Tema 11 Endurecimiento por deformación plástica en frío. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano.

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1 Tema 11 Endurecimiento por deformación plástica en frío. Recuperación, Recristalización y Crecimiento del grano. El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en frío, debido a que la deformación se da a una temperatura fría relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal. En los diagramas se muestra la variación de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tensión para el acero 1040, el bronce y el cobre. Esta variación se ha medido en función del porcentaje de trabajo en frío, el cual se define de la siguiente manera: Porcentaje de trabajo en frío = A 0 A A 0 d x100 donde: A 0 es el área transversal del material antes de la deformación A d es el área transversal del material después de ser deformado Note que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en frío, sin embargo la ductilidad del material disminuye tal como se muestra en el siguiente gráfico. 99

2 El fenómeno de endurecimiento por deformación se explica así: 1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina. 2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. 3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en número. 4. Al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento. 5. Al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido. Este fenómeno se refleja en la curva esfuerzo deformación unitaria del material. Un material perfectamente plástico tiene una zona plástica horizontal, tal como se ilustra a continuación: σy σ ε En este material teórico, la deformación plástica se da a esfuerzo constante, tal como se ilustra. 100

3 σ ε En los metales reales, la curva esfuerzo deformación tiene la siguiente tendencia: El endurecimiento por deformación se refleja en la curva del metal de la siguiente forma: 101

4 Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plásticamente. Esa habilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformanción (n). Entre mayor es n para un metal, más se endurece al ser deformado plásticamente. Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura del metal. La estructura cristalina del metal tiene un número normal 102

5 de dislocaciones. La deformación plástica ha causado que hayan más dislocaciones que ese número normal, por lo que la estructura cristalina tenderá a hacer desaparecer a las dislocaciones extra. Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusión atómica, las dislocaciones extra desaparecerán del material, haciendo que éste recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser deformado. Sabemos que la difusión se activa a una temperatura mayor que 0.4 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos, por lo tanto se tendrá lo siguiente: 0.4 Tm Trabajo en frío Trabajo en caliente Existe endurecimiento por deformación. Se crean dislocaciones y éstas quedan en el material. El material endurece No existe endurecimiento por deformación. Se crean dislocaciones pero éstas desaparecen por difusión. El material no endurece. El trabajo en frío no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura del metal, sino que también causa la deformación de sus granos. La combinación de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa esfuerzos residuales dentro del material. Los esfuerzos residuales no son más que zonas de tensión o compresión que existen dentro del material sin que sean generadas por fuerzas externas. Los esfuerzos residuales pueden causar el debilitamiento del material, haciendo que falle a esfuerzos aplicados menores a su resistencia nominal. El aumento de las dislocaciones y la deformación de los granos de la estructura cristalina puede causar cambios en las propiedades eléctricas y la resistencia a la corrosión del metal. Todos los cambios asociados a la deformación plástica en frío pueden ser revertidos utilizando el tratamiento térmico apropiado. La restauración de las propiedades a los valores previos a la deformación se logra a partir de dos procesos diferentes que ocurren a temperatura elevada: La recuperación y recristalización. El crecimiento del grano. Recuperación. Durante la recuperación, alguna de la energía interna guardada en la deformación de la estructura cristalina es liberada a causa del movimiento de las dislocaciones (las cuales se mueven sin esfuerzos externos aplicados) como resultado de la difusión atómica. Existe alguna reducción en el número de 103

6 dislocaciones y la configuración de éstas cambian de modo que poseen bajas energías de deformación. Además, algunas propiedades físicas como la conductividad eléctrica y térmica se recuperan a los valores previos a la deformación. Recristalización. Aún cuando la recuperación ha sido completada, los granos de la estructura cristalina todavía se encuentran en un estado de elevada energía de deformación. La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos libres de deformación con baja densidad de dislocaciones y característicos de la condición previa al trabajo en frío. La fuerza que produce esta nueva estructura de granos es la diferencia en la energía interna entre el material deformado y no deformado. Los granos nuevos se forman de un núcleo pequeño y crecen hasta que reemplazan completamente a los granos deformados originales, proceso que requiere difusión de corto alcance. Durante la recristalización, las propiedades mecánicas que fueron cambiadas como resultado del trabajo en frío son restauradas a sus valores previos a la deformación plástica, es decir, el metal se vuelve más suave, más débil y más dúctil. La recristalización es un proceso cuya extensión depende tanto del tiempo como de la temperatura a la que son expuestos el material. El grado o fracción de recristalización aumenta con el tiempo al que el material está expuesto a la temperatura elevada. La recristalización de una aleación metálica en particular algunas veces se especifica en términos de la temperatura de recristalización, la cual se define como la temperatura a la cual el proceso de recristalización finaliza en 1 hora. Generalmente la temperatura de recristalización se encuentra entre un tercio y la mitad de la temperatura de fusión absoluta del metal o aleación, y depende de varios factores incluidos la cantidad de trabajo en frío y la pureza de la aleación. La recristalización ocurre más rápido en los metales puros que en las aleaciones, por lo tanto, al alear un metal se incrementa su temperatura de recristalización. Las operaciones de deformación plástica pueden realizarse a temperaturas por encima de la temperatura de recristalización en un proceso llamado trabajo en caliente. El material permanece relativamente suave y dúctil durante la deformación y por lo tanto pueden lograrse deformaciones plásticas grandes. Crecimiento del grano. Después que la recristalización se ha completado, los granos libres de deformación continuarán creciendo si el metal se mantiene a la temperatura elevada. Este fenómeno es llamado crecimiento del grano. El fenómeno del crecimiento del grano ocurre debido a que a medida el grano crece, disminuye el área total de las fronteras de los granos, disminuyendo por tanto la energía total almacenada en el material. 104

7 PROBLEMAS (1) Una barra de metal de pulgadas de diámetro con una longitud calibrada de 2 pulgadas se sujeta a un ensayo en tensión. Se efectúan las siguientes mediciones: Fuerza (lb) Longitud calibrada (pulg) Diámetro (pulg) 25, , , Determine el coeficiente de endurecimiento por deformación del metal. (2) Una placa de cobre de 0.25 pulgadas de espesor debe trabajarse en frío un 63%. Determine el espesor final de la placa. (3) Una barra de cobre de 0.25 pulgadas de diámetro debe ser trabajada en frío un 63%. Determine su diámetro final. (4) Una varilla de cobre de 2 pulgadas de diámetro se reduce a un diámetro de 1.5 pulgadas, y posteriormente se reduce de nuevo a un diámetro final de 1 pulgada. En un segundo caso, la varilla de 2 pulgadas de diámetro se reduce en un solo paso a 1 pulgada de diámetro. Calcule en ambos casos el porcentaje de trabajo en frío. (5) Una placa de aluminio previamente trabajada en frío 20% tiene 2 pulgadas de espesor. Entonces, se trabaja la placa adicionalmente en frío hasta llegar a 1.3 pulgadas. Calcule el porcentaje total de trabajo en frío. 105

8 (6) Se obtuvieron los siguientes datos al recocer un metal trabajado en frío. Temperatura de recocido (ºC) Conductividad eléctrica (ohms -1 cm -1 ) Límite elástico (MPa) Tamaño de grano (mm) x x x x x x x x a) Estime las temperaturas de recuperación, recristalización y de crecimiento del grano. b) Recomiende una temperatura adecuada para un tratamiento térmico de relevado de esfuerzos. c) Recomiende una temperatura adecuada para un proceso de trabajo en caliente. d) Estime la temperatura de fusión de la aleación. (7) Se requiere seleccionar un metal que haya sido trabajada en frío, y que tenga al menos 300 MPa de resistencia a la fluencia y al mismo tiempo un mínimo de 30 %EL. Utilizando los gráficos que se muestran a continuación, seleccione entre acero 1040, brass (latón), y cobre. Justifique su selección así como también justifique por qué rechaza al resto de metales. 106

9 (8) Se desea que una placa de latón Cu-30% Zn, originalmente de un espesor de 1.20 pulgadas, tenga un límite elástico superior a 50,000 psi y un porcentaje de elongación de por lo menos 15%. La geometría final de la placa será obtenida por medio de trabajo en frío. Qué rango de espesores finales es posible 107

10 obtener bajo las condiciones dadas? El efecto del porcentaje de trabajo en frío sobre las propiedades del latón Cu-30% Zn se muestran a continuación. (9) Para el problema anterior, encuentre la resistencia a la tensión, el límite elástico, y el porcentaje de elongación si el espesor de la barra se reduce desde 1.20 pulgadas hasta 0.85 pulgadas por medio de trabajo en caliente? Justifique su respuesta. 108

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