2. INTRODUCCIÓN
• Cuando se deforma plásticamente un material a temperatura
inferior a la de cristalización (trabajo en frío), aumenta el
número de dislocaciones del material, con lo cual aumenta su
resistencia (el gran número de dislocaciones actúa como una
barrera o impedimento para el deslizamiento de las
dislocaciones).
• El endurecimiento obtenido mediante el trabajo en frío, se
conoce: endurecimiento por deformación o endurecimiento
por trabajo mecánico.
• Por otro lado, también existe el trabajo en caliente, mediante
el cual un material es deformado a altas temperaturas sin que
se produzca su endurecimiento.
• El tratamiento térmico conocido como recocido tiene como
objetivo eliminar o modificar los efectos del endurecimiento
por trabajo en frío (esfuerzos residuales).
3. • Para deformar plásticamente un material, se requiere que sea dúctil
Y que las dislocaciones se desplacen al aplicar fuerzas externas.
• Al restringir el movimiento de las dislocaciones, el material se
vuelve más duro y resistente.
• Los procesos mecánicos para incrementar la resistencia de los
materiales, se basan en dificultar el mov. de las dislocaciones.
• Controlando los procesos de deformación de un material y de
tratamiento térmico, se puede:
Dar una forma específica y práctica al material,
Mejorar y controlar sus propiedades.
• Los materiales cerámicos, materiales frágiles, no responden bien al
endurecimiento por deformación ya que no son dúctiles.
4. TRABAJO EN FRÍO Y CURVA DE ESFUERZO-
DEFORMACIÓN
Curva de esfuerzo-
deformación de un material
dúctil
5. TRABAJO EN FRÍO Y CURVA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN
Curva de esfuerzo-
deformación de un material
dúctil
Curva de esfuerzo-deformación
de un material que ha sido
sujeto al esfuerzo 𝜎1
• Límite elástico en 𝜎𝑦
• Límite elástico en 𝜎1
• Mayor resistencia
• Menor ductilidad
Al continuar apicando
esfuerzo hasta llegar a
𝜎2, y en seguida
eliminar el esfuerzo y
volver a probar el
metal, el nuevo límite
elástico será 𝜎2.
Cada vez que se aplique
un esfuerzo más alto,
se incrementarán tanto
el límite elástico como
la resistencia a la
tensión y la ductilidad
se reducirá.
6. TRABAJO EN FRÍO Y CURVA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN
Curva de esfuerzo-
deformación de un material
dúctil
Curva de esfuerzo-deformación
de un material que ha sido
sujeto al esfuerzo 𝜎1
• Límite elástico en 𝜎𝑦
• Límite elástico en 𝜎1
• Mayor resistencia
• Menor ductilidad
Si se sigue
endureciendo el metal
hasta igualar el límite
elástico, la resistencia a
la tensión y la
resistencia a la ruptura
(ya no existe
ductilidad), ya no se
deformará más-frágil.
7. Propiedades en función del porcentaje
de trabajo en frío
• Controlando la deformación plástica, se controlará el
endurecimiento por deformación.
• La deformación se define mediante el porcentaje de trabajo
en frío:
Área inicial de la
sección transversal
Área final después de
la deformación
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑒𝑛 𝑓𝑟í𝑜 =
𝐴0 − 𝐴𝑓
𝐴0
× 100
• En el caso del laminado en frío se utiliza el porcentaje de la reducción del
grosor como la medida del trabajo en frío:
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑔𝑟𝑜𝑠𝑜𝑟 =
𝑡0 − 𝑡𝑓
𝑡0
× 100
8. Se desea producir una chapa de
0.040 pulgadas de espesor de
cobre puro libre de
oxígeno con una resistencia a la
tracción de 45 kpsi. ¿Qué
porcentaje de trabajo en
frío debe aplicarse al metal?
¿Cuál debería ser el espesor
inicial de la chapa antes
de la laminación en frío?
Ejemplo 1:
Se deduce que el porcentaje de
trabajo en frío debe ser de 25%.
Por tanto, el espesor inicial
debe ser:
𝑡0 − 0,04
𝑡0
= 0,25
𝑡0 = 0,053 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠
Fuente: Smith, 20
9. Ejemplo 2:
Diseñe un proceso de fabricación para producir una placa de cobre de 0,1 cm
de grosor que tenga al menos una resistencia a la tensión de 65 000 psi, una
resistencia a la fluencia de 60 000 psi y 5% de elongación.
10. En general, el trabajo en frío o el endurecimiento
por deformación es uno de los métodos más
importantes de endurecimiento de metales. Por
ejemplo, el cobre y el aluminio puros sólo se
pueden endurecer de forma significativa por este
método. Así, mediante trefilado, puede
fabricarse alambre de cobre puro con distinta
resistencia mecánica (con ciertas limitaciones)
variando la cantidad de endurecimiento por
deformación.
11. EL RECOCIDO
Durante el procesado y fabricación de metales y aleaciones,
algunas veces es necesario tratar térmicamente al metal
trabajado en frío para ablandarlo y de esta manera aumentar su
ductilidad. Si la temperatura de tratamiento (tratamiento
térmico de recocido) es lo bastante elevada durante un intervalo
de tiempo suficiente, la estructura del metal trabajado en frío
pasará a través de una serie de cambios o etapas denominadas:
1. recuperación,
2. recristalización y
3. crecimiento de grano.
12. ETAPA DE RECUPERACIÓN
(Poligonización o Recocido de alivio de esfuerzos)
• La microestructura de un material trabajado en frío, tiene granos deformados que
contienen un gran número de dislocaciones.
• Cuando un metal fuertemente deformado se calienta en el rango de temperatura de
recuperación (justo debajo de la temperatura de recristalización) se relajan las
tensiones internas del metal, y la energía térmica adicional permite que las
dislocaciones se muevan y formen los límites de una estructura subgranular
poligonizada con límites de grano de ángulo pequeño, sin que la cantidad de
dislocaciones haya cambiado.
• Durante la recuperación, se suministra suficiente energía térmica como para permitir
el reordenamiento de las dislocaciones en configuraciones de menor energía.
Durante este proceso se reducen los esfuerzos internos o residuales (por el
reordenamiento de las dislocaciones).
• Las propiedades mecánicas del metal permanecen relativamente sin cambiar ya que
no se reduce el número de dislocaciones.
• También restaura la alta conductividad eléctrica de los metales (se pueden tener
alambres de cobre o aluminio resistentes y con alta conductividad eléctrica).
• También mejora la resistencia a la corrosión del material.
13. ETAPA DE RECRISTALIZACIÓN
• La Recristalización es la etapa o proceso de formación de nuevos
granos por tratamiento térmico a un material trabajado en frío.
• Después de la etapa de recuperación, al material se le somete
durante un determinado tiempo a la temperatura de
recristalización.
• La temperatura de recristalización es una temperatura a la cual los
granos en la microestructura endurecida por trabajo en frío
comienzan a transformarse en granos equiaxiales nuevos cuya
cantidad de dislocaciones ha sido reducida en gran medida, con lo
cual el metal se ve reducida su resistencia y aumentada su
ductilidad.
Granos equiaxiales su crecimiento ha sido igual en todas las
direcciones.
Granos columnares su crecimiento se ha dado en una dirección,
presentan una estructura de columnas paralelas de granos gruesos
14. ETAPA DE RECRISTALIZACIÓN
• La temperatura de recristalización no es fija para un determinado
material, sino que depende de varias variables como:
A mayor cantidad de trabajo en frío, menor será la temperatura de
recistalización. (A mayor trabajo en frío, el metal es menos estable y
se propicia más fácilmente la nucleación de los granos
recristalizados). Debe haber un mínimo de trabajo en frío entre 30 a
40% para que exista la recristalización.
Los Metales puros requieren de una menor temperatura de
recristalización que las aleaciones.
A mayor tiempo del tratamiento de recocido, se requiere menor
temperatura de recristalización.
15. • La temperatura de recristalización es una temperatura crítica ya que define el
límite entre el trabajo en frío y el trabajo en caliente, esto es:
• Si para deformar un material se trabaja bajo la temperatura de
recristalización se denomina TRABAJO EN FRÍO.
• Si para deformar un material se trabaja sobre la temperatura de
recristalización se denomina TRABAJO EN CALIENTE.
- 4 ⁰C
- 4 ⁰C
10 ⁰C
16. ETAPA DE CRECIMIENTO DE GRANOS
• Si la temperatura del tratamiento térmico es lo suficientemente alta, los
nuevos granos (formados previamente) comenzarán a crecer abarcando o
eliminando a los granos más pequeños. En esta etapa se lleva a cabo la
reducción del área de los límites de los granos.
• El crecimiento de granos ocurrirá en la mayoría de los materiales si se
sujetan a una temperatura lo suficientemente alta haya o no sido deformado
el material o se haya o no dado la recristalización y la recuperación como
etapas anteriores.
• El tamaño de grano tiene repercusiones directas en las propiedades de un
metal. Los metales con tamaño de grano fino (pequeño) son más resistentes
y tienen propiedades más uniformes. Los metales nano cristalinos (tamaño
de grano en el intervalo nano) tienen resistencia y dureza ultra altas.
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20. Procesamiento de materiales aprovechando las ventajas del Recocido.
• Podemos tomar ventaja de los efectos del recocido para
incrementar la cantidad total de deformación en un metal.
• Si se tiene inicialmente un metal con un espesor bastante grande y
se desea reducirlo hasta un valor bastante pequeño, puede
realizarse en una primera etapa el trabajo en frío hasta el máximo
permisible, luego someter al metal deformado al tratamiento de
recocido para restaurar la resistencia y ductilidad del metal y en
otra etapa volverlo a deforma mediante trabajo en frío. Lo cual se
puede repetir hasta llegar al espesor deseado.
21. Ejemplo:
Se desea producir una tira de cobre de 0.1 cm de grosor y 6 cm de ancho que tenga al
menos una resistencia a la fluencia de 60000 psi y al menos una elongación del 5%. En
el mercado sólo se pueden adquirir tiras de 6 cm de ancho en un grosor de 5 cm.
Diseñe un proceso que de como resultado el producto que se necesita.
22. TRABAJO EN CALIENTE
El trabajo en caliente se define como la deformación plástica de un metal a una
temperatura por encima de la temperatura de recristalización. Con lo cual, a medida
que el material se deforma plásticamente, también se recistaliza continuamente.
Efecto del rolado en caliente sobre la
estructura del grano.
Fuente:
http://www.reocities.com/CollegePark/Den/1108/la
minado/laminado02.html.
23. Características del trabajo en caliente:
• No se produce endurecimiento mientras el metal es deformado.
• La cantidad de deformación plástica es casi ilimitada.
• Es muy adecuado para la formación de piezas grandes.
• Algunas imperfecciones en el material metálico original pueden eliminarse o
reducir sus efectos, por ejemplo: los poros gaseosos pueden cerrarse.
• Las propiedades finales en las piezas trabajadas en caliente no son
isotrópicas las superficies de la pieza suelen enfriarse más rápido que su
parte central, encontrando granos de tamaño más fino en las superficies
que en el centro.
• El acabado superficial durante el trabajo en caliente suele ser más deficiente
que el obtenido por trabajo en frío.
• La precisión dimensional es difícil de controlar durante el trabajo en
caliente. Video
24. RESUMEN
• Cuando un metal se deforma plásticamente mediante conformado en frío, el
metal se endurece por deformación aumenta su resistencia y disminuye su
ductilidad.
• El trabajo en frío afecta la ductilidad (la reduce), la conductividad eléctrica (la
reduce) y la resistencia a la corrosión (la reduce).
• El endurecimiento por deformación puede reducirse mediante un tratamiento
térmico conocido como “recocido”.
• Cuando el metal se endurece por deformación y se calienta lentamente a una
temperatura alta por debajo de su temperatura de fusión, ocurren los procesos
de recuperación, de recristalización y de crecimiento de grano el metal se
suaviza.
• Al combinar el endurecimiento por deformación y el recocido pueden lograrse
reducciones de grandes espesores de cortes de metal sin fracturas.
Al deformar algunos metales a alta temperatura y
reducir las velocidades de carga, es posible alcanzar la
superplasticidad deformación del orden de 1 000 a
2 000% (el tamaño de grano debe ser ultrafino).
