Recristalización dinámica

La recristalización dinámica (DRX) es un tipo de proceso de recristalización que se encuentra en los campos de la metalurgia y la geología. En la recristalización dinámica, a diferencia de la recristalización estática, la nucleación y el crecimiento de nuevos granos ocurren durante la deformación, en lugar de posteriormente como parte de un tratamiento térmico independiente. La reducción del tamaño de grano aumenta el riesgo de deslizamiento de los límites de grano a temperaturas elevadas, a la vez que disminuye la movilidad de las dislocaciones dentro del material. Los nuevos granos están menos deformados, lo que provoca una disminución del endurecimiento del material. La recristalización dinámica permite nuevos tamaños y orientaciones de grano, lo que puede prevenir la propagación de grietas. En lugar de que la deformación provoque la fractura del material, puede iniciar el crecimiento de un nuevo grano, consumiendo átomos de los granos preexistentes vecinos. Después de la recristalización dinámica, la ductilidad del material aumenta. ^{[ 1 ]}

En una curva tensión-deformación , el inicio de la recristalización dinámica se puede identificar mediante un pico distintivo en la tensión de fluencia en los datos de trabajo en caliente , debido al efecto de ablandamiento de la recristalización. Sin embargo, no todos los materiales presentan picos bien definidos al ser ensayados en condiciones de trabajo en caliente. El inicio de la DRX también se puede detectar a partir del punto de inflexión en las gráficas de la tasa de endurecimiento por deformación en función de la tensión. Se ha demostrado que esta técnica permite determinar la aparición de la DRX cuando no es posible establecerla de forma inequívoca a partir de la forma de la curva de fluencia.

Si se producen oscilaciones de tensión antes de alcanzar el estado estacionario, entonces ocurren varios ciclos de recristalización y crecimiento de grano , y se dice que el comportamiento de la tensión es de tipo cíclico o de picos múltiples. El comportamiento particular de la tensión antes de alcanzar el estado estacionario depende del tamaño inicial del grano , la temperatura y la velocidad de deformación .

La DRX puede presentarse de diversas formas, entre ellas:

• recristalización dinámica geométrica
• Recristalización dinámica discontinua
• Recristalización dinámica continua

La recristalización dinámica depende de la velocidad de creación y movimiento de dislocaciones. También depende de la velocidad de recuperación (la velocidad a la que se aniquilan las dislocaciones). La interacción entre el endurecimiento por deformación y la recuperación dinámica determina la estructura del grano. También determina la susceptibilidad de los granos a diversos tipos de recristalización dinámica. ^{[ 1 ]} Independientemente del mecanismo, para que se produzca la cristalización dinámica, el material debe haber experimentado una deformación crítica. El tamaño final del grano aumenta con el aumento de la tensión. Para lograr estructuras de grano muy fino, las tensiones deben ser elevadas. ^{[ 2 ]}

Algunos autores han utilizado el término «postdinámico» o «metadinámico» para describir la recristalización que se produce durante la fase de enfriamiento de un proceso de conformado en caliente o entre pasadas sucesivas. Esto subraya que la recristalización está directamente vinculada al proceso en cuestión, si bien reconoce que no existe una deformación simultánea.

La recristalización dinámica geométrica se produce en granos con dentado local. Al deformarse, los granos que experimentan GDRX se alargan hasta que su espesor cae por debajo de un umbral (por debajo del cual los límites del dentado se cruzan y los granos pequeños se dividen en granos equiaxiales). ^{[ 1 ]} El dentado puede ser anterior a las tensiones ejercidas sobre el material o puede ser consecuencia de su deformación. ^{[ 3 ]}

La recristalización dinámica geométrica tiene 6 características principales: ^{[ 3 ]}

• Generalmente ocurre con la deformación a temperaturas elevadas, en materiales con alta energía de falla de apilamiento.
• El estrés aumenta y luego disminuye hasta alcanzar un estado estable.
• La formación de subgranos requiere una deformación crítica.
• La desorientación de los subgranos alcanza su máximo en 2˚
• Hay pocos cambios de textura
• El anclaje de los límites de grano provoca un aumento en la deformación requerida.

Si bien la GDRX se ve afectada principalmente por el tamaño de grano inicial y la deformación (que depende de la geometría), otros factores que ocurren durante el proceso de trabajo en caliente complican el desarrollo de modelos predictivos (que tienden a simplificar demasiado el proceso) y pueden conducir a una recristalización incompleta. ^{[ 3 ]}  La formación de grano equiaxial no ocurre de forma inmediata y uniforme a lo largo de todo el grano una vez que se alcanza la tensión umbral, ya que las regiones individuales están sujetas a diferentes deformaciones/tensiones. En la práctica, se forma gradualmente un borde generalmente sinusoidal (como predijeron Martorano et al.) a medida que los granos comienzan a estrangularse al alcanzar cada uno el umbral. ^{[ 4 ]}   Los modelos más sofisticados consideran geometrías de grano iniciales complejas, ^{[ 5 ]} presiones locales a lo largo de los límites de grano y temperatura de trabajo en caliente, ^{[ 4 ]} pero los modelos no pueden hacer predicciones precisas en todo el régimen de tensión y la evolución de la microestructura general. Además, los límites de grano pueden migrar durante la GDRX a altas temperaturas y curvaturas de GB, arrastrándose a lo largo de los límites de subgrano y dando como resultado un crecimiento no deseado del grano original. Este nuevo grano, de mayor tamaño, requerirá mucha más deformación para que se produzca la GDRX, y la zona local se debilitará en lugar de fortalecerse. ^{[ 6 ]}   Por último, la recristalización puede acelerarse a medida que los granos se desplazan y se estiran, lo que provoca que los límites de subgrano se conviertan en límites de grano (el ángulo aumenta). Los granos afectados son más delgados y largos, y por lo tanto se deforman con mayor facilidad. ^{[ 7 ]}

La recristalización discontinua es heterogénea; presenta distintas etapas de nucleación y crecimiento. Es común en materiales con baja energía de falla de apilamiento . Posteriormente, se produce la nucleación, generando nuevos granos libres de tensión que absorben los granos preexistentes con tensión. Ocurre con mayor facilidad en los límites de grano, disminuyendo el tamaño de grano y, por lo tanto, aumentando la cantidad de sitios de nucleación. Esto incrementa aún más la velocidad de la recristalización dinámica discontinua. ^{[ 3 ]}

La recristalización dinámica discontinua tiene 5 características principales: ^{[ 3 ]}

• La recristalización no se produce hasta que se alcanza la deformación umbral.
• La curva tensión-deformación puede tener varios picos; no existe una ecuación universal.
• La nucleación generalmente ocurre a lo largo de los límites de grano preexistentes.
• Las tasas de recristalización aumentan a medida que disminuye el tamaño inicial del grano.
• Existe un tamaño de grano constante al que se aproxima a medida que avanza la recristalización.

La recristalización dinámica discontinua se produce por la interacción entre el endurecimiento por deformación y la recuperación. Si la aniquilación de dislocaciones es lenta en relación con la velocidad a la que se generan, las dislocaciones se acumulan. Una vez alcanzada la densidad crítica de dislocaciones, se produce la nucleación en los límites de grano. La migración de los límites de grano, o la transferencia de átomos de un grano preexistente grande a un núcleo más pequeño, permite el crecimiento de los nuevos núcleos a expensas de los granos preexistentes. ^{[ 3 ]} La nucleación puede producirse mediante el abultamiento de los límites de grano existentes. Se forma un abultamiento si los subgranos adyacentes a un límite de grano son de diferentes tamaños, lo que provoca una disparidad de energía entre los dos subgranos. Si el abultamiento alcanza un radio crítico, se convertirá con éxito en un núcleo estable y continuará su crecimiento. Esto puede modelarse utilizando las teorías de Cahn relativas a la nucleación y el crecimiento. ^{[ 2 ]}

La recristalización dinámica discontinua suele producir una microestructura en forma de "collar". Dado que el crecimiento de nuevos granos es energéticamente favorable a lo largo de los límites de grano, la formación y el abultamiento de nuevos granos se producen preferentemente a lo largo de los límites de grano preexistentes. Esto genera capas de granos nuevos y muy finos a lo largo del límite de grano, dejando inicialmente inalterado el interior del grano preexistente. A medida que continúa la recristalización dinámica, consume la región no recristalizada. Conforme continúa la deformación, la recristalización no mantiene la coherencia entre las capas de nuevos núcleos, produciendo una textura aleatoria. ^{[ 8 ]}

La recristalización dinámica continua es común en materiales con altas energías de falla de apilamiento. Ocurre cuando se forman límites de grano de bajo ángulo que evolucionan hacia límites de alto ángulo, formando nuevos granos en el proceso. En la recristalización dinámica continua no existe una distinción clara entre las fases de nucleación y crecimiento de los nuevos granos. ^{[ 3 ]}

La recristalización dinámica continua tiene 4 características principales: ^{[ 3 ]}

• A medida que aumenta la tensión, aumenta el estrés.
• A medida que aumenta la deformación, aumenta la desorientación del límite de subgrano.
• A medida que los límites de grano de bajo ángulo evolucionan hacia límites de grano de alto ángulo, la desorientación aumenta de forma homogénea.
• A medida que aumenta la deformación, disminuye el tamaño de los cristalitos.

Existen tres mecanismos principales de recristalización dinámica continua:

En primer lugar, puede producirse una recristalización dinámica continua cuando los límites de grano de bajo ángulo se forman a partir de dislocaciones dentro del grano. Cuando el material se somete a una tensión continua, el ángulo de desorientación aumenta hasta alcanzar el ángulo crítico, creando un límite de grano de alto ángulo. Esta evolución puede verse favorecida por el anclaje de los límites de subgrano. ^{[ 3 ]}

En segundo lugar, la recristalización dinámica continua puede ocurrir a través de la recristalización por rotación de subgranos ; los subgranos rotan aumentando el ángulo de desorientación. Una vez que el ángulo de desorientación supera el ángulo crítico, los antiguos subgranos se consideran granos independientes. ^{[ 3 ]}

En tercer lugar, puede producirse una recristalización dinámica continua debido a la deformación causada por bandas de microcizallamiento . Los subgranos se forman mediante dislocaciones dentro del grano durante el endurecimiento por deformación. Si se forman bandas de microcizallamiento dentro del grano, la tensión que introducen aumenta rápidamente la desorientación de los límites de grano de bajo ángulo, transformándolos en límites de grano de alto ángulo. Sin embargo, el impacto de las bandas de microcizallamiento es localizado, por lo que este mecanismo afecta preferentemente a regiones que se deforman heterogéneamente, como las propias bandas de microcizallamiento o las áreas cercanas a límites de grano preexistentes. A medida que avanza la recristalización, se extiende desde estas zonas, generando una microestructura homogénea y equiaxial. ^{[ 3 ]}

Basándose en el método desarrollado por Poliak y Jonas, se elaboran varios modelos para describir la deformación crítica para el inicio de la recristalización dinámica (DRX) en función de la deformación máxima de la curva tensión-deformación. Los modelos se derivan para sistemas con un solo pico, es decir, para materiales con valores de energía de falla de apilamiento medios a bajos. Los modelos se pueden consultar en los siguientes artículos:

• Determinación de la tensión de fluencia y la deformación crítica para el inicio de la recristalización dinámica mediante una función sinusoidal.
• Determinación de la tensión de fluencia y la deformación crítica para el inicio de la recristalización dinámica mediante una función tangente hiperbólica.
• Determinación de la deformación crítica para el inicio de la recristalización dinámica
• Puntos característicos de la curva tensión-deformación a alta temperatura

El comportamiento de la recristalización dinámica (DRX) en sistemas con múltiples picos (y también con un solo pico) puede modelarse considerando la interacción de múltiples granos durante la deformación. Es decir, el modelo de conjunto describe la transición entre el comportamiento de un solo pico y el de múltiples picos en función del tamaño inicial del grano. También puede describir el efecto de los cambios transitorios de la velocidad de deformación en la forma de la curva de flujo. El modelo se puede encontrar en el siguiente artículo:

• Un nuevo enfoque unificado para modelar la recristalización durante el laminado en caliente del acero.

• Un enfoque de un solo componente para determinar las condiciones críticas para el inicio de la recristalización dinámica , inicio de DRX.
• Análisis de la curva de flujo del acero inoxidable 17-4 PH bajo prueba de compresión en caliente , estudio exhaustivo de DRX
• Relaciones constitutivas para modelar el flujo en caliente de cobre de pureza comercial, capítulo 6 , tesis doctoral de VG García, UPC (2004)
• Una revisión de los fenómenos de recristalización dinámica en materiales metálicos , último artículo de revisión sobre DRX
• Modelo de autómata celular de recristalización dinámica: Introducción y código fuente , Software que simula DRX mediante CA: Introducción, Vídeo de la ejecución del software