DEFORMACION PLASTICA Y RECOCIDO

Presentación del tema: "DEFORMACION PLASTICA Y RECOCIDO"— Transcripción de la presentación:

1 DEFORMACION PLASTICA Y RECOCIDO
* Trabajo en frío * Recocido * Trabajo en caliente

2 DEFORMACION PLASTICA Introducción.- La deformación plástica se produce cuando el esfuerzo excede el límite de fluencia del material y produce un cambio en la forma de éste y deja una deformación permanente; es uno de los procedimientos más importantes en la producción de numerosos artículos de consumo, como el automóvil y los aparatos electrodomésticos. El material sufre cambios en la microestructura y propiedades. En la industria, el término de uso común es el trabajo en frío o en caliente.

3 TRABAJO EN FRIO El trabajo en frío se realiza cuando la deformación plástica se lleva a cabo por debajo de la temperatura de recristalización, Tk = Tf / 2 Donde: Tk = Temperatura de recristalización Tf = Temperatura de fusión El trabajo en frío por lo general se hace a temperatura ambiente. En la figura (a) se muestra una curva esfuerzo-deformación. Mientras el esfuerzo no exceda el límite de fluencia (Sy) no se presenta deformación plástica, esta es la condición que se pretende mantener después que una pieza acabada sea puesta en operación. Sin embargo cuando se desea producir una pieza mediante un proceso de deformación, el esfuerzo aplicado debe sobrepasar el esfuerzo de fluencia para que el metal se deforme permanentemente en una forma útil.

4 TRABAJO EN FRIO Fig c Fig b Fig a

5 TRABAJO EN FRIO Si se aplica un esfuerzo σ1 que sea mayor que el esfuerzo de fluencia (fig a) se provocará una deformación permanente ε1, que queda aun cuando se elimine el esfuerzo. Si se obtiene una muestra del metal al que se le aplicado σ1 y se vuelve a deformar el metal, obtendríamos una curva esfuerzo-deformación diferente (fig b). La nueva muestra tendrá un esfuerzo de fluencia σ1, y asimismo, una mayor resistencia a la tensión y una menor ductilidad. Si se continúa aplicando un esfuerzo hasta alcanzar σ2. Cada vez que se aplica un esfuerzo mayor al metal se incrementan el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión, mientras que disminuye la ductilidad. Se podría incrementar la resistencia del metal hasta que los esfuerzos de fluencia, de tensión máxima y de ruptura fueran iguales y no hubiera ductilidad (Fig c). En este caso el metal no podrá ser deformado más plásticamente.

6 TRABAJO EN FRIO En definitiva, en un material trabajado en frío se aumenta mucho la resistencia de fluencia y a la tensión (Sut) y se reduce la ductilidad, además se obtiene reducida tolerancia dimensional y buen acabado de superficie. A medida que la temperatura del material aumenta, pero por debajo de la temperatura de recristalización existe la posibilidad de utilizar cargas menores y menos etapas en la deformación de una pieza, así como la de ahorrar energía. Multiplicación de las dislocaciones.- El incremento en la resistencia durante la deformación se obtiene incrementando el número de dislocaciones en el metal. Antes de la deformación un metal contiene 106 cm de líneas de dislocaciones por cada centímetro cúbico de metal (bajas dislocaciones).

7 TRABAJO EN FRIO Cuando se aplica un esfuerzo superior al esfuerzo de fluencia, las dislocaciones empiezan a deslizarse. A veces una dislocación que se mueve en su plano de deslizamiento encuentra obstáculos que sujetan los extremos de la línea de dislocación. Cuando se continúa aplicando el esfuerzo, la dislocación trata de moverse arqueándose por el centro. La dislocación puede moverse hasta que se produce un rizo (fig 1). Cuando el rizo de dislocación se toca finalmente a sí mismo, se crea una nueva dislocación. La dislocación original aún está sujeta y puede originar otros rizos de dislocación. El número de dislocaciones puede incrementarse a aproximadamente 1012 cm de líneas de dislocaciones por cada centímetro cúbico. Se sabe que cuanto más dislocaciones existan, tanto más fácilmente interfieren unas con otras y el metal se hace más resistente. Figura 1

8 TRABAJO EN FRIO Se usan muchas técnicas para conformar y endurecer simultáneamente un metal por trabajo en frío. Controlando la cantidad de deformación aplicada mediante esos procesos se regula la cantidad de endurecimiento por deformación. Las principales técnicas de conformado por deformación se observan en la figura 2, las cuales son: (a) laminado o rolado, (b) forjado, (c) trefilado, (d) extrusión, (e) embutido, (f) estirado y (g) doblado. El proceso de extrusión produce la forma deseada en el metal al hacerlo pasar a presión por una matriz, se reduce el desperdicio, mano de obra y los costos de maquinado. Por lo general se utiliza acero con bajo contenido de carbono. Figura 2

9 TRABAJO EN FRIO Microestructura de los metales trabajados en frío.- Durante la deformación, los granos giran alargándose, causando que algunas direcciones y planos cristalográficos se alineen. En consecuencia, se desarrollan orientaciones preferenciales. Este efecto produce un comportamiento anisotrópico. Cualquier inclusión (partículas extrañas como óxidos) se alinea también durante la deformación. Las inclusiones blandas normalmente se deforman y alargan, mientras que las inclusiones duras pueden no deformarse. Las inclusiones alargadas, llamadas sopladuras, actúan como pequeñas rayaduras internas y reducen las propiedades mecánicas del material y pueden ser el origen de grietas. En las siguientes figuras se observa la estructura granular del cobre, en la figura (a) se observa a 0% de trabajo en frío, en la figura (b) a 31% de trabajo en frío y en (c) a 82% de trabajo en frío.

10 TRABAJO EN FRIO Fig. a Fig. b Fig. c

11 TRABAJO EN FRIO Esfuerzos residuales.- Los esfuerzos residuales dentro del metal se genera durante la deformación. Cuando se aplica un esfuerzo al metal, una pequeña porción del mismo (10%) queda dentro de la estructura como una red de dislocaciones. Estos esfuerzos aumentan la energía total de la estructura. Los esfuerzos residuales no se encuentran uniformemente distribuidos en todo el material deformado. Por ejemplo, puede haber esfuerzos residuales de compresión en la superficie de una placa laminada, y esfuerzos de tensión en el centro. Si maquinamos una pequeña porción del metal de la superficie de una parte trabajada en frío, quitamos metal que contiene esfuerzos residuales sólo de compresión. Para restablecer el balance, la placa tiene a distorsionarse.

12 TRABAJO EN FRIO Los esfuerzos residuales también afectan la capacidad de la pieza para soportar una carga. Los esfuerzos residuales de compresión pueden ser perjudiciales o benéficos, en la figura (a) se aplica una fuerza de flexión que genera un esfuerzo de tensión en la fibra superior, puesto que existe esfuerzo residual de tensión en esas fibras, la viga soportará una carga menor. En (b) el efecto es beneficioso.

13 TRABAJO EN FRIO Características del trabajo en frío.- Hay ciertas ventajas y desventajas del endurecimiento del metal trabajado en frío, las principales son: - Se puede simultáneamente endurecer el metal mientras le damos la forma final deseada. Se obtiene excelentes tolerancias dimensionales y acabados superficiales. El proceso de trabajo en frío es un método de bajo costo para producir grandes cantidades de piezas pequeñas. Sin embargo, para piezas grandes la cantidad de trabajo en frío es limitada. La ductilidad, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión se deterioran por el trabajo en frío. Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico pueden generarse durante el trabajo en frío. Estas características pueden ser tanto útiles como perjudiciales, dependiendo de la manera en que sean controladas.

14 LAS TRES ETAPAS DEL RECOCIDO
El recocido es un tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío y restablecer al metal la condición de ductilidad original. El recocido puede usarse para eliminar por completo el endurecimiento por deformación obtenido durante el trabajo en frío; la pieza es suave y dúctil pero conserva un buen acabado superficial y precisión dimensional. Después del recocido se puede aplicar trabajo en frío adicional, puesto que se ha recuperado la ductilidad. El recocido a bajas temperaturas puede ser utilizado para eliminar esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frío sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza ya terminada. Hay tres etapas en el proceso de recocido, las cuales son:

15 LAS TRES ETAPAS DEL RECOCIDO
Recuperación.- Es un tratamiento térmico de baja temperatura diseñado para reducir los esfuerzos residuales. La microestructura contiene granos deformados que contienen a su vez un gran número de dislocaciones en forma de red. Cuando calentamos el metal a temperaturas levemente elevadas las dislocaciones se mueven y rearreglan, mientras que los esfuerzos residuales se reducen y finalmente se eliminan (figura b). Sin embargo, el número de dislocaciones no se reduce significativamente; en lugar de ello se reordenan en una estructura poligonizada (estructura de subgrano dentro de los granos deformados normales). Debido a que la cantidad de dislocaciones no se reducen, las propiedades del metal quedan inalteradas. la recuperación restablece la conductividad eléctrica del alambre de cobre o de aluminio utilizado para la transmisión de energía eléctrica. El alambre es resistente debido al trabajo en frío y conserva una conductividad eléctrica adecuada.

16 LAS TRES ETAPAS DEL RECOCIDO
Recristalización.- Ocurre por la nucleación y el crecimiento de nuevos granos que contienen pocas dislocaciones. Cuando el metal es calentado por encima de la temperatura de recristalización, la recuperación rápida elimina los esfuerzos residuales y produce la estructura de dislocación poligonizada. Debido a la gran reducción de las dislocaciones, el metal cristalizado presenta escasa resistencia pero elevada ductilidad. Casi siempre se reduce el tamaño de grano durante esta etapa (figura c).

17 RECOCIDO Crecimiento de grano.- A temperaturas de recocido aun mayores, tanto la recuperación como la recristalización ocurren rápidamente, produciendo la estructura recristalizada de grano fino. Sin embargo, la energía asociada con la excesiva área del borde de grano, sumada a la energía de las dislocaciones atrapadas en los bordes, hace a la estructura fina inestable a temperaturas altas. Para reducir esta energía los granos empiezan a crecer, y ciertos granos eliminan a los mas pequeños. El crecimiento de grano casi siempre es indeseable (figura d).

18 RECOCIDO Tanto el endurecimiento por deformación como el endurecimiento por tamaño de grano son inapropiadas para una aleación que se utilizará a temperaturas elevadas, como ocurre en las aplicaciones que deban ser resistentes a la termofluencia. Cuando el metal se pone a servicio a alta temperatura, la recristalización causa inmediatamente un desastroso decremento en su resistencia mecánica. Además si la temperatura es suficientemente alta, la resistencia continuaría disminuyendo debido al crecimiento de grano de los granos recién recristalizados. Tanto el control de trabajo en frío como el del crecimiento de grano son inadecuados para altas temperaturas. Un problema similar ocurre cuando se suelda con soplete o arco eléctrico, un metal trabajado en frío. El metal adyacente a la soldadura se calienta por encima de las temperaturas de recristalización y de crecimiento de grano. Esta región es llamada zona afectada por el calor. La estructura y propiedades en la zona afectada por el calor se muestran en la siguiente figura.

19 IMPLICACIONES DEL RECOCIDO EN LAS PROPIEDADES A ALTAS TEMPERATURAS
Las propiedades se reducen deplorablemente por el calor del proceso de soldadura. Para mantener las propiedades cuando se sueldan materiales trabajados en frío, el tiempo de exposición a las altas temperaturas debe ser tan breve como sea posible.

20 TRABAJO EN CALIENTE Características del proceso de trabajo en caliente.- Un metal se puede conformar a una forma útil por trabajo en caliente, el cual se define como la deformación plástica del metal a una temperatura superior a la de recristalización. El labrado en caliente proporciona muchas ventajas y presenta limitaciones en comparación con el trabajo en frío. 1.- No ocurre endurecimiento durante la deformación; por lo que, la cantidad de deformación plástica es ilimitada. Por ejemplo, una placa gruesa de metal puede reducirse a una muy fina en una serie continua de operaciones. Los pasos iniciales en la deformación se realizan a temperaturas muy superiores a la de recristalización para aprovechar la poca resistencia del metal. En las ultimas etapas la temperatura se lleva a cabo justo por encima de la temperatura de recristalización para reducir el tamaño de grano. La velocidad de conformado es mayor que el trabajo en frío. 2.- Es recomendable para el conformado de piezas grandes, puesto que el metal tiene bajo esfuerzo de fluencia y alta ductilidad a elevadas temperaturas, una plancha de 9 plg puede reducirse a una de 0,1 plg en menos de 5 minutos.

21 TRABAJO EN CALIENTE 3.- Algunos defectos originales de fundición en el metal pueden ser eliminados o minimizar sus efectos. Los poros de gas pueden cerrarse y soldarse. Las diferencias de composición pueden disminuirse (homogenización). 4.- Se produce una estructura fibrosa porque la deformación alarga las inclusiones. Se desarrollan texturas similares al del recocido. Se puede generar un comportamiento anisotrópico el cual puede ser deseable. 5.- Las propiedades finales pueden ser menos uniformes que los trabajados en frío. Los rodillos que están a menor temperatura que el metal enfrían la superficie más rápidamente que el centro de la pieza. La superficie tiene un grano más fino que el centro.

22 TRABAJO EN CALIENTE 6.- El acabado superficial es más deficiente que el obtenido por el trabajo en frío. El oxígeno puede reaccionar con el metal en la superficie, formando óxidos que son introducidos en la superficie durante el conformado. 7.- Es más difícil obtener precisión dimensional en el trabajo en caliente debido a que el metal se contrae durante el enfriamiento. La combinación de deformación elástica y contracción térmica requiere que la pieza sea sobredimensionada durante la deformación, con el fin de que el metal al enfriarse y contraerse adquiera las dimensiones adecuadas.