Tema 11. Endurecimiento por deformación plástica en frío

Tema 11
Endurecimiento por deformación plástica en frío.
Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano.
El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del
cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado
plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en
frío, debido a que la deformación se da a una temperatura “fría” relativa a la
temperatura de fusión absoluta del metal.
En los diagramas se muestra la variación de la resistencia a la fluencia y la
resistencia a la tensión para el acero 1040, el bronce y el cobre. Esta variación
se ha medido en función del porcentaje de trabajo en frío, el cual se define de la
siguiente manera:
Porcentaje de trabajo en frío =
A0 − Ad
x100
A0
donde:
A0 es el área transversal del material antes de la deformación
Ad es el área transversal del material después de ser deformado
Note que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de
trabajo en frío, sin embargo la ductilidad del material disminuye tal como se
muestra en el siguiente gráfico.
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El fenómeno de endurecimiento por deformación se explica así:
1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina.
2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se
desplazan causando la deformación plástica.
3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en número.
4. Al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí,
volviendo más difícil su movimiento.
5. Al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza
mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se
ha endurecido.
Este fenómeno se refleja en la curva esfuerzo – deformación unitaria del
material. Un material perfectamente plástico tiene una zona plástica horizontal,
tal como se ilustra a continuación:
σ
σy
ε
En este material teórico, la deformación plástica se da a esfuerzo constante, tal
como se ilustra.
100
σ
ε
En los metales reales, la curva esfuerzo deformación tiene la siguiente
tendencia:
El endurecimiento por deformación se refleja en la curva del metal de la
siguiente forma:
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Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se
deforman plásticamente. Esa habilidad de endurecerse se mide con el
coeficiente de endurecimiento por deformanción (n). Entre mayor es n para un
metal, más se endurece al ser deformado plásticamente.
Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las
dislocaciones que fueron creadas durante la deformación se mantengan en la
estructura del metal. La estructura cristalina del metal tiene un número “normal”
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de dislocaciones. La deformación plástica ha causado que hayan más
dislocaciones que ese número “normal”, por lo que la estructura cristalina
tenderá a hacer desaparecer a las dislocaciones “extra”.
Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la
difusión atómica, las dislocaciones “extra” desaparecerán del material, haciendo
que éste recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser
deformado. Sabemos que la difusión se activa a una temperatura mayor que 0.4
veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos, por lo tanto se
tendrá lo siguiente:
0.4 Tm
Trabajo en caliente
Trabajo en frío
•
Existe endurecimiento
deformación.
por
•
No existe endurecimiento por
deformación.
•
Se crean dislocaciones y
éstas quedan en el material.
•
Se crean dislocaciones pero
éstas desaparecen por difusión.
•
El material endurece
•
El material no endurece.
El trabajo en frío no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura
del metal, sino que también causa la deformación de sus granos. La
combinación de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa
esfuerzos residuales dentro del material. Los esfuerzos residuales no son más
que zonas de tensión o compresión que existen dentro del material sin que sean
generadas por fuerzas externas. Los esfuerzos residuales pueden causar el
debilitamiento del material, haciendo que falle a esfuerzos aplicados menores a
su resistencia nominal.
El aumento de las dislocaciones y la deformación de los granos de la estructura
cristalina puede causar cambios en las propiedades eléctricas y la resistencia a
la corrosión del metal. Todos los cambios asociados a la deformación plástica
en frío pueden ser revertidos utilizando el tratamiento térmico apropiado. La
restauración de las propiedades a los valores previos a la deformación se logra a
partir de dos procesos diferentes que ocurren a temperatura elevada:
• La recuperación y recristalización.
• El crecimiento del grano.
Recuperación.
Durante la recuperación, alguna de la energía interna guardada en la
deformación de la estructura cristalina es liberada a causa del movimiento de las
dislocaciones (las cuales se mueven sin esfuerzos externos aplicados) como
resultado de la difusión atómica. Existe alguna reducción en el número de
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dislocaciones y la configuración de éstas cambian de modo que poseen bajas
energías de deformación. Además, algunas propiedades físicas como la
conductividad eléctrica y térmica se recuperan a los valores previos a la
deformación.
Recristalización.
Aún cuando la recuperación ha sido completada, los granos de la estructura
cristalina todavía se encuentran en un estado de elevada energía de
deformación. La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos
libres de deformación con baja densidad de dislocaciones y característicos de la
condición previa al trabajo en frío. La fuerza que produce esta nueva estructura
de granos es la diferencia en la energía interna entre el material deformado y no
deformado. Los granos nuevos se forman de un núcleo pequeño y crecen hasta
que reemplazan completamente a los granos deformados originales, proceso
que requiere difusión de corto alcance.
Durante la recristalización, las propiedades mecánicas que fueron cambiadas
como resultado del trabajo en frío son restauradas a sus valores previos a la
deformación plástica, es decir, el metal se vuelve más suave, más débil y más
dúctil.
La recristalización es un proceso cuya extensión depende tanto del tiempo como
de la temperatura a la que son expuestos el material. El grado o fracción de
recristalización aumenta con el tiempo al que el material está expuesto a la
temperatura elevada.
La recristalización de una aleación metálica en particular algunas veces se
especifica en términos de la temperatura de recristalización, la cual se define
como la temperatura a la cual el proceso de recristalización finaliza en 1 hora.
Generalmente la temperatura de recristalización se encuentra entre un tercio y la
mitad de la temperatura de fusión absoluta del metal o aleación, y depende de
varios factores incluidos la cantidad de trabajo en frío y la pureza de la aleación.
La recristalización ocurre más rápido en los metales puros que en las
aleaciones, por lo tanto, al alear un metal se incrementa su temperatura de
recristalización.
Las operaciones de deformación plástica pueden realizarse a temperaturas por
encima de la temperatura de recristalización en un proceso llamado trabajo en
caliente. El material permanece relativamente suave y dúctil durante la
deformación y por lo tanto pueden lograrse deformaciones plásticas grandes.
Crecimiento del grano.
Después que la recristalización se ha completado, los granos libres de
deformación continuarán creciendo si el metal se mantiene a la temperatura
elevada. Este fenómeno es llamado crecimiento del grano. El fenómeno del
crecimiento del grano ocurre debido a que a medida el grano crece, disminuye el
área total de las fronteras de los granos, disminuyendo por tanto la energía total
almacenada en el material.
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PROBLEMAS
(1)
Una barra de metal de 0.505 pulgadas de diámetro con una longitud calibrada de
2 pulgadas se sujeta a un ensayo en tensión. Se efectúan las siguientes
mediciones:
Fuerza (lb)
25,700
27,000
27,500
Longitud calibrada (pulg)
2.2103
2.4428
2.6997
Diámetro (pulg)
0.4800
0.4566
0.4343
Determine el coeficiente de endurecimiento por deformación del metal.
(2)
Una placa de cobre de 0.25 pulgadas de espesor debe trabajarse en frío un
63%. Determine el espesor final de la placa.
(3)
Una barra de cobre de 0.25 pulgadas de diámetro debe ser trabajada en frío un
63%. Determine su diámetro final.
(4)
Una varilla de cobre de 2 pulgadas de diámetro se reduce a un diámetro de 1.5
pulgadas, y posteriormente se reduce de nuevo a un diámetro final de 1 pulgada.
En un segundo caso, la varilla de 2 pulgadas de diámetro se reduce en un solo
paso a 1 pulgada de diámetro. Calcule en ambos casos el porcentaje de trabajo
en frío.
(5)
Una placa de aluminio previamente trabajada en frío 20% tiene 2 pulgadas de
espesor. Entonces, se trabaja la placa adicionalmente en frío hasta llegar a 1.3
pulgadas. Calcule el porcentaje total de trabajo en frío.
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(6)
Se obtuvieron los siguientes datos al recocer un metal trabajado en frío.
Temperatura de
recocido (ºC)
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Conductividad
eléctrica
(ohms-1·cm-1)
3.04x105
3.05x105
3.36x105
3.45x105
3.46x105
3.46x105
3.47x105
3.47x105
Límite elástico
(MPa)
Tamaño de grano
(mm)
86
85
84
83
52
47
44
42
0.100
0.100
0.100
0.098
0.030
0.031
0.070
0.120
a) Estime las temperaturas de recuperación, recristalización y de crecimiento
del grano.
b) Recomiende una temperatura adecuada para un tratamiento térmico de
relevado de esfuerzos.
c) Recomiende una temperatura adecuada para un proceso de trabajo en
caliente.
d) Estime la temperatura de fusión de la aleación.
(7)
Se requiere seleccionar un metal que haya sido trabajada en frío, y que tenga al
menos 300 MPa de resistencia a la fluencia y al mismo tiempo un mínimo de 30
%EL. Utilizando los gráficos que se muestran a continuación, seleccione entre
acero 1040, brass (latón), y cobre. Justifique su selección así como también
justifique por qué rechaza al resto de metales.
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(8)
Se desea que una placa de latón Cu-30% Zn, originalmente de un espesor de
1.20 pulgadas, tenga un límite elástico superior a 50,000 psi y un porcentaje de
elongación de por lo menos 15%. La geometría final de la placa será obtenida
por medio de trabajo en frío. ¿Qué rango de espesores finales es posible
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obtener bajo las condiciones dadas? El efecto del porcentaje de trabajo en frío
sobre las propiedades del latón Cu-30% Zn se muestran a continuación.
(9)
Para el problema anterior, encuentre la resistencia a la tensión, el límite elástico,
y el porcentaje de elongación si el espesor de la barra se reduce desde 1.20
pulgadas hasta 0.85 pulgadas por medio de trabajo en caliente? Justifique su
respuesta.
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