procesos mecanicos de endurecimiento de metales

1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
EXTENSIÓN SAN FELIPE
Autora: Br. Andrea Suarez
C.I.: 29.881.122
Numero de escuela: 79
Asignatura: Metalurgia
San Felipe, Julio 2020
Proceso mecánico de endurecimiento

2. Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
ENDURECIMIENTO
En metalurgia, endurecimiento se refiere a técnicas para incrementar la dureza de un material.
Existen cinco técnicas principales para hacer esto:
• Endurecimiento por límite de grano.
• Endurecimiento por deformación.
• Endurecimiento por Solución Sólida.
• Endurecimiento por precipitación.
• Transformaciones martensíticas.
Todos los mecanismos de endurecimiento, a excepto las transformaciones martensíticas,
introducen dislocaciones o defectos en la estructura cristalina, las cuales actúan como barreras para
los deslizamientos.

3. ENDURECIMIENTO POR LÍMITE DE GRANO
Endurecimiento por tamaño de grano. Las imperfecciones de la
superficie tales como los límites de grano, perturban el arreglo de los
átomos en los materiales cristalinos. Al aumentar la cantidad de
granos o reducir el tamaño del grano, se produce un endurecimiento
por tamaño de grano en los materiales metálicos.
Las fronteras de los granos son barreras que dificultan el
movimiento de las dislocaciones del metal. Una dislocación
encuentra difícil pasar de un grano a otro a través de las fronteras
debido al desorden relativo en que se encuentran los átomos en esta
zona.
Los metales que tienen granos pequeños presentan mayor
resistencia que los metales con granos grandes, o en otras palabras,
los metales con granos grandes son más suaves y menos
resistentes que los metales con granos pequeños.
Proceso mecánico de endurecimiento de los metales

4. Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN
El endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento
en frío o por acritud) es el endurecimiento de un material por una
deformación plástica a nivel macroscópico que tiene el efecto de
incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida que el
material se satura con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la
formación de nuevas dislocaciones y a su movimiento. Esta resistencia a
la formación y movimiento de las dislocaciones se manifiesta a nivel
macroscópico como una resistencia a la deformación plástica.
En cristales metálicos, el movimiento de las dislocaciones es lo que
produce la deformación plástica (irreversible) a medida que se propagan
por la estructura del cristal. A temperaturas normales cuando se deforma
un material también se crean dislocaciones, en mayor número de las que
se aniquilan, y provocan tensiones en el material, que impiden a otras
dislocaciones el libre movimiento de estas. Esto lleva a un incremento en
la resistencia del material y a la consecuente disminución en la ductilidad.

5. Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
Cualquiera de los defectos puntales también interrumpe la perfección
de la estructura cristalina. Cuando la estructura cristalina del material
anfitrión asimila por completo los átomos y los iones de un elemento o
compuesto huésped, se forma una solución sólida. Esto ocurre de forma
parecida a la forma en que la sal o el azúcar se disuelven en agua, en
bajas concentraciones.
Si en forma intencional se introducen átomos sustitucionales o
intersticiales se produce un endurecimiento por solución sólida. Este
mecanismo explica por qué el acero al carbón es más resistente que el
Fe puro o por que las aleaciones de cobre con pequeñas concentraciones
de Be son mucho más resistentes que el Cu puro. El oro y la plata puros
que son metales FCC con mucho sistema de deslizamiento activo, son
demasiados suaves mecánicamente.

6. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un
tratamiento térmico para endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se
basa en la deposición de fases meta estables en forma finamente dividida, de modo que forma una
barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia a la fluencia de las
aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.1
Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
El endurecimiento por precipitación, se basa en los cambios de la solubilidad de sólido con la
temperatura para producir partículas finas de una impureza de fase, que impiden el movimiento de
dislocaciones o defectos a través de la estructura del cristal. Dado que las dislocaciones son a menudo
los operadores dominantes de la plasticidad, esto sirve para endurecer el material. Las impurezas
desempeñan la misma función que los refuerzos en los materiales compuestos reforzados. Así como la
formación de hielo en el aire puede producir nubes, nieve o granizo, dependiendo de la historia térmica
de una porción dada de la atmósfera, la precipitación de los sólidos puede producir diferentes tamaños
de partículas, que tienen propiedades radicalmente diferentes. A diferencia del temple ordinario, las
aleaciones deben mantenerse a temperatura elevada durante horas para permitir que la precipitación
tenga lugar. Este retardo de tiempo se denomina envejecimiento.

7. Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
Dos tratamientos térmicos diferentes que implican precipitados pueden alterar la fuerza de un
material: tratamiento térmico por solución sólida y el tratamiento térmico de precipitación.
Endurecimiento por solución sólida implica la formación de una solución sólida de una sola fase a
través de temple. El tratamiento térmico por precipitaciones implica la adición de partículas de
impurezas para aumentar la resistencia de un material.2 El endurecimiento por precipitación por
medio de tratamiento térmico de precipitación es el principal tema de discusión en este artículo.

8. Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
TRANSFORMACIONES MARTENSÍTICAS
Martensita, es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera
a partir de una transformación de fases sin difusión (infiltración de partículas ajenas al material procesado),
a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. Por extensión se denominan
martensitas todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusión de materiales
metálicos. Se llama martensita en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914). La
transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se caracterizan
por experimentar transformaciones sin difusión. Ya que la transformación martensítica no implica difusión,
ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la
velocidad del sonido dentro de la matriz austenítica.
De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente del
tiempo. La estructura de la martensita tiene la apariencia de láminas o de agujas (variantes). La fase blanca
es austenita que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también puede coexistir con
otros constituyentes, como la perlita. El enfriamiento rápido (o temple) del acero autenticado, hasta
temperatura próxima a la ambiental, origina otro micro constituyente denominado martensita, que resulta
como una estructura de no equilibrio de la transformación sin difusión de la austenita. Se puede considerar
un producto de transformación competitivo con la perlita o la vainita. La transformación martensítica tiene
lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono.

9. Proceso mecánico de endurecimiento de los metales
La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo,
gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que
representa pequeños desplazamientos de un átomo respecto a sus
vecinos. Esta transformación significa que la austenita FCC
experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal
centrada en el cuerpo (TCC). La celdilla unidad de esta estructura
cristalina es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones,
centrado en el cuerpo BCC; esta estructura es diferente de la ferrita
BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos
intersticiales en la martensita y constituyen una disolución sólida
sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras
estructuras si se calienta a temperaturas que implican una apreciable
velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura
martensítica casi indefinidamente a temperatura ambiente.
Con un tratamiento mecánico adecuado la estructura puede
presentar una sola variante. Un caso particular son las aleaciones
martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al
aplicarles un campo magnético (magnetoestricción, Villary effect).

10. Procesos de trabajo en frio y caliente
Procesos de trabajo en frio: Se refiere al trabajo a temperatura
ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que
la resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una
deformación.
El conformado en frío es empleado a nivel mundial para fabricar los productos más diversos.
Clavos, tornillos, bulones, tubos de cobre, botellas de aluminio, cord metálico para neumáticos etc.
También la mayoría de los objetos metálicos de uso doméstico se producen mediante este método:
mangos, bisagras, elementos de unión, listones y utensilios de cocina. El concepto del conformado en
frío comprende todos los métodos de fabricación que permiten deformar plásticamente (a temperatura
ambiente y ejerciendo una presión elevada) metales o aleaciones de metales tales como cobre,
aluminio o latón, pero sin modificar el volumen, el peso o las propiedades esenciales del material.
Durante el conformado en frío la materia prima recibe su nueva forma mediante un proceso que
consta de diferentes etapas de deformación. De tal manera se evita que se exceda la capacidad de
deformación del material y por lo tanto su rotura.

11. Procesos de trabajo en frio y caliente
Las principales ventajas del trabajo en frío son: mejor precisión,
menores tolerancias, mejores acabados superficiales, posibilidades
de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final
y mayor dureza de las partes. Sin embargo, el trabajo en frío tiene
algunas desventajas, ya que requiere mayores fuerzas porque los
metales aumentan su resistencia debido al endurecimiento por
deformación, produciendo que el esfuerzo requerido para continuar
la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la
resistencia, la reducción de la ductilidad y el aumento de la
resistencia a la tensión limitan la cantidad de operaciones de
formado que se puedan realizar a las partes.
Características:
• Mejor precisión.
• Menores tolerancias.
• Mejores acabados superficiales.
• Mayor dureza de las partes.
• Requiere mayor esfuerzo.

12. Procesos de trabajo en frio y caliente
Procesos de trabajo en Caliente: Se define como la deformación
plástica del material metálico a una temperatura mayor que la de
recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente consiste
en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que
además es adecuada para moldear partes grandes porque el metal
tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad.
Por trabajo (o labrado) en caliente, se entienden aquellos procesos como laminado o rolado en
caliente, forja, extrusión en caliente y prensado en caliente, en los cuales el metal se caldea en el grado
suficiente para que alcance una condición plástica y fácil de trabajar. El laminado en caliente se usa por lo
general para obtener una barra de material con forma y dimensiones particulares. El extrusionado, es el
proceso por el cual se aplica una gran presión un lingote metálico caliente, haciendo que fluya en estado
plástico a través de un orificio restringido. El forjado o forja, es el trabajo en caliente de metales mediante
martinetes, prensas o máquinas de forja. En común con otros procesos de labrado en caliente, la forja
produce una estructura de grano refinado que da por resultado una mayor resistencia y ductilidad. Las
piezas forjadas tienen mayor resistencia por el mismo peso. Se define como la deformación plástica del
material metálico a una temperatura mayor que la de recristalización. La ventaja principal del trabajo en
caliente, consiste en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada
para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad.

13. Los beneficios obtenidos con el trabajo en caliente son: mayores modificaciones a la forma de la pieza
de trabajo, menores fuerzas y esfuerzos requeridos para deformar el material, opción de trabajar con
metales que se fracturan cuando son trabajados en frío, propiedades de fuerza generalmente isotrópicas
y, finalmente, no ocurren endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo.
Características:
• Mayores modificaciones a la forma de la pieza de trabajo.
• Menores esfuerzos.
• Opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío.
Desventajas: Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la
superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no
pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de
mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas
temperaturas.
Procesos de trabajo en frio y caliente

14. Clasificación de los procesos de conformado
Proceso de
conformado
Operaciones de formado o
preformado
Operación de deformación
volumétrica
Doblado
Corte
Embutido
Laminado
Forjado
Extrusión
Cizallado
Troquelado

15. Clasificación de los procesos de conformado
PROCESO DE CIZALLADO: El proceso de cizallado es una operación de
corte de láminas que consiste en disminuir la lámina a un menor tamaño.
Para hacerlo el metal es sometido a dos bordes cortantes.
PROCESO DE TROQUELADO: El proceso de troquelado es una operación
en la cual se cortan láminas sometiéndolas a esfuerzos cortantes,
desarrollados entre un punzón y una matriz, se diferencia del cizallado ya
que este último solo disminuye el tamaño de lámina sin darle forma alguna.
El producto terminado del troquelado puede ser la lámina perforada o las
piezas recortadas.
PROCESO DE DOBLADO: El doblado de metales es la deformación de
láminas alrededor de un determinado ángulo. Los ángulos pueden ser
clasificados como abiertos (si son mayores a 90 grados), cerrados (menores
a 90°) o rectos. Durante la operación, las fibras externas del material están
en tensión, mientras que las interiores están en compresión. El doblado no
produce cambios significativos en el espesor de la lámina metálica.

16. Tipos de doblados
DOBLADO ENTRE FORMAS: En este tipo de doblado, la lámina metálica es deformada entre un
punzón en forma de V u otra forma y un dado. Se pueden doblar con este punzón desde ángulos
muy obtusos hasta ángulos muy agudos. Esta operación se utiliza generalmente para operaciones
de bajo volumen de producción.
DOBLADO DESLIZANTE: En el doblado deslizante, una placa presiona la lámina metálica a la
matriz o dado mientras el punzón le ejerce una fuerza que la dobla alrededor del borde del dado.
Este tipo de doblado está limitado para ángulos de 90°.
CÁLCULO DE LA FUERZA PARA DOBLADO DE LÁMINAS: La fuerza de doblado es función de
la resistencia del material, la longitud L de la lámina, el espesor T de la lámina, y el tamaño W de la
abertura del dado. Para un dado en V, se suele aproximar la fuerza máxima de doblado, FD.

17. PROCESO DE EMBUTIDO: El proceso de embutido consiste en colocar la lámina de metal sobre
un dado y luego presionándolo hacia la cavidad con ayuda de un punzón que tiene la forma en la
cual quedará formada la lámina. El número de etapas de embutición depende de la relación que
exista entre la magnitud del disco y de las dimensiones de la pieza embutida, de la facilidad de
embutición, del material y del espesor de la chapa. Es decir, cuanto más complicadas las formas y
más profundidad sea necesaria, tantas más etapas serán incluidas en dicho proceso.
PROCESO DE LAMINADO: El laminado es un proceso en el que se reduce el espesor de una pieza
larga a través de fuerzas de compresión ejercidas por un juego de rodillos, que giran apretando y
halando la pieza entre ellos. El resultado del laminado puede ser la pieza terminada (por ejemplo, el
papel aluminio utilizado para la envoltura de alimentos y cigarrillos), y en otras, es la materia prima de
procesos posteriores, como el troquelado, el doblado y la embutición.
PROCESO DE FORJADO: El proceso de forjado fue el primero de los procesos del tipo de compresión
indirecta y es probablemente el método más antiguo de formado de metales. Involucra la aplicación de
esfuerzos de compresión que exceden la resistencia de fluencia del metal. En este proceso de formado
se comprime el material entre dos dados, para que tome la forma deseada. La mayoría de operaciones
de forjado se realiza en caliente, dada la deformación demandada en el proceso y la necesidad de
reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal. Sin embargo este proceso se puede realizar
en frío, la ventaja es la mayor resistencia del componente, que resulta del endurecimiento por
deformación.

18. PROCESO DE EXTRUSIÓN: La extrusión es un proceso por compresión en el cual el metal de
trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal.
Ejemplos de este proceso son secciones huecas, como tubos. Existe el proceso de extrusión directa,
extrusión indirecta, y para ambos casos la extrusión en caliente para metales (a alta temperatura).
Tipos de extrusión
EXTRUSIÓN DIRECTA: En la extrusión directa, se deposita en un recipiente un lingote en bruto
llamado tocho, que será comprimido por un pistón. Al ser comprimido, el material se forzará a fluir por
el otro extremo adoptando la forma que tenga la geometría del dado.
EXTRUSIÓN INDIRECTA: La extrusión indirecta o inversa consiste en un dado impresor que está
montado directamente sobre el émbolo. La presión ejercida por el émbolo se aplica en sentido contrario
al flujo del material. El tocho se coloca en el fondo del dado contenedor.