda con las caractersticas microestructurales que presentan los materiales en presencia de procesos dinmicos de restauracin [14-18], que habran comenzado con una recristalizacin parcial en el normalizado a 400C por 1 hora a partir del estado de entrega, lo que ocasion la reduccin significativa en el esfuerzo de fluencia ya mencionada. A partir del normalizado y para cada una de las diferentes temperaturas de control, las caractersticas microestructurales, en concordancia con el mantenimiento aproximado en las magnitudes del dimetro de grano y con el aumento discreto del esfuerzo de fluencia, sugieren la posible ocurrencia de fenmenos relacionados con recristalizacin secundaria y crecimiento de grano para las condiciones de control del cobre estudiado. La naturaleza de estos procesos podra ser la responsable de la heterogeneidad microestructural mencionada. En tal sentido, los granos de un metal de grano fino recristalizado empiezan a crecer rpidamente, a expensas de otros granos, cuando se calientan a temperatura superior. Este fenmeno se conoce con el nombre de crecimiento anormal de grano. La fuerza impulsora para el crecimiento anormal de grano es la disminucin de la energa superficial, pero debido a que el fenmeno muestra una cintica similar a la de la recristalizacin se le denomina frecuentemente recristalizacin

Direccin transversal

33 m

33 m

33 m 33 m

33 m

33 m

Torres et al.


secundaria [15].

2.2 Condiciones de estudio El comportamiento del esfuerzo de fluencia y del tamao de grano para las condiciones de laminacin del cobre ETP estudiado, se presenta en la figura 3. Los valores para las diferentes condiciones corresponden a los promedios con sus respectivas barras de error. Las temperaturas de laminacin son las mismas que las temperaturas de control. La denominacin de control se utiliz para enfatizar que las mismas corresponden a condiciones donde no esta involucrado proceso alguno de deformacin plstica. Con respecto a las magnitudes de los esfuerzos, la literatura [19] reporta valores del esfuerzo de

fluencia entre 130 ( = 0,2 y = 1 s-1) y 160 ( = 0,3 y

= 10 s-1) MPa a 500C, y entre 36 ( = 0,2 y

= 1 s-1) y 53 ( = 0,3 y = 10 s-1) MPa a 800C, para un cobre ETP en similares condiciones de deformacin en caliente. En lo que se refiere al presente estudio, los valores del esfuerzo para el cobre ETP estudiado a 500C, se encuentran entre 147 y 161 MPa, siendo el valor para el estado de entrega igual a 164 MPa.

Temperatura (C)450 500 550 600 650 700 750 800 850

Esfu

erzo

de

Flue

ncia

(MPa

)

020406080

100120140160180

Di

met

ro d

e G

rano

( m

)

020406080100120140160180

= 0,18 y = 0,8 s-1

= 0,30 y = 1 s-1

= 0,18 y = 0,8 s-1

= 0,30 y = 1 s-1

Figura 3. Grfica del esfuerzo de fluencia (fluencia) y el tamao de grano () en funcin de la temperatura, para el cobre ETP laminado con deformaciones de 0,18 y 0,30 empleando tasas de deformacin de 0,8 y 1 s-1. En la figura 3 se muestra que a medida que aumenta la temperatura de laminacin, el esfuerzo de fluencia disminuye de manera consistente entre los 500 y 600 C para las condiciones estudiadas, y de manera mas acentuada para el menor grado

deformacin. Para el cobre ms deformado la disminucin presentada entre ambas temperaturas es de 24% en comparacin al 55% que presenta el cobre menos deformado. El comportamiento mencionado entre los 500 y 600 C es consistente con aquellos reportados [19-20] para similares condiciones de deformacin en caliente en cobres ETP, donde se asocia el comportamiento descrito con manifestaciones tpicas de procesos dinmicos de recristalizacin. Entre 600 y 800 C, contina una disminucin menos pronunciada del esfuerzo de fluencia, con un descenso mximo de 38% y 15% para el mayor y menor grado de deformacin respectivamente, entre ambas temperaturas. A los 800C los valores del esfuerzo, para las dos deformaciones tienden aproximadamente a un mismo valor, con una diferencia mxima entre ellos igual a 12%. El valor promedio al cual tiende el esfuerzo de fluencia a 800C es 66 4 MPa, similar al valor del estado de control respectivo (69 MPa) y mayor al valor (53 MPa) que reporta la literatura [19] para condiciones similares. Este comportamiento entre 600 y 800 C es consistente con el de aquellos que reportan [21] la presencia de procesos de recristalizacin dinmica (DRX) en un cobre no desoxidado, como el cobre ETP estudiado. Una variable que se relaciona estrechamente con las propiedades mecnicas de un material y, en particular con el esfuerzo de fluencia, es el tamao de grano, cuyo comportamiento en funcin de la temperatura se presenta tambin en la figura 3. En ella se observa una ligera tendencia ascendente del dimetro de grano con el aumento de la temperatura entre los 500 y 800 C, registrndose incrementos de 15 y 20% para el menor y mayor grado de deformacin respectivamente. Cuando se comparan los dimetros de grano de las condiciones de laminacin con los correspondientes a sus estados de control, se observa que los primeros se encuentran por debajo de los segundos, como era de esperarse, con una diferencia mxima entre 15 y 22% a los 500C, considerando la menor y mayor deformacin respectivamente. Esta diferencia tiende a ser menor con el aumento de la temperatura hasta que los valores se igualan prcticamente a los 800C. El comportamiento del tamao de grano se corresponde con el descrito anteriormente para el esfuerzo de fluencia, con referencia a la misma variable, para las dos deformaciones estudiadas. Es decir, a medida que

33 m

fluencia



aumenta la temperatura de laminacin, se espera la presencia de eventos dinmicos que originen cambios microestructurales en el material tendentes, por lo general, a aumentar su tamao de grano y disminuir su esfuerzo de fluencia. Un aspecto a destacar en la figura 3 para los dimetros de grano del cobre es la tendencia del tamao de grano a estabilizarse, con el aumento de la temperatura, alrededor de un valor promedio de 32 4 m, siendo este valor muy similar al promedio del tamao de grano para los estados de control, el cual es igual a 35 1 m, considerando todas las temperaturas. Este hecho podra estar relacionado con la consecucin de un estado estable. Las fotomicrografas de la figura 4 muestran una secuencia de las microestructuras tpicas para el cobre ETP laminado a las deformaciones y tasas estudiadas, a temperaturas comprendidas entre los 500 y 800 C. Las mismas corresponden a muestras obtenidas de su seccin transversal. En las fotomicrografas correspondientes a la temperatura de 500C, presentadas en la figura 4, se observan granos de diferentes tamaos orientados al azar, de bordes rectos y curvados, algunos no muy bien revelados por el ataque qumico, con partculas pequeas de segunda fase dispersas dentro de ellos, algunas maclas trmicas y escasos granos recristalizados en el cobre ms deformado con una diferencia aparentemente mayor entre el tamao de sus granos. Las caractersticas mencionadas para los 500C, son propias de los materiales cuya estructura evoluciona bsicamente a travs de procesos de recuperacin dinmica con incipiente recristalizacin. Con el aumento de la temperatura, la probabilidad de comienzo para la DRX aumenta. En las fotomicrografas correspondientes a los 600C, se observa la tendencia hacia una mayor equiaxialidad de los granos, con un aspecto y tamao ms regular, y la presencia de pequeos granos recristalizados, todo lo cual sugiere la presencia de procesos de recristalizacin para el cobre laminado a esta temperatura. Esto se confirma por la disminucin significativa del esfuerzo de fluencia con respecto a los valores encontrados a los 500C (ver figura 3), como se haba mencionado. A esta temperatura, se siguen observando partculas de segunda fase dispersas en la matriz, muchas de las cuales podran ser partculas de Cu2O debido a la baja solubilidad del

oxgeno en cobre a ests temperaturas donde el exceso no disuelto forma partculas de xido. Esto concuerda con la mayor presencia de oxgeno presente a los 500C (607 ppm) con respecto a la registrada a los 700C (494 ppm).

= 0,18 y = 0,8 s-1 = 0,30 y = 1 s-1

500C

600C

700C

800C Figura 4. Fotomicrografas correspondientes al cobre ETP, laminado con temperaturas entre los 500 y 800 C y deformaciones efectivas de 0,18 y 0,30. Ataque qumico con peroxodisulfato de amonio.

33 m

33 m

33 m 33 m

33 m

33 m

33 m 33 m

Torres et al.


Al respecto, Prasad y Rao (2004) [19] estudian el comportamiento de un cobre ETP con un contenido de oxgeno de 100 ppm, deformado a diferentes temperaturas y tasas, a travs de sus curvas de fluencia en las cuales el material presenta manifestaciones de ablandamiento tpicas de un proceso de recristalizacin dinmica entre 400 y 600 C, por debajo de los 10 s-1. En su trabajo se reporta que para el intervalo de tasas de deformacin comprendido entre 1 y 10 s-1, la DRX presenta caractersticas de pico simple para las deformaciones iniciales, alcanzando posteriormente el estado estable a mayores deformaciones. Las curvas presentadas por ellos muestran que el material alcanza el pico para el inicio de la DRX a 178 MPa y una deformacin aproximada de 0,5 para 10 s-1, y a 140 MPa y 0,3 de deformacin para 1 s-1, ambas a 500C. A esta misma temperatura, para el cobre ETP estudiado, los esfuerzos de fluencia son iguales a 140 y 160 MPa para la mayor y menor deformacin, respectivamente. Comparando estos valores con los reportados por estos autores [19], a los 500C solamente el cobre ms deformado, debera haber alcanzado la deformacin crtica (la cual es reconocida por tener un menor valor que la deformacin correspondiente al pico de esfuerzo) para el comienzo de la DRX. Sin embargo hay que considerar que la ubicacin de los picos de esfuerzo y su respectiva deformacin, para el inicio de la DRX depender de la cantidad de oxgeno y de la forma en la cual est presente en el cobre. Con respecto al proceso de DRX, la literatura [22-24] seala que en los materiales en los cuales los procesos de recuperacin son lentos, tales como los metales de baja y moderada energa de falla de apilamiento (aceros inoxidables austenticos, nquel, cobre y sus aleaciones, etc.), podran acumularse suficiente densidad de dislocaciones durante la deformacin en caliente permitiendo que la recristalizacin dinmica ocurra durante la deformacin, con un fuerte ablandamiento microestructural que se traduce en una reduccin de la resistencia del material de modo que la curva de fluencia presenta incluso unos valores mximos de tensin. Estos mximos caracterizan el conformado en caliente de estos materiales en los conocidos procesos de recristalizacin dinmica discontinua de pico simple (bajas temperaturas y/o altas velocidades de deformacin) o cclica de picos mltiples (altas temperaturas y/o bajas velocidades de deformacin). A nivel microestructural esto

conduce a un afinamiento de grano en el primer caso y a un crecimiento en el segundo. El trmino discontinuo hace referencia al proceso de nucleacin y crecimiento de nuevos granos libres de dislocaciones. La nucleacin y crecimiento en los procesos de recristalizacin dinmica se consideran similares a aquellos que ocurren en la recristalizacin esttica; la diferencia radica en el desarrollo de una subestructura en los nuevos granos recristalizados como resultado de la deformacin concurrente [20]. El mecanismo de migracin del lmite de grano inducido por deformacin es uno de los mecanismos reconocidos para la explicacin del proceso de nucleacin y consiste en la migracin de un lmite de grano preexistente hacia el interior de otro grano ms deformado, generando detrs de l un rea libre de dislocaciones [25]. Despus ocurre la coalescencia de subgranos que es un mecanismo basado en la fusin de dos subgranos adyacentes. Al mecanismo de nucleacin le sigue el de crecimiento. Con independencia del sitio y los mecanismos de nucleacin, una vez que el ncleo est formado, sus bordes empiezan a migrar bajo la fuerza motriz como consecuencia de la diferencia del grado de endurecimiento en ambos lados. El borde de grano migra hacia la zona de alta densidad de dislocaciones barriendo en su paso la distorsin producida en la etapa de endurecimiento y restauracin dinmica [22]. La deformacin crtica es aquella a la cual se produce la nucleacin en la DRX (inicio de la DRX) por la formacin de bordes mviles de grano de alto ngulo, bajo condiciones de deformacin favorecidas por una distribucin heterognea de dislocaciones. La presencia de picos simples en la curva de fluencia depender del incremento de la deformacin crtica para permitir varias ocurrencias de DRX, mientras las oscilaciones ocurrirn cuando las migraciones de los bordes se detengan y se formen nuevos ncleos en las regiones no recristalizadas [20]. La literatura [20] tambin seala que la tasa para la formacin de interfases est relacionada con el efecto del oxgeno en la tasa de generacin de dislocaciones. Cuando el oxgeno est presente en la forma de partculas de xido, Cu2O, la tasa de generacin de dislocaciones aumentar de manera mucho ms significativa, aumentando la tasa de nucleacin para la DRX y disminuyendo la tasa de deformacin necesaria para su comienzo.



Ravichandran y Prasad (1992) [20] estudian la influencia del oxgeno en la DRX durante el trabajo en caliente en cobres policristalinos. Ellos reportan que la tasa de deformacin para el pico en el dominio de la DRX disminuye con el incremento en el contenido de oxgeno, siendo mayor a 100 s-1 para contenidos menores a 11 ppm de oxgeno y alrededor de 0,001 s-1 para 260 ppm. Sin embargo tambin indican que la temperatura para el inicio de la DRX disminuye con el contenido de oxgeno alrededor de los 50 ppm (presencia de oxgeno en forma intersticial), y que aumenta abruptamente cuando el contenido de oxgeno es superior a los 150 ppm (presencia de oxgeno en forma de partculas de xido) que es una de las caractersticas del cobre ETP del presente trabajo. En base a lo reportado en la literatura, a las caractersticas microestructurales del cobre ETP estudiado y al comportamiento para los valores del esfuerzo de fluencia entre los 500 y 800 C, se confirma la probabilidad para el inicio de la DRX solo a la mayor deformacin para los 500C, as como su inicio cierto para todas las condiciones de estudio a los 600C. En tal sentido, el cobre ETP estudiado presenta una mayor cantidad de oxgeno (607 ppm) que el referido (100 ppm) por Prasad y Rao (2004) [19]; lo cual sugerira, por un lado, un retrazo para el comienzo de la DRX al aumentar la temperatura de recristalizacin como se haba mencionado [12-14], pero por el otro, disminuira la tasa de deformacin necesaria para su inicio y propiciara el aumento de la tasa de nucleacin. En base a lo referido y al comportamiento del esfuerzo de fluencia se confirma la probabilidad para el inicio de la DRX solo a la mayor deformacin para los 500C as como su ocurrencia cierta a los 600C, concordando con las microestructuras encontradas a estas temperaturas. Otra caracterstica de las microestructuras mostradas en las fotomicrografas de la figura 4, es la presencia de partculas de segunda fase dispersas en la matriz, las cuales se encuentran aparentemente en mayor proporcin por debajo de los 700C, algunas de las cuales podran ser de xido de cobre, de acuerdo a la composicin qumica realizada a algunas de ellas mediante un anlisis semicuantitativo por fluorescencia de rayos X. A temperatura ambiente, el oxgeno tiene una limitada solubilidad en cobre (< 40 ppm), favoreciendo que el exceso de oxgeno no disuelto precipite formando partculas de xido de cobre,

Cu2O, en concordancia con lo mencionado. Siguiendo con el anlisis de las fotomicrografas de la figura 4, para las dos deformaciones estudiadas, por encima de los 600 C se observa la tendencia hacia una mayor equiaxialidad de los granos que adquieren un aspecto y tamao cada vez ms regular, sobre todo a la menor deformacin, as como una disminucin paulatina de las maclas trmicas, hasta llegar a una estructura ms homognea a los 800C, temperatura a la cual se pueden observar todava pequeas cantidades de granos pequeos. Se sigue observando la presencia de partculas de segunda fase dispersas en la matriz del cobre, pero en menor cantidad. Prasad y Rao (2004) [12] reportan en sus investigaciones un ablandamiento para todas las tasas de deformacin entre 700 y 950 C para un cobre ETP donde el primer pico de esfuerzo se alcanza a una deformacin menor con respecto a la deformacin a la cual se alcanzaba a bajas temperaturas. Reportan tambin que por encima de los 3 s-1, las curvas de fluencia presentan manifestaciones tpicas de materiales donde han ocurrido procesos de recristalizacin de pico simple; mientras que por debajo de los 3 s-1, las manifestaciones son propias de procesos de recristalizacin cclica o de picos mltiples. En relacin a lo indicado por estos investigadores [12], al pequeo incremento del tamao de grano que se observa en la figura 3 con el aumento de la temperatura y a las caractersticas microestructurales sealadas para el cobre ETP estudiado, se podra sugerir la presencia de procesos de recristalizacin del tipo cclico o de picos mltiples, por encima de los 600 C. A partir de esta temperatura, la menor homogeneidad microestructural que se observa a la mayor deformacin sugiere la ocurrencia de una mayor tasa de nucleacin, en contraposicin a la ocurrencia de un mayor crecimiento de grano a la menor deformacin. Esto se corresponde en el presente trabajo con el comportamiento referido para el esfuerzo de fluencia a partir de la temperatura sealada. La correlacin realizada entre el esfuerzo de fluencia y la microestructura a temperatura ambiente permiti identificar los valores ptimos del proceso de laminacin en caliente del cual proviene el cobre ETP estudiado; aquellos a los cuales el esfuerzo de fluencia y las microestructuras sean ms homogneas y su manufactura resulte idnea. Estos se encuentran entre los 600 y 800C,

Torres et al.


para una deformacin igual a 0,18 y una tasa de 0,8 s-1; y entre 700 y 800C para una deformacin igual a 0,30 y una tasa de 1 s-1.

3. CONCLUSIONES La microestructura del cobre ETP normalizado

presenta manifestaciones tpicas correspondientes a aquellas que evolucionan con procesos dinmicos de recristalizacin.

El valor del esfuerzo de fluencia para los estados de control del cobre ETP aumenta un 37% con el aumento de la temperatura entre los 500 y 800 C.

No se estableci una influencia significativa de la temperatura de control sobre el tamao promedio de grano del cobre ETP.

La microestructura del cobre para los estados de control, presenta manifestaciones tpicas correspondientes a los procesos de recristalizacin dinmica secundaria y crecimiento de grano.

El esfuerzo de fluencia del cobre proveniente de un laminado en caliente disminuye con el aumento de la temperatura entre los 500 y 600 C, para valores iguales a 0,18 y 0,30 de deformacin efectiva, con una disminucin mas significativa (mximo de 55%) a la menor deformacin.

Entre los 600 y 800 C, el esfuerzo de fluencia del cobre proveniente de un laminado en caliente disminuye con el aumento de la temperatura, un 38% para la deformacin de 0,30 y un 15% para la de 0,18.

El tamao de grano del cobre ETP estudiado aumenta un 15% para la deformacin de 0,18 y un 20% para la de 0,30, con el aumento de la temperatura entre los 500 y 800 C.

Las caractersticas microestructurales que presenta el cobre ETP a los 500C, son propias de los materiales cuya estructura evoluciona bsicamente a travs de procesos de recuperacin dinmica, con incipiente recristalizacin a la mayor deformacin estudiada.

A partir de los 600 C, el cobre ETP estudiado presenta manifestaciones propias de los procesos de recristalizacin dinmica y crecimiento de grano.

Los valores ptimos de conformado a temperatura ambiente corresponden al cobre

ETP proveniente del laminado en caliente entre los 600 y 800 C, para una deformacin de 0,18 y una tasa de 0,8 s-1; y entre 700 y 800 C para una deformacin de 0,30 y una tasa de 1 s-1.

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