Introducción de Deformación Plástica (Aporszegi)

TECNOLOGÍA MECÁNICA II 67.27
Digitalizado y Actualizado por Ing. Alejandro Aporszegi
FUNDAMENTOS DE LA CONFORMACIÓN PLÁSTICA DE LOS METALES
67.27.07
INTRODUCCIÓN
La metalurgia mecánica es la rama de la metalurgia que se ocupa principalmente
de la respuesta de los metales frente a las fuerzas o cargas.
Las fuerzas pueden resultar del empleo del material como miembro o pieza de
una estructura o maquina, en cuyo caso es necesario saber algo respecto a los
valores limites que aquel puede resistir sin fallar.
Por otro lado, es necesario a veces transformar un lingote colado en una forma
más útil, tal como una plancha plana, y entonces es preciso conocer las
condiciones de temperatura y velocidad de carga para las que son mínimas las
fuerzas que se necesitan para realizar tal trabajo de transformación.
HIPÓTESIS DE LA RESISTENCIA DE MATERIALES
En el método general de análisis empleado en la resistencia de materiales, se
parte de la suposición de que el miembro esta en equilibrio.
Se aplican las condiciones de equilibrio estático a las fuerzas que actúan en
algunas partes del cuerpo para encontrar relaciones entre las fuerzas externas e
internas. Como las ecuaciones de equilibrio deben expresarse en términos de
fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo, es necesario transformar las fuerzas
resistentes internas en fuerzas externas.
Otras hipótesis con: el cuerpo que se estudia es continuo, homogéneo e isótropo;
Continuo pues no hay espacios vacíos, homogéneo porque tiene propiedades
idénticas en todos sus puntos, e isótropo respecto de alguna propiedad cuando
esta no varia con la dirección u orientación.
A gran escala, el acero, la fundición, el aluminio, pueden considerarse como tales,
pero a escala microscópica están constituidos por mas de una fase por lo que son
heterogéneos.
Los metales están constituidos como una agregación de granos cristalinos que
poseen distintas propiedades en las diferentes direcciones cristalográficas, pero
los granos son tan pequeños frente a nuestro volumen macroscópico que debe
considerarlo homogéneo e isótropo. Sin embargo cuando los materiales se
deforman severamente en una dirección particular (como ocurre en la laminación
o en la forja) las propiedades pueden ser anisotrópicas en macro escala.
DEFINICIONES
Elasticidad: Significa que al cargar un cuerpo y luego descargarlo el mismo
recupera su configuración geométrica inicial. La recuperación no tiene porque ser
instantánea, pero siempre que el cuerpo recupere su configuración inicial (en
forma instantánea o no), se dirá que el mismo es elástico.
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Plasticidad: Es el caso en que un cuerpo sometido a la acción de cargas
exteriores, no recupera su configuración geométrica inicial luego de ser retiradas
las mismas. Es decir queda una deformación plástica permanente o remanente
que es lo que caracteriza a la plasticidad.
CONFORMACIÓN PLÁSTICA
CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE CONFORMACIÓN
Los procesos de conformación se pueden clasificar en un número reducido de
clases sobre la base de las fuerzas aplicadas al material cuando se le da la forma
requerida.
Estas clases son:
1. Procesos de compresión indirecta.
2. Procesos de compresión directa.
3. Procesos de tracción.
4. Procesos de plegados o flexión.
5. Procesos de cizallamiento.
En los procesos de compresión la fuerza se aplica a la superficie de la pieza que
se trabaja y el metal fluye formando ángulo recto con la dirección de la
compresión. Los ejemplos principales son la forja y la laminación.
Los procesos de compresión indirecta incluyen el estirado de tubos y alambres, la
extrusión y el embutido profundo de una copa.
Las fuerzas aplicadas son frecuentemente de tracción, pero se desarrollan
fuerzas de compresión elevadas por reacción entre la pieza que se trabaja y la
matriz. El metal fluye bajo un estado de tensiones combinadas en el que hay
fuerzas de compresión elevadas en una de las direcciones principales, por lo
menos.
La conformación plástica se lleva acabo por cuatro razones principalmente.
1. Obtener la forma deseada
2. Mejorar las propiedades del material por modificación de la
distribución de micro constituyentes.
3. Mejorar las propiedades del material por afino del tamaño de grano.
4. Introducir endurecimiento por deformación.
Los procesos de conformación plástica destinados a transformar un lingote o
palanquilla en un producto tipificado de forma sencilla (Chapa, plancha o barra) se
llaman procesos primarios de trabajo mecánico.
Los métodos de conformación que producen piezas de la forma acabada definitiva
se llaman procesos secundarios de trabajo mecánico.
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EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE CONFORMACIÓN
El trabajo de los metales suele dividirse en procesos de trabajo o conformación en
caliente y procesos de trabajo o conformación en frío.
El trabajo en caliente se define como una deformación en condiciones tales de
temperatura y velocidad de deformación que se producen simultáneamente la
restauración y la deformación.
El trabajo en frío es el realizado en condiciones tales que no es posible que se
produzcan eficazmente los procesos de restauración.
En el trabajo en caliente se elimina el endurecimiento por deformación, y la
estructura granular dislocada, por la formación de nuevos granos libres de
deformación, recristalizando la estructura.
Como dicha recristalizacion elimina las perturbaciones provocadas por la
deformación se pueden lograr deformaciones muy grandes en caliente.
El trabajo en caliente se realiza normalmente en condiciones de limite elástico, y
este limite disminuye con la temperatura, es entonces mas pequeña la energía
necesaria para la deformación que en el trabajo en frío, en el cual no se elimina el
endurecimiento por deformación y la tensión de limite elástico aumenta con la
deformación.
Por esto es que la deformación total que puede darse en frío es menor que en
caliente, a menos que en etapas intermedias por sucesivos tratamientos se
elimine el endurecimiento por deformación.
TRABAJOS EN CALIENTE
A las temperaturas a las que se realiza el trabajo en caliente no solo es menor la
energía necesaria para deformar el metal, y mayor la facilidad para que fluya sin
agrietarse, sino que además facilita la homogeneización de la estructura de
colada.
Las sopladuras y rechupes internos se eliminan por soldaduras, las estructuras
columnares por la recristalización y mejoran la ductilidad y la tenacidad.
El trabajo en caliente presenta también desventajas:
1. Ordinariamente el trabajo en caliente se realiza al aire y se pierde una
considerable cantidad de metal por oxidación.
2. Suele provocarse la descarburación del acero y es frecuente necesitar de
un mecanizado extenso para eliminar las capas decarburadas.
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3. La incrustación del oxido impide obtener buenas terminaciones
superficiales.
4. Hay dilataciones y contracciones a las que hay que poner tolerancias, lo
cual impide obtener una producción homogénea tal como se obtiene en el
trabajo en frío.
5. La deformación es mas intensa en la superficie por lo que allí el grano es
mas fino
6. En el centro el grano es más grande debido a que tarda mas para enfriarse
hasta la temperatura ambiente que la superficie.
El limite superior de trabajo esta determinado por la temperatura a que se produce
la fusión incipiente y suele tomarse una temperatura en 100ºC bajo del punto de
fusión, para evitar la fusión en regiones segregadas que tienen punto de fusión
mas bajo. Basta una delgadísima capa de constituyentes de bajo punto de fusión
en limite de grano para que el material se desmenuce en trozos al ser deformado
(fragilidad en caliente que produce quemado del metal)
Cuanto mayor la deformación, el material pierde mas calor por conducción,
convección y radiación , aunque gana por trabajo de deformación pero en
definitiva resulta una mas baja es la temperatura de trabajo en caliente.
TRABAJO EN FRÍO
Acarrea un aumento en la resistencia mecánica y una disminución de la
ductilidad.
Si provocamos grandes deformaciones el metal puede romperse antes de
alcanzar la forma deseada. Por esta razón, puede realizarse en varias etapas,
intercalando tratamientos térmicos intermedios (Ej. Recocido) que restauran la
ductilidad y disminuyen la resistencia.
Ajustando convenientemente el ciclo de trabajo en frío y tratamientos térmicos se
pueden obtener piezas con cualquier grado de endurecimiento.
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Resistencia versus Ductilidad
Resistencia
Ductilidad
% de deformación en frío
Ductilidad
Resistencia
T °C de Recocido
EFECTOS DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN EN LOS PROCESOS DE
CONFORMACIÓN
La respuesta de un metal a la conformación depende de la velocidad de
deformación.
Ciertos metales pueden romperse por debajo de una temperatura determinada si
se les aplica una carga a mucha velocidad o por el choque.
VALORES TÍPICOS DE VELOCIDAD EN DISTINTOS ENSAYOS DE
DEFORMACIÓN
OPERACIÓN
VELOCIDAD [ m/seg.]
Ensayo de Tracción
5 x 10-5 a 5 x 10-1
Extrusión con prensa hidráulica
0,003 a 3
Prensa Mecánica
0,15 a 1,5
Ensayo Charpy
3a6
Martillo de Forja
3 a 10
conformación con explosivos
30 a 120
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Las velocidades en la mayor parte de los procesos industriales son mayores que
en un ensayo de tracción por lo que los valores del límite elástico determinados
en dicho ensayo no pueden ser aplicados directamente al cálculo de cargas
empleadas en la conformación.
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En el trabajo en frío, la velocidad de deformación tiene poca influencia, salvo
algunos materiales de comportamiento frágil en ciertos intervalos de temperatura
para elevadas velocidades de deformación.
El límite elástico para el trabajo en caliente es fuertemente afectado por la
velocidad de deformación. Para medir el limite elástico durante las operaciones de
conformación en caliente se emplea una maquina de compresión a alta velocidad
(Plastometro).
A grandes velocidades la temperatura de trabajo en caliente debe ser más
elevada pues el tiempo de permanencia a esa temperatura es más breve. Pero
esto aumenta el peligro de la fragilidad en caliente.
EFECTO DE LAS ESTRUCTURAS METALÚRGICAS EN LOS PROCESOS DE
CONFORMACIÓN
Las fuerzas necesarias para realizar la conformación están íntimamente ligadas al
límite elástico, que a su vez depende de la estructura metalúrgica y la
composición de la aleación.
En los metales puros, la facilidad del trabajo mecánico disminuye al aumentar el
punto de fusión, y la temperatura mínima de trabajo en caliente aumentará
también con el punto de fusión.
La adición de elementos de aleación eleva la curva de fluencia cuando forman
solución sólida y por consiguiente aumentan las fuerzas necesarias, a su vez
hacen descender el punto de fusión por lo que las temperaturas de trabajo serán
mas bajas.
Las características de trabajo plástico de las aleaciones de dos fases dependen
de la distribución microscópica de la segunda fase.
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La presencia de una fracción grande de partículas duras uniformemente
distribuidas incrementa el límite de fluencia.
Si en cambio son blandas no producen gran variación en las condiciones
de trabajo,
Si tienen bajo punto de fusión pueden dar fragilidad en caliente.
En el acero recocido, un tratamiento de globulización que convierte
laminillas de cementita de la perlita en glóbulos mejora el trabajo en frío.
Si la segunda fase dura se localiza en el límite de grano dificulta la
conformación, pues se puede producir fractura en límite de grano.
Las partículas de segunda fase tenderán a tomar la forma y distribución que
corresponde a la deformación del cuerpo.
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Si son más blandas y dúctiles que la matriz, las partículas que son
originalmente esféricas tomaran una forma elipsoidal.
Si son mas duras, no se deformarán.
La orientación de estas partículas (en trabajo en caliente) y la fragmentación de
los granos (trabajo en frío) son responsables de la estructura fibrosa típica que
puede ponerse de manifiesto por macro ataque.
Una consecuencia de este fibrado mecánico es que las propiedades mecánicas
pueden ser diferentes para distintas orientaciones de las probetas de ensayo con
respecto a la dirección principal de conformación.
En general, la ductilidad en tracción, las propiedades de fatiga y las de choque
serán más bajas en la dirección transversal que en la longitudinal.
Si en una aleación se produce una precipitación mientras el metal se está
conformando, aumenta el límite elástico y disminuye su ductilidad pudiendo
producirse el agrietamiento. La precipitación se produce normalmente cuando la
velocidad de conformación es pequeña y la temperatura elevada.
Si en cambio se produce un cambio de fase esto contribuye a aumentar el limite
elástico de los productos laminados en frío, y puede producirse el agrietamiento.
MECÁNICA DE LA CONFORMACIÓN DE LOS METALES
Uno de los objetivos es llegar a expresar las fuerzas y las deformaciones de los
procesos en el lenguaje de le mecánica aplicada para poder predecir las fuerzas
que se necesitan para obtener una forma determinada.
Es necesario el empleo de hipótesis simplificativas.
El criterio de fluencia de Von Mises o de la energía de deformación es el que da
resultados que están mas de acuerdo con los experimentales.
( σ1-σ2)2 + (σ2 - σ3)2 + (σ3 - σ1)2= 2 x σo2
En tanto que los criterios de la máxima tensión cizallante difieren solo en un 15%
que teniendo en cuenta las imprecisiones de los análisis de las operaciones
complejas se puede considerar análogo al anterior
σ3 - σ1 = σo
Se utilizara esta ley en todas las ocasiones en que su aplicación simplifique el
análisis.
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Una de las hipótesis que se emplea es la eliminación o introducción de una
tensión hidrostática no afecta al límite elástico ni al estado de deformación. Se
considera que el tensor desviador es el único que tiene importancia para la
producción del flujo plástico.
Sin embargo la presión hidrostática modifica el flujo plástico cuando las
deformaciones son grandes y aumentando dicha presión se eleva la curva de
fluencia en la región de las deformaciones grandes y además aumenta la
ductilidad de los metales en tracción.
Esto explica porque materiales normalmente frágiles se puedan extrudar con
éxito, ya que en este proceso se desarrolla una compresión hidrostática elevada
por la reacción entre el material que se extruda y el cuerpo de extrusión.
Suponemos que el volumen se mantiene constante durante la deformación:
ε1 + ε2 + ε3 = 0
o
dε1 + dε2 + dε3 = 0
Se admite que el incremento de la deformación es proporcional a la deformación
total.
dε1 / ε1 = dε2 / ε2 = dε3 / ε3
Una premisa básica es la de que para deformaciones de tracción o compresión
equivalentes se producen endurecimientos por deformación también equivalentes.
Para una deformación de tracción ε1 igual a una compresión
escribir:
ε2
se puede
ε1 = - ε3 = Ln ( l1/l0 ) = - Ln ( h1/h0 ) = Ln ( h0/h1 )
( l0/l1 ) = ( h1/h0 )
( h1/h0 ) = 1 + ( h1 – h0 ) / h0
Y como el volumen se mantiene constante:
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l0 / l1 = A1 / A0 = 1 – ( A0 - A1 ) / A0
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Entonces
( h1 – h0 ) / h0 = ( A0 - A1 ) / A0
O sea, para deformaciones iguales, la reducción de la sección transversal es igual
a la reducción de la altura o de espesor.
La curva de fluencia es la relación fundamental referente al comportamiento del
material en cuanto al endurecimiento por deformación. Se emplea para determinar
el límite elástico o, en el cálculo de las cargas de conformación.
Este valor es menor que el que se produce en el endurecimiento por deformación
ya que el material sufre flujo no uniforme pues no se lo deja fluir libremente.
En algunos casos (Extrusión) se alcanzan deformaciones mucho mayores que en
el ensayo de tracción o compresión, del orden del 70 al 80%.
En trabajo en caliente, el metal se comporta como plástico ideal, la tensión de
fluencia se mantiene constante y es independiente de la deformación para
temperatura y velocidades determinadas.
En trabajo en frío, es corriente emplear un valor constante de la tensión de
fluencia que sea un promedio de la deformación total.
Para describir el flujo plástico, es tan importante indicar las condiciones
geométricas del flujo con respecto al sistema de tensiones como el poder predecir
la clase de tensión que produce el flujo plástico. Una hipótesis básica, es la de
que en cualquier instante del proceso de conformación, las condiciones
geométricas de las velocidades de deformación son las mismas que las de las
tensiones o sea que las deformaciones y las tensiones son coaxiales, lo cual sirve
para deformaciones no muy grandes.
TRABAJO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA
El trabajo total necesario para producir una forma por deformación plástica puede
descomponerse en trabajos parciales:
El trabajo de deformación ( Wd ) es el trabajo necesario para que todo el volumen
pase de la sección inicial a la final por deformación uniforme.
Una parte del trabajo total se consume como trabajo superflua ( Wr ), que es el
trabajo de deformación interna que no interviene en un puro cambio de forma.
Por ultimo, otra parte se consume al vencer las resistencias de fricción en las
intercaras entre metal conformado y la herramienta ( Wf ). Principio Documento
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Wt = Wd + Wr + Wf
Se deduce que el trabajo de deformación es la energía mínima que debe
consumirse para provocar una deformación y es:
Wd = V x ∫ σ x dε
Y el trabajo total ideal por unidad de volumen para el caso de deformación
proporcional será:
Wd = ( 2 / √3 ) x σ0 x √ ( ε12 + ε1 x ε2 + ε22 )
ENSAYOS Y CRITERIOS DE FORMABILIDAD
Dada la imposibilidad de obtener datos seguros de la resistencia a la deformación
de los metales en el trabajo de conformación en caliente a velocidades elevadas,
se ha desarrollado cierto número de ensayos para evaluar la deformabilidad en
caliente de los materiales. El ensayo de un solo golpe se ha empleado para
estimar si un metal puede o no trabajarse en caliente sin agrietamiento.
Se ha encontrado buena correlación entre los resultados de torsión y algunas
operaciones como la forja y el punzonado de redondos macizos para fabricar
tubos sin costura.
En las operaciones de conformación de la chapa, en las que unas regiones no
pueden deformarse y otras deben adaptarse a formas determinadas es necesario
que el metal pueda deformarse sin que se produzcan deformaciones localizadas.
Un ensayo cualitativo para estimar la capacidad de conformación de la chapa es
el ensayo de doblado, se doblan alrededor de radios progresivamente más
pequeños hasta que formen grietas en la cara de tracción (externa). El radio
mínimo de doblado se toma como el más pequeño que puede emplearse sin
agrietamiento.
LA FRICCIÓN EN LAS OPERACIONES DE CONFORMACIÓN
Es muy importante tomar en cuenta las fuerzas de fricción engendradas entre la
pieza que se trabaja y las herramientas, ya que aumentan materialmente la
resistencia a la deformación.
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Son muy difíciles de medir y constituyen el factor más incierto en el análisis de las
operaciones de conformación. Se emplean diversos métodos de lubricación para
aminorar todo lo posible las fuerzas de fricción.
La fricción entre la pieza y las herramientas originan tensiones cizallantes a lo
largo de las superficies en contacto verificándose:
τ/σ=f
f depende del material que se trabaja, del de las herramientas, de la rugosidad de
la superficie, del lubricante, de la velocidad de deformación y de la temperatura.
La fricción aumenta con el movimiento relativo de la pieza y herramienta, pero
disminuye apreciablemente para altas velocidades.
Suelen ser mayores en los trabajos en caliente debido a que la oxidación empasta
las superficies del material.
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