INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS METALES

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1 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS METALES Los aspectos más importantes en el comportamiento mecánico de los metales son: 1. La ductilidad, que es la propiedad de soportar grandes deformaciones plásticas para producir piezas útiles, 2. La resistencia mecánica, que es responsable de que los metales soporten grandes esfuerzos sin romperse. Ambas propiedades son fuertemente dependientes de la temperatura a la cual se realiza la prueba. En general la resistencia disminuye y la ductilidad se incrementa al aumentar la temperatura de prueba, Fig. 1. Fig. 1. Influencia de la temperatura en el comportamiento de acero al carbón. [1] La Fig. 2 muestra la variación de la resistencia a la tracción de varios metales y aleaciones en función de la temperatura. Resistencia a la tracción, Temperatura, F Fig. 2. Influencia de la temperatura en la resistencia a la tracción de diferentes metales y aleaciones. [2] Al incrementarse la temperatura se produce generación de nuevos sistemas de deslizamiento y la operación de otros mecanismos de deformación como el deslizamiento de bordes de grano a altas temperaturas, que disminuyen el endurecimiento por deformación. El esfuerzo de fluencia del Al-3.2% Mg (estructura cúbica centrada en las caras) disminuye ligeramente de -200 a -100 C, posteriormente muestra un rango de estabilidad hasta aproximadamente 150 C y después disminuye continuamente 1

2 hasta la temperatura de fusión. La ductilidad disminuye hasta un mínimo, después se incrementa, justo antes del punto de fusión presenta una pérdida abrupta de ductilidad por la fusión local de regiones con impurezas, generalmente límites de grano, ésto se conoce como Hot shortness o Fragilidad en caliente, Fig. 3. Fig. 3. Efecto de la temperatura en el límite elástico y la ductilidad para una aleación de Al-3.2% Mg. [3] Fig. 4. Ductilidad y resistencia a la tracción en función de la temperatura de un acero al carbón. [2] La ductilidad de un acero de bajo carbón en función de la temperatura se muestra en la Fig. 4. Por debajo de la temperatura ambiente, se observa una región de muy baja ductilidad, debido a la transición dúctil-frágil que se presenta de -250 a -150 C dependiendo de la composición, tamaño de grano y método de prueba. De 150 a 300 C la ductilidad cae por la fragilidad en azul o anclamiento de las dislocaciones por átomos de carbón, nitrógeno, etc.; se observa una estructura celular diferente que generalmente tiene muy alta densidad de dislocaciones enmarañadas. Después se incrementa la ductilidad con la temperatura pero, cuando el hierro BCC se transforma a FCC, disminuye la ductilidad y se incrementa la resistencia, debido a la falta de movilidad de los átomos de hierro al formar la estructura FCC y a la disminución del número de sistemas de deslizamiento, de 48 (BCC) a 12 (FCC). Cuando el hierro FCC se transforma a hierro delta, se invierte la situación y la ductilidad aumenta. Fig. 5 Efecto de la temperatura en el esfuerzo de - Fig. 6. Efecto de la temperatura en Ta, la 2

3 reducción fluencia de los metales: BCC W, Mo, Fe y Ni FCC. de área de Ta, W, Mo, Fe y Ni. En la Fig. 3 se muestra la variación del esfuerzo de fluencia con la temperatura para los metales BCC: tantalio, tungsteno, molibdeno y hierro y para el FCC: níquel. En la Fig. 4 se presenta la influencia de la temperatura en la reducción del área de los mismos metales. Note que el W es frágil a 100ºC el Fe a -225ºC y que el Ni disminuye muy poco su ductilidad sobre todo el rango de temperaturas. En los metales cúbicos centrados en las caras las opiniones no son concordantes. Dieter [1] dice que el esfuerzo de fluencia no es fuertemente dependiente de la temperatura pero el coeficiente de endurecimiento por deformación disminuye al aumentar la temperatura. Esto resulta en un aplanamiento de la curva tensión-deformación con el incremento de temperatura y, entonces, la resistencia a la tracción es más dependiente de la temperatura que el esfuerzo de fluencia Prácticamente todos los metales y aleaciones muestran una región de temperatura intermedia de ductilídad mínima. Para las aleaciones base níquel, Fig. 7, se presenta por debajo de la temperatura de recristalización. Al aumentar la temperatura, después de la recristalización, se incrementa la ductilidad. Fig. 7. Efecto de la temperatura en el porcentaje de alargamiento del níquel y sus aleaciones. [3] TEMPERATURA HOMÓLOGA Para comparar las propiedades mecánicas de diferentes materiales a varias temperaturas se utiliza la temperatura homóloga, que relaciona la temperatura de prueba con la de fusión, ambas expresadas en grados Kelvin. Tde prueba º K TH = ; T (1) º K fusión Cuando se comparen los esfuerzos de fluencia de dos materiales a una temperatura homóloga equivalente, es recomendable corregir el efecto de la temperatura en el módulo de Young comparando relaciones de σle en vez de relaciones simples de esfuerzos de fluencia. RANGOS DE TEMPERATURAS EN LA DEFORMACIÓN No existe una ecuación del tipo: e p = f(σ o, T, t estructura). Sin embargo, es posible describir cualitativamente el comportamiento de los metales de acuerdo a los mecanismos de endurecimiento o 3

4 ablandamiento que puedan actuar a diferentes temperaturas. Se pueden definir los rangos de temperaturas en el comportamiento mecánico como: T. HOMÓLOGA CARACTERÍSTICAS Fragilidad a baja temperatura Temperatura de transición Deformación en frío 0.4 Temperatura de recristalización Deformación en tibio 0.7-~0.9 Deformación en caliente 1 Fusión del metal Para el conformado de metales los rangos de deformación interesantes son en frío y caliente. FRAGILIDAD A BAJA TEMPERATURA Los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta presentan casi siempre una transición abrupta en su comportamiento mecánico. Por encima de un cierto rango de temperaturas son dúctiles y frágiles a temperaturas inferiores. Se presenta lo que se denomina temperatura de transición dúctil-frágil. Esta temperatura oscila entre 0.1 y 0.2 T H. En la Fig. 2 se muestra uno de los 2751 barcos Liberty (usados durante la segunda guerra mundial) que se fracturó estando anclado en un muelle. Fig. 8. Fractura del barco Schenectady, de la serie Liberty, que se fracturó en 1941 estando anclado. La transición dúctil frágil es marcada en los metales y aleaciones que presentan un punto de fluencia agudo, sobre todo en aquellos en que el punto de fluencia aumenta a medida que disminuye la temperatura. En una aleación dada, la temperatura de transición suele variar con la velocidad de deformación y con el tamaño de grano. Si la pieza presenta un entalle, la temperatura a la que se produce la transición es mayor. Por eso los ensayos de impacto utilizan probetas entalladas, para reproducir las peores condiciones de servicio. La transición dúctil-frágil no tiene importancia para el conformado de metales pero si para aplicaciones estructurales, cuando las temperaturas de servicio estén por debajo de la temperatura de 4

5 transición. DEFORMACIÓN EN FRÍO La deformación en frío se produce cuando el material endurece progresivamente a medida que aumenta la deformación plástica, esto implica que no se presentan fenómenos de recuperación ni recristalización. El rango de trabajo en frío está limitado entre las temperaturas de transición dúctilfrágil y de recristalización. El concepto de deformación en frío no está relacionado con la temperatura de trabajado. Por ejemplo, el plomo funde a 326ºC (599ºK) y su temperatura de recristalización es la ambiente o aún inferior, según la pureza del metal. Por otra parte, el tungsteno funde a 3410ºC (3683 ºK) y recristaliza a 1100ºC. Por lo anteior, el plomo se trabaja en caliente a temperatura ambiente mientras que el tungsteno en frío a C. El trabajo en frío tiene los siguientes inconvenientes: 1. La resistencia que presenta el metal a ser deformado es, por lo común, elevada y aumenta durante el proceso debido al endurecimiento por deformación. 2. La ductilidad, en general, es reducida, por lo que no se pueden alcanzar grandes deformaciones plásticas sin recurrir a recocidos intermedios. Las ventajas que presenta la deformación en frío son: 1. No se requiere energía para el calentamiento del metal, 2. No hay pérdidas de material por oxidación, 3. Se obtienen buenas tolerancias dimensionales, 4. El acabado superficial de las piezas es excelente, 5. Se puede endurecer al metal por deformación plástica para mejorar su resistencia en servicio. En este tipo de deformación se generan dislocaciones que interactúan entre sí y con otras barreras (precipitados, bordes de grano, etc.) para producir endurecimiento por deformación. Así, un metal recocido contiene de 10 6 a 10 8 dislocaciones por centímetro cuadrado, mientras que un metal sevemente deformado (Dieter, [6]). Como las dislocaciones representan una distorsión de la red cristalina, entonces el incremento en la densidad de dislocaciones aumenta la energía de deformación del metal (Reed-Hill, [7]). Este incremento en la densidad de dislocaciones produce un aumento en el esfuerzo requerido para deformar al metal, lo cual se observa en la curva esfuerzo-deformación obtenida por una prueba tensil y generalmente se representa, con limitaciones, por la ecuación de Hollomon. Fig. 9. Variación de las propiedades mecánicas en función de la reducción en frío. (Dieter La mayor parte de la energía utilizada en la deformación en frío de un metal se disipa como calor y el resto se almacena como defectos cristalinos, Humphreys y Hatherly [8]. La Fig. 9 indica como varían algunas propiedades mecánicas con el incremento de la deformación en frío. 5

6 Durante la deformación plástica el volumen permanece constante. Para producir el alargamiento de un material en la deformación en frío, los granos se deben alargar en la dirección deseada y, correspondientemente, reducir en las direcciones transversales; esto ocasiona un gran incremento en el área de borde del grano. En la Fig. 10 se presenta la microestructura de un acero 1008 con diferentes grados de deformación. 10% Reducción, 1000X 50% Reducción, 1000X 80% Reducción 1000X Fig. 10. Acero AISI 1008 con varios grados de deformación. Nital 4%. Metals Handbook [9], Vol. 7. DEFORMACIÓN EN CALIENTE Se deforma en caliente un material cuando se produce recuperación y recristalización simultáneamente con la deformación. El rango de trabajado en caliente está comprendido entre la temperatura de recristalización y la de fusión del metal. Como el metal no endurece durante el proceso, tampoco se fragiliza, por lo que la ductilidad es prácticamente ilimitada. La elevada ductilidad y ausencia de endurecimiento por deformación se debe a que la temperatura permite una mayor difusión de vacancias e intersticiales y al trepado de dislocaciones, lo que conduce a la recristalización del metal. Los procesos de trabajado en caliente son muy comunes como operaciones primarias o de desbaste. Las ventajas del trabajado en caliente son: a) El metal presenta menor resistencia a la deformación y, por ende, se requiere menor potencia necesaria para deformar, b) Una ductilidad prácticamente ilimitada en el metal, c) Posibilidad de mejorar la estructura afinando el tamaño de grano, d) Homogeneización química. Entre las desventajas están: a) Son necesarias instalaciones complementarias para el calentamiento de las piezas, b) Las altas temperaturas favorecen las reacciones del metal con el medio ambiente, por lo que las oxidaciones son importantes. Ello involucra la posibilidad de defectos superficiales y pérdidas de material. En los aceros estas pérdidas oscilan entre el 2 y el 3%. La mayor parte de las operaciones en caliente se efectúan en una serie de pasadas o etapas. En general, se mantiene la temperatura de trabajo en las pasadas intermedias bastante por encima de la mínima a efecto de aprovechar la menor resistencia ofrecida por los metales. Esto podría dar lugar a un crecimiento de grano excesivo durante la recristalización, por lo que es práctica común bajar la temperatura de la última pasada hasta un valor tal que el crecimiento de grano sea mínimo. Se 6

7 recomiendan reducciones severas en este paso, con el mismo objeto de obtener grano fino en la pieza. Quemado El rango de conformado en caliente está limitado por la temperatura de fusión del metal. Esta temperatura puede ser diferente a la establecida en los diagramas de fase debido a que las aleaciones comerciales son solidificadas en condiciones industriales. Se pueden presentar las siguientes características: a) Segregación en la solidificación (coring), por lo que pueden haber zonas del material cuya temperatura de fusión está por debajo de la establecida para la composición media. Puede haber en alguno casos, zonas con composición eutéctica donde, según el diagrama, no debiera haberlas. b) Presencia de impurezas de punto de fusión inferior al de la aleación base. Para evitar el quemado, normalmente se trabaja de 50 a 100ºC por debajo de la temperatura de solidus. FRAGILIDAD EN CALIENTE Muchos metales y aleaciones no pueden ser trabajados en caliente porque presentan una marcada tendencia a agrietarse y romperse en este rango de temperaturas. Este comportamiento se conoce como fragilidad en caliente (hot shortness), también es importante en piezas fundidas porque puede producir agrietamientos durante la solidificación. Las causas que producen fragilidad en caliente se pueden clasificar en: a) Componentes estructurales de bajo punto de fusión (eutécticos) o impurezas (Pb en aceros o latones) que funden a temperaturas cercanas a la de recristalización del metal base. b) Precipitación de constituyentes duros y frágiles a partir de soluciones sólidas. Esto implica que las temperaturas en que aparecen estos precipitados no pueden usarse para procesos de deformación plástica. En ambos casos interesa la morfología de las fases fusibles o frágiles. Estas pueden aparecer como partículas aisladas o como redes continuas en el borde de grano. Esta disposición esta gobernada por las tensiones superficiales entre las partículas de segunda fase y la matriz, que determinan el ángulo de formación de partículas dispersas. Un ángulo de contacto nulo da lugar a una película de segunda fase que rodea completamente a los granos de la matriz. Fig. 11. Figura 11. La forma de una segunda fase para tres ángulos diedros diferentes en un límite de grano y un borde de grano. D. Verhoeven. Para corregir este problema se ha tratado de agregar elementos aleantes que faciliten la 7

8 formación de partículas dispersas al actuar sobre la tensión superficial de las fases dispersas. A continuación se mencionan algunos ejemplos: a) Las inclusiones de azufre en los aceros producen fragilidad en caliente por la presencia de un eutéctico de bajo punto de fusión formado por Fe - FeS. Para evitarlo se agrega manganeso en una cantidad, por lo menos, cinco veces mayor a la del azufre presente. b) Cantidades muy pequeñas, comprendidas entre 0.01 y 0.001% de bismuto y de plomo en cobre, producen fragilidad en caliente. El efecto del bismuto se corrige con el agregado de oxígeno. Se forma así una inclusión inofensiva de óxido. c) Algunos aceros inoxidables, conteniendo hasta 0.2% C como impureza, pueden precipitar un carburo complejo en un rango de temperaturas entre 550 y 800ºC. d) En la laminación de aleaciones fuertemente segregadas en una zona central se puede producir un tipo de fracture característica conocida como "efecto cocodrilo. BIBLIOGRAFÍA 1. Dieter, G. E: Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Company, London, Ductility, Papers presented at a seminal of the American Society for Metals. October 14 and 15, Capítulo 1, Dieter, G., p Iurman L., Saenz López A. y Martínez Vidal C., Apuntes del Curso Panamericano de Metalurgia, Metals Handbook [9], Vol Verhoeven, J. D. Fundamentals of Physical Metallurgy, John Wiley & Sons ISBN-13: