PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN COBRE PURO LAMINADO EN CALIENTE

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1 UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN COBRE PURO LAMINADO EN CALIENTE Por Gianmichele Azzarone Ciuffreda PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito Parcial para optar al titulo de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Enero de 2006

2 UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN COBRE PURO LAMINADO EN CALIENTE Por Gianmichele Azzarone Ciuffreda Realizado con la Asesoría de Mary Torres, Tutor Académico PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito Parcial para optar al titulo de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Enero de 2006

3 UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN COBRE PURO LAMINADO EN CALIENTE Proyecto de Grado presentado por: Gianmichele Azzarone Ciuffreda RESUMEN El objetivo principal del presente trabajo consiste en determinar la influencia de las variables: grado de deformación, temperatura y velocidad del proceso de laminación sobre las propiedades mecánicas a tracción de un cobre puro electrolítico. El proceso de laminación se realizó a temperaturas desde 500 C hasta 800 C en intervalos de 100 C, tasas de deformación de 1, 8 y 10 s -1, y deformaciones efectivas de 0,1807 y 0,2995. Se obtuvo que los porcentajes de reducción de área y la deformación a fractura aumentan con la temperatura y la tasa de deformación, mientras que la resistencia a la fluencia, la resistencia máxima y la resistencia a la fractura disminuyen con las mismas. Además, se verifica que a medida que se aumenta la deformación del material, la resistencia a la fluencia, la resistencia máxima y la resistencia a la fractura aumentan, mientras que los porcentajes de reducción de área y la deformación a fractura disminuyen. Sartenejas, Enero de 2006

4 AGRADECIMIENTOS A mis padres por todo el amor y comprensión que me han brindado durante toda mi vida. Mis logros se los debo a ustedes. A mis hermanas por el gran apoyo que siempre me han dado. Ustedes son gran parte de mi vida, siempre brindándome alegrías cuando uno más lo necesita. A mi cuñado Nelson Ramírez y a su familia, por estar siempre pendiente de mi persona y de mi trabajo de tesis. A mi tutora, la Profesora Mary Torres, por su apoyo incondicional, tiempo y mucha paciencia. Es una gran amiga. investigación. A Claudia Rojas, por toda su cooperación, amistad y paciencia durante toda la A Carlos García, por toda su ayuda y amistad durante toda la investigación. A toda la división del Laboratorio de Máquinas y Herramientas (Laboratorio E de la USB), por su gran colaboración a lo largo de todo el proyecto, destacando del mismo al Señor Zapata y a los técnicos Henry López y Marcos González. A todos mis amigos por hacerme muy agradable la vida en la Universidad. A todos ustedes... Gracias.

5 i ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL... i ÍNDICE DE TABLAS... iii ÍNDICE DE FIGURAS... iv LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS... vii CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS Objetivo Principal Objetivos Específicos... 3 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Cobre Origen y Características Distribución de los Yacimientos Usos industriales Principales aleaciones de cobre Tratamientos Térmicos Normalizado Variables del Normalizado Propósitos del Normalizado Procesos de deformación plástica Laminación Deformación en caliente Ensayos de Tracción Puntos característicos observados en un ensayo de tracción Propiedades mecánicas que se obtienen en Ensayo de Tracción Curva Esfuerzo Nominal o Ingenieril vs. Deformación Nominal o Ingenieril Curva Esfuerzo Real o Verdadero vs. Deformación Real o Verdadera... 22

6 ii Porcentaje de Elongación y Porcentaje de Reducción de Área CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Análisis Químico Geometría y Nomenclatura de pletinas Tratamiento Térmico de Normalizado Laminación en caliente Ensayo de Tracción CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Condición inicial del cobre Laminación en caliente Ensayo de tracción Probetas originales Propiedades mecánicas Resistencia a la Fluencia Resistencia Máxima Resistencia a la Fractura Esfuerzo de Fractura Deformación a Fractura Reducción de área CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES CAPÍTULO 7. RECOMENDACIONES CAPÍTULO 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÉNDICE A. CONDUCCIÓN TRANSITORIA APÉNDICE B. CÁLCULOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR APÉNDICE C. DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO... 80

7 iii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1 Condiciones de estudio de la laminación en caliente Tabla 4.2 Composición química del cobre empleado Tabla 5.1 Deformaciones promedios de las pletinas en sus 3 direcciones principales Tabla 5.2 Tabla 5.3 Tabla 5.4 Tabla 5.5 Tabla 5.6 Tabla 5.7 Tabla 5.8 Tabla 5.9 Tabla 5.10 Tabla 5.11 Tabla A.1 Valores promedios de deformación efectiva para los dos trabajos suministrados por la laminación a las pletinas de cobre Valores promedios del %W realizado en el proceso de laminación en caliente Tasas de deformación promedio obtenidos en el proceso de laminación en caliente Valores experimentales promedios de σ o y m del cobre empleado para las probetas de control, probetas normalizadas y probetas en estado de entrega Valores experimentales promedios de la resistencia a la fluencia del cobre laminado en caliente Valores experimentales promedios de la resistencia máxima del cobre laminado en caliente Valores experimentales promedios de la resistencia a la fractura del cobre laminado en caliente Valores experimentales promedios del esfuerzo de fractura del cobre laminado en caliente Valores experimentales promedios de la deformación a la fractura del cobre laminado en caliente Valores experimentales promedios del porcentaje de reducción de área del cobre laminado en caliente Volumen, Área superficial y Longitud característica para geometrías conocidas... 78

8 iv ÍNDICE DE FIGURAS Figura 3.1 Influencia de la laminación en caliente sobre la estructura cristalina Figura 3.2 Morfología de las curvas de fluencia a altas temperaturas Figura 3.3 Probeta al inicio, en carga máxima y en la ruptura durante un Ensayo de Tracción Figura 3.4 Gráfico F vs. L obtenido de un Ensayo de Tracción a un acero dúctil, donde están marcados puntos característicos de la curva Figura 3.5 Gráfico F vs. L de un Ensayo de Tracción que muestra comportamiento de un material dúctil y de un material frágil Figura 4.1 Ejemplo de Nomenclatura en Pletina 2ADE Figura 4.2 Ilustración de colocación de una pletina en bandeja de acero Figura 4.3 Esquema de la disposición de las resistencias en el Horno eléctrico Thermolyne Figura 4.4 Termómetro del Horno eléctrico Thermolyne Figura 4.5 Termómetro digital con cable de acoplamiento a termocupla tipo K Figura 4.6 Panel de Control de la laminadora Figura 4.7 Laminadora marca Stanat (vista lateral) Figura 4.8 Laminadora encendida con rodillos calientes y bien aceitados Figura 4.9 Laminadora con guía centrada instalada Figura 4.10 Horno abierto con refractarios colocados... 33

9 v Figura 4.11 Vista lejana del horno cerrado Figura 4.12 Disposición de las pletinas dentro del horno Figura 4.13 Comparación de pletinas al ser laminadas y templadas Figura 4.14 Mapa de distribución en experimentación de laminación en caliente Figura 4.15 Dibujo esquemático de las probetas de tensión utilizadas Figura 4.16 Máquina de Ensayo de Tracción Figura 4.17 Computador acoplado a la máquina de Ensayo de Tracción Figura 4.18 Mordazas utilizadas y acopladas a Máquina de Ensayo de Tracción Figura 4.19 Pantalla del programa del computador Figura 4.20 Extensómetro montado en la probeta y máquina Figura 4.21 Extensómetro montado en la probeta y máquina (Vista Lateral) Figura 4.22 Probeta fracturada con el extensómetro acoplado (Vista Lateral) Figura 4.23 Probeta antes y después de la fractura Figura 5.1 Fotomicrografía de cobre electrolítico en estado de entrega Figura 5.2 Fotomicrografía de cobre electrolítico con tratamiento térmico de normalizado... 44

10 vi Figura 5.3 Tendencia de los valores experimentales promedios de la resistencia a la fluencia con respecto a la temperatura Figura 5.4 Gráfico comparativo del comportamiento de la resistencia a la fluencia bajo la deformación efectiva de 0,1807 a diferentes temperaturas Figura 5.5 Gráfico comparativo del comportamiento de la resistencia a la fluencia bajo la deformación efectiva de 0,2995 a diferentes temperaturas Figura 5.6 Tendencia de los valores experimentales promedios de la resistencia máxima con respecto a la temperatura Figura 5.7 Gráfico comparativo del comportamiento de la resistencia máxima bajo la deformación efectiva de 0,1807 a diferentes temperaturas Figura 5.8 Gráfico comparativo del comportamiento de la resistencia máxima bajo la deformación efectiva de 0,2995 a diferentes temperaturas Figura 5.9 Tendencia de los valores experimentales promedios de la resistencia a la fractura con respecto a la temperatura Figura 5.10 Gráfico comparativo del comportamiento de la resistencia a la fractura bajo la deformación efectiva de 0,1807 a diferentes temperaturas Figura 5.11 Gráfico comparativo del comportamiento de la resistencia a la fractura bajo la deformación efectiva de 0,2995 a diferentes temperaturas Figura 5.12 Tendencia de los valores experimentales promedios del esfuerzo de fractura con respecto a la temperatura Figura 5.13 Tendencia de los valores experimentales promedios de la deformación de fractura con respecto a la temperatura Figura 5.14 Gráfico comparativo del comportamiento de la deformación de fractura bajo la deformación efectiva de 0,1807 a diferentes temperaturas Figura 5.15 Gráfico comparativo del comportamiento de la deformación de fractura bajo la deformación efectiva de 0,2995 a diferentes temperaturas Figura A.1 Cuerpo arbitrario sumergido en recipiente de grandes dimensiones Figura A.2 Placa Plana... 78

11 vii LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS S S f S u S y σ f ε f ε n V T %Al %El σ o m σ A A o A i A f E ε R ε espesor ε ancho ε largo F θ P Resistencia Resistencia a la Fractura Resistencia Máxima Resistencia a la Fluencia Esfuerzo de fractura Deformación a fractura Deformación Real Deformación Nominal Velocidad de deformación Temperatura Porcentaje de Reducción de área Porcentaje de Elongación Coeficiente de endurecimiento Exponente de endurecimiento Esfuerzo Área Área inicial Área instantánea Área de fractura o final Módulo de Young Tasa de deformación Radio de Rodillos Deformación en el espesor Deformación en el ancho Deformación en el largo Fuerza Ángulo de agarre o mordedura Carga l i l V o V i w i w o e i e o L i L o ε efectiva e Longitud instantánea Alargamiento Volumen inicial Volumen instantáneo Ancho final Ancho inicial Espesor final Espesor inicial Largo final Largo inicial Deformación efectiva Diferencia entre espesores ε espesor teo Deformación espesor teórico V t e D l o Velocidad tangencial Espesor Diámetro de rodillos Longitud calibrada %W Porcentaje de Trabajo E.F.A Energía Falla de Apilamiento

12 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN El cobre es un material muy atractivo industrialmente debido a sus excelentes propiedades de conducción eléctrica y térmica, valores moderados a altos de resistencia mecánica y buena resistencia a la corrosión; además de poseer unas buenas características de conformado y soldabilidad. [1] Desde el punto de vista del conformado de metales, la obtención de cualquier producto involucra la interacción del material con el proceso y las variables del mismo. La mayoría de estos métodos deforman plásticamente el metal en frío o caliente. La deformación plástica se consigue mediante una variedad de técnicas que, utilizando instalaciones y ciclos de fabricación apropiados, permitan diversas modalidades de deformación del material en función de la forma final deseada. La deformación plástica en caliente o el conformado en caliente, se realiza llevando el material a elevadas temperaturas, a fin de obtener deformaciones importantes aplicando esfuerzos relativamente limitados. Además, los procesos de conformado en caliente permiten la modificación de la estructura metalográfica y el tamaño de grano. De todos los procesos de conformado plástico, la laminación es el proceso más utilizado. Se basa principalmente en la aplicación de fuerzas de compresión mediante rodillos giratorios que logran la deformación plástica del material sin ocasionar fallas en su superficie. La determinación de la fluencia, producida bajo unas condiciones determinadas durante el proceso de laminación, es esencial para la obtención de productos con dimensiones y comportamiento mecánico específicos. Para determinar las propiedades mecánicas de cualquier material, los ensayos de tracción se encuentran entre las pruebas más importantes, y normalmente utilizadas, basándose principalmente en la relación entre las deformaciones medidas con sus esfuerzos asociados. Con estos parámetros se establecen expresiones, mediante las cuales se puede predecir, con

13 2 bastante fiabilidad, las resistencias y otras características propias de dicho material. También se han utilizado, en muchas investigaciones, ensayos de compresión para determinar propiedades mecánicas de materiales. Este proyecto consiste en determinar las propiedades mecánicas de un cobre puro laminado en caliente. El proceso de laminación se realizará para condiciones determinadas de temperatura, velocidad del proceso y grado de deformación con la finalidad de determinar su efecto e influencia sobre las propiedades mecánicas a tracción.

14 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Principal ¾Determinar la influencia de las variables: grado de deformación, temperatura y tasa de deformación del proceso de laminación sobre las propiedades mecánicas a tracción de un cobre puro electrolítico. 2.2 Objetivos Específicos ¾Determinar la influencia del grado de deformación en las resistencias a la fluencia, carga máxima y ductilidad de un cobre puro laminado en caliente, en una pasada. ¾Determinar la influencia de la temperatura en las resistencias a la fluencia, carga máxima y ductilidad de un cobre puro laminado en caliente, en una pasada. ¾Determinar la influencia de la tasa de deformación en las resistencias a la fluencia, carga máxima y ductilidad de un cobre puro laminado en caliente, en una pasada.

15 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS En el presente trabajo se reseñan conceptos que fueron desarrollados en el proyecto realizado. En este capítulo se habla del cobre en primer lugar (su origen, características, principales usos, etc.), y luego se explican los siguientes conceptos: tratamientos térmicos (el normalizado que se utilizó experimentalmente), el proceso de conformado de laminación y el ensayo de tracción. Éstos serán referidos en el orden como fueron nombrados anteriormente. 3.1 Cobre Origen y Características El cobre es un metal de característico color rojizo pardo brillante. Su símbolo químico es Cu, su peso atómico, 63,546 y su densidad, a 20 C, 8,95 Kg/dm³. Su punto de fusión es de C, mientras que su punto de ebullición es de unos C. Es un metal sumamente dúctil y maleable, y uno de los mejores conductores del calor y la electricidad. [2] Este metal hizo su aparición en Cuprus (Siria), donde fue encontrado por primera vez. No se sabe a ciencia cierta cuándo tuvo lugar el descubrimiento de este metal, pero se cree que ocurrió unos años antes de la era cristiana, en las postrimerías de la edad de piedra. El hombre neolítico aprovechó la maleabilidad del cobre para formar con él, golpeándolo en frío, toscos martillos, hachas, cuchillos y, más tarde, algunos utensilios rudimentarios. [2] Con el tiempo, y a medida que el hombre aprendía a trabajar el hierro y el acero para fabricar con ellos sus armas y herramientas, fue modificándose el destino que se daba al cobre. Como era un metal durable y brillante, resistente a la corrosión y, además, de bello aspecto, se empezó a usar extensamente para utensilios del hogar, tuberías, construcciones navales y muchas otras aplicaciones. Su extraordinaria aptitud para conducir electricidad hizo resaltar su importancia durante el siglo XX, a medida que fue adquiriendo auge el aprovechamiento de esta nueva fuente de energía. [2]

16 5 El cobre puede ser soldado al arco eléctrico o mediante la acción del soplete oxiacetilénico. Sin embargo, no se puede cortar a llama del soplete, como suele hacerse con las planchas de acero Distribución de los Yacimientos Los minerales de cobre se clasifican por lo general en tres grupos: los que contienen cobre nativo, los sulfuros y los óxidos. Si bien en todos los continentes existen yacimientos de cobre de alguna importancia, los principales países productores de ese mineral en el mundo son los Estados Unidos, Rusia, Zambia, Chile, Canadá, Alemania, Zaire, Japón, Perú y China. Otras naciones que tienen una producción relativamente importante de cobre son Filipinas, Australia, Chipre, España, Yugoslavia y México. En Chile, por ejemplo, la producción media anual es superior a toneladas métricas y se estima que el yacimiento de Chuquicamata cuenta con las mayores reservas del mundo. Otro país de América Latina cuya producción de cobre es de importancia es Perú (media anual sobrepasa las toneladas métricas). [2] Usos industriales Debido a su extraordinaria conductividad, sólo superada por la plata, el uso más extendido del cobre se da en la industria eléctrica. Los usos industriales del cobre se basan en sus propiedades fundamentales: conductividad eléctrica elevada (cables, hilos conductores, motores, interruptores, etc.); excelente conductividad térmica (calderas, alambiques, utensilios de cocina, etc.); y aceptable resistencia a la corrosión (canalizaciones, tejados, etc.) [3]

17 Principales Aleaciones de Cobre Bronce: (cobre - estaño) Dependiendo de los porcentajes del estaño, se obtienen bronces de distintas propiedades. Con un bronce de 5-10% de estaño se genera un producto de máxima dureza (usado en el pasado para la fabricación de espadas y cañones). [4] El bronce que contiene entre 17-20% de estaño tiene alta calidad de sonido, ideal para la elaboración de campanas, y sobre un 27%, una óptima propiedad de pulido y reflexión (utilizado en la Antigüedad para la fabricación de espejos). [4] En la actualidad, las aleaciones de bronce se usan en la fabricación de bujes, cojinetes y descansos, entre otras piezas de maquinaria pesada, y como resortes en aplicaciones eléctricas. Latón: (cobre - zinc) El latón es blando, fácil de tornear, grabar y fundir. Es altamente resistente al ambiente salino, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos. [4] Existe una gran variedad de aleaciones de latón. Las más comunes contienen 30-45% de zinc, y se aplican en todo tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas, candados, ceniceros y candelabros. Otras aleaciones Hoy, el cobre se utiliza en una amplia gama de aleaciones, como por ejemplo: cobre con plomo, manganeso, berilio, aluminio y níquel. [4]

18 7 3.2 Tratamientos Térmicos Conceptualmente el tratamiento térmico consiste en la modificación de las propiedades por efecto de la temperatura y por las condiciones de enfriamiento a que son sometidos los metales. [5] Dicho de la manera más simple son procedimientos cíclicos de calentamiento y enfriamiento que permiten ajustar o recuperar las propiedades físicas y mecánicas e incluso, algunas veces químicas, hacia valores previamente establecidos. [5] Así, por ejemplo, pueden ser utilizados para mejorar la tenacidad, la resistencia mecánica, la plasticidad, la elasticidad, la resistencia a la corrosión, la dureza, la ductilidad, disminuir las tensiones internas, modificar las propiedades magnéticas, etc. Existen diferentes tipos de tratamientos térmicos y la aplicación de uno de los mismos dependerá del propósito que se persigue y del tipo de metal o aleación que está en consideración. Por tal razón son clasificados esencialmente en función de los propósitos o de los resultados que son capaces de suministrar y, también lo pueden ser, por la forma en que son efectuados Normalizado Se puede considerar como uno de los tratamientos térmicos más simples que hay para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales que han sido sometidos previamente a procesos de conformado, en frío o en caliente.

19 8 El procedimiento mediante el cual se lleva a cabo consiste de una austenización total en el material (caso más común para los aceros al carbono) y un posterior enfriamiento en aire. [5] El enfriamiento en aire se hace ubicando la pieza en un soporte adecuado, desde donde se permite que la temperatura de la pieza descienda mediante el desprendimiento de calor hacia el medio ambiente. En algunos casos esta disipación de calor puede acelerarse por convección forzada, haciendo incidir sobre la pieza una corriente de aire a temperatura ambiente. [5] Cuando se utiliza aire forzado, las condiciones de enfriamiento pueden acelerarse en tal magnitud, que en piezas pequeñas se pueden producir incluso un efecto de temple en aceite o hasta en agua, razón por la que al efectuar esta modalidad de enfriamiento debe tenerse un especial cuidado y en cuenta las dimensiones y composición de la pieza. [5] Variables del Normalizado Las variables que afectan a este tratamiento son la composición del material y la velocidad de enfriamiento que se da en el mismo de acuerdo a su dimensión y masa. La velocidad de enfriamiento viene a determinar la dureza superficial y la variación de dureza a lo largo de la sección. [5] La composición determina la temperatura de calentamiento y el nivel de propiedades mecánicas que se pueden obtener así como la microestructura. [5] El tiempo no se considera como variable especial, dado que en el normalizado se habla solamente del tiempo requerido para austenizar totalmente el material y se ha estimado, como

20 9 una condición relativamente fija, en un valor de una hora de calentamiento por cada pulgada de sección transversal de la pieza. [5] El tiempo mencionado sin embargo puede verse afectado en su magnitud por las condiciones del horno de calentamiento, el peso de la carga, etc., pero en general hacia menores valores, por lo que la estimación de una hora por pulgada de sección se considera aceptable. Adicionalmente hay evidencias de que la geometría de la pieza pudiera afectar las condiciones de enfriamiento, así como los resultados microestructurales y de propiedades mecánicas Propósitos del Normalizado El normalizado se puede utilizar para endurecer o ablandar el material, dependiendo de la historia previa que el mismo tenga. Igualmente sirve para modificar la estructura de forja, romper la estructura dendrítica de la solidificación y para homogeneizar microestructuralmente y refinar el tamaño de grano. [5] En definitiva debe entenderse este tratamiento como un procedimiento regulador de la microestructura del material en condición de fabricación, así como una probable alternativa de endurecimiento frente a resultados muy severos de temple.

21 Procesos de Deformación Plástica Los procesos de deformación plástica consisten, como su nombre lo indica, en deformar permanentemente piezas de diferentes formas mediante la aplicación de cualquier tipo de esfuerzos. Estos procesos son muy útiles en la industria ya que facilitan la construcción de piezas necesarias para la construcción de máquinas y estructuras. Los procesos de deformación plástica involucran deformaciones volumétricas. Un proceso que posee esta característica es el laminado Laminación La laminación es uno de los procesos de conformado de metales más importante y utilizado en la industria. Este proceso consiste en deformar plásticamente un material haciéndolo pasar por rodillos para así disminuir su sección transversal Al realizar un laminado, el material se somete a esfuerzos de compresión por el efecto de aplastamiento de los rodillos y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por la fricción entre los rodillos y el metal. Una buena fricción produce un excelente agarre del metal con los rodillos. La deformación plástica que se realiza en un proceso de laminación se puede considerar bidimensional, pues si el ancho de la lámina es considerablemente más grande que el espesor (aproximadamente entre 5 a 10 veces el espesor), se logra que el ancho permanezca constante durante el proceso de deformación. Por tanto, la reducción del espesor se transforma en un aumento de longitud, y se cumple la conservación de volumen del material. Por esta razón se justifica el uso del modelo de estado plano de deformación para el análisis matemático del proceso de laminación. [6]

22 11 Para conocer las deformaciones reales producidas en un proceso de laminación, se tienen las siguientes fórmulas: - Para el espesor: ε espesor e = ln( e i o ) [3.1] Donde ε espesor es la deformación plástica en el espesor, e i es el espesor final y e o es el espesor inicial de la pieza. - Para el ancho: ε ancho w = ln( w i o ) [3.2] Donde ε ancho es la deformación plástica en el ancho, w i es el ancho final y w o es el ancho inicial de la pieza. - Para el largo: ε l arg o L = ln( L i o ) [3.3] Donde ε largo es la deformación plástica en el largo, L i es el largo final y L o es el largo inicial de la pieza. De estas ecuaciones se obtienen valores negativos cuando ocurre compresión y positivos cuando ocurre tracción. Para la conservación de volumen se debe cumplir la siguiente expresión: [6] ε espesor ε + ε l arg = 0 + ancho o [3.4]

23 12 Cuando no existe un estado plano de deformación, se utiliza el concepto de deformación efectiva.. La deformación efectiva se calcula mediante la siguiente expresión: [7] ε efectiva = [( ε ε ) + ( ε ε ) + ( ε ε ) ] 2 l arg o ancho l arg o espesor ancho espesor [3.5] Donde ε efectiva es la deformación efectiva. En los procesos de laminado, un factor muy importante, y que es necesario reportar, es la tasa de deformación. La tasa de deformación con fricción adhesiva o adherente está dada por: V ε = e = 2V t senθ = e e i 2V t senθ + D ( 1 cosθ ) [3.6] Donde ε es la tasa de deformación, V es la velocidad de deformación, V t es la velocidad tangencial de los rodillos, θ es el ángulo de agarre o mordedura, e es el espesor y D es el diámetro de los rodillos. [6] Para simplificar cálculo y por medio de aproximaciones, se calcula la tasa de deformación con fricción adhesiva, mediante la siguiente expresión: ε = V t 1 e ln R e e i o [3.7] Donde e es la diferencia entre el espesor final y espesor inicial, y R es el radio de los rodillos de laminación. [6]

24 Deformación en Caliente La deformación plástica en caliente se realiza llevando el material (y/o componentes de máquinas) a elevadas temperaturas, a fin de obtener deformaciones importantes aplicando esfuerzos relativamente limitados. Además, los procesos de conformado en caliente permiten la modificación de la estructura metalográfica y el tamaño de grano. Durante el conformado en caliente, independientemente del proceso industrial realizado, los procesos que controlan el tamaño de grano resultante son la restauración estática y dinámica, que dependen a su vez de la microestructura de partida del material y su composición química y de las condiciones de deformación (temperatura, velocidad de deformación y el grado de deformación solicitada). Esto permite mejorar las propiedades mecánicas del material aumentando su ductilidad e impidiendo la formación de microfisuras. La figura 3.1 muestra esquemáticamente el caso del conformado en caliente por laminación, en el que se ponen en evidencia las modificaciones estructurales relacionadas con el ciclo térmico y la modalidad de la deformación. Figura 3.1- Influencia de la laminación en caliente sobre la estructura cristalina. [8]

25 14 La energía de falla de apilamiento (E.F.A) es un parámetro intrínseco del material y que se puede definir como la permeabilidad de un material al movimiento de dislocaciones en su red cristalina y al mismo tiempo su capacidad para generarlas. Así los metales se clasifican en dos categorías: materiales de alta E.F.A (>90mJ/m 2 ) y de baja E.F.A (<91mJ/ m 2 ). [8] En el caso de la primera categoría de materiales (aluminio, aceros inoxidables ferríticos, etc.), la restauración dinámica es muy eficaz porque la movilidad de las dislocaciones es muy alta. Las paredes de dislocaciones formadas en los primeros instantes de la etapa de endurecimiento se convierten en sub-bordes de grano, y rápidamente, conforme la deformación progresa, en límites de grano. El tipo de restauración dinámica que ocurre en esta categoría de materiales durante el conformado en caliente es la denominada recristalización dinámica continua. El término dinámica hace referencia a que la recristalización empieza y termina con el proceso de conformado todavía en marcha, al contrario del caso estático donde la recristalización ocurre durante el recocido después de pasar por un proceso (o varios) de conformado en frío. El término continuo se refiere a que el proceso de formación de nuevos granos se consigue de forma continua y progresiva con la deformación. [8] Los aceros inoxidables austeníticos, el níquel, el cobre y sus aleaciones, los aceros al carbono en estado austeníticos, son materiales de baja y moderada energía de falla de apilamiento y por lo tanto sus dislocaciones están fuertemente disociadas y en consecuencia el proceso de restauración es poco eficaz. [8] Para un mejor entendimiento de los fenómenos que se ponen en marcha durante los procesos de deformación plástica a nivel industrial, en donde la restauración dinámica tiene lugar, los ensayos mecánicos de laboratorio como compresión, tracción y torsión permiten simular procesos industriales complejos y de hecho facilitan el entendimiento de dichos fenómenos. [8]

26 15 A partir de estos ensayos, se obtienen curvas de fluencia que son una representación gráfica de la tensión verdadera en función de la deformación verdadera y que reflejan el comportamiento de un material conformado en caliente. En la figura 3.2 se representan las curvas de fluencia en caliente que se observan para diferentes condiciones de deformación, además de los distintos tipos de recristalización dinámica tradicionalmente observados: cíclica y de pico simple. Así mismo se indica la nomenclatura empleada para identificar los puntos más característicos de las citadas curvas de fluencia en caliente, los cuales son: σ p, que indica el máximo valor de tensión, y ε p, que indica el valor de la deformación verdadera en dicho punto. [9] Figura 3.2 Morfología de las curvas de fluencia a altas temperaturas. [10] La recuperación, que se observa en una de las curvas de la figura 3.2, ocurre en los metales deformados en caliente, sin que se observen cambios en la microestructura. Sin embargo, la movilidad de los átomos es la suficiente para disminuir la concentración de defectos puntuales en el interior de los granos y, en algunos casos, permitir el movimiento de las dislocaciones hacia posiciones menos energéticas. Este proceso lleva asociada una modesta disminución de dureza y puede ocurrir a temperaturas justo por debajo de las necesarias para producir cambios significativos en la microestructura. [6,11] Las propiedades mecánicas no experimentan cambio alguno, mientras que la conductividad aumenta de forma significativa. [11,12]

27 16 Las dos curvas restantes que se observan en la figura 3.2 corresponden a la recristalización dinámica discontinua de pico simple y de comportamiento cíclico (comportamientos característicos de materiales de baja y moderada E.F.A). La recristalización dinámica discontinua de pico simple corresponde al caso en el cual el material se somete a bajas temperaturas y/o altas velocidades de deformación, mientras que la cíclica obedece al caso de altas temperaturas y/o bajas velocidades de deformación. A nivel microestructural esto conduce a un afinamiento de grano en el primer caso y a un crecimiento en el segundo. El término discontinuo hace referencia al proceso de nucleación y crecimiento de nuevos granos libres de dislocaciones. Se trata de un proceso de ablandamiento compuesto que implica diferentes mecanismos elementales: endurecimiento, restauración dinámica, nucleación y crecimiento. El equilibrio entre los procesos de endurecimiento y ablandamiento conduce a un estado de fluencia estable. [8] La caracterización de estas curvas de fluencia puede efectuarse por etapas. Hasta el máximo valor de tensión σ p, definido por su deformación ε p, se puede suponer que sólo operan el endurecimiento por deformación y la restauración dinámica, pudiendo utilizarse, para este caso, modelos de base física. En cambio, el empleo de modelos teóricos para la recristalización dinámica es todavía una tarea en discusión por lo que no es evidente la caracterización de la curva de fluencia después del máximo de tensión. Este inconveniente se puede solventar suponiendo que las fracciones de volumen recristalizadas son proporcionales al ablandamiento de la curva σ-ε, y estudiar entonces la cinética de la recristalización dinámica. [9] La recristalización dinámica es diferente de la recristalización estática, en el sentido de que en el segundo caso, los nuevos granos crecen hasta ocupar toda la estructura deformada. Además, la estructura resultante está totalmente recristalizada y con una tensión interna prácticamente nula. Mientras en el caso de la recristalización dinámica, los nuevos granos formados endurecen y crecen simultáneamente, afectando tanto al comportamiento mecánico como a la microestructura. [8]

28 Ensayos de Tracción Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo que, básicamente, consiste en dos celdas de carga, una fija y otra móvil. Esta máquina registra la carga necesaria para producir un determinado alargamiento a medida que la probeta es traccionada. En la mayoría de los casos, los ensayos se realizan a velocidad constante. El resultado inmediato de un ensayo como éste es la curva de carga frente al alargamiento. Se obtiene una información más general acerca de las características del material al normalizar los datos en función de la geometría de la probeta. [11] Las curvas obtenidas mediante el ensayo de tracción tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte (si se quita la carga en esta zona, la probeta regresa a su longitud inicial). La pendiente de esta recta se conoce como Módulo de Young o módulo de elasticidad. En curva esfuerzo vs. deformación, esta relación se denomina Ley de Hooke: σ = E.ε [3.8] Donde σ es el esfuerzo, E es el módulo de Young y ε es la deformación. El módulo de Young es una magnitud que expresa rigidez del material. Un material rígido con un módulo de elasticidad alto, mantiene su tamaño y forma al ser sometido a una carga. [13] Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, y a partir de este punto el material empieza a adquirir una deformación permanente, y el comportamiento de la probeta ya no es como un resorte, y se dice que ha comenzado la zona

29 18 plástica del ensayo de tracción. Una de las ecuaciones que describe de manera más sencilla este comportamiento es la siguiente: σ = σ. ε i o m [3.9] Donde σ i es el esfuerzo en algún punto de la gráfica de tracción, σ o es un valor constante de esfuerzo que se obtiene para un material en estado recocido, ε es la deformación y m es el coeficiente de endurecimiento por deformación. La ecuación 3.9 es conocida como la ecuación de Hollomon. [14] Cuando el punto de fluencia no se puede determinar claramente en el diagrama esfuerzo deformación, éste debe definirse arbitrariamente. Es de uso casi universal definir el límite de fluencia como el esfuerzo que produce una deformación plástica permanente de 0,002. Esto significa que si una probeta se carga hasta el esfuerzo de fluencia y luego se descarga, la misma recupera parcialmente sus dimensiones originales, quedando una deformación permanente de 0,002. Para determinarlo basta con trazar una recta que pase por el punto (0,002;0) y sea paralela a la recta inicial que se observa en la curva Esfuerzo vs. Deformación. La intersección de esta nueva recta con la curva Esfuerzo vs. Deformación es el límite de fluencia del material. [15] La mayoría de los componentes estructurales están hechos de materiales dúctiles. Los elementos de máquinas, edificios, puentes, etc., no pueden tolerar la deformación excesiva asociada con el esfuerzo límite de resistencia a tracción. Por consiguiente, como una limitación práctica, el límite de fluencia se considera generalmente como el máximo esfuerzo que puede tolerarse. [16] La figura 3.3 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura, en un Ensayo de Tracción.

30 19 Figura Probeta al inicio, en carga máxima y en la ruptura durante Ensayo de Tracción. [17] Puntos característicos observados en un Ensayo de Tracción En la figura 3.4 se muestra un gráfico de un acero dúctil, en donde el eje de las ordenadas corresponde a las cargas y el de la abscisa al de las deformaciones longitudinales o alargamientos en milímetros. Se hace uso de esta gráfica para explicar en detalle el significado de todas las zonas que se pueden encontrar en un ensayo de tracción. Figura Gráfico F vs. L, obtenido de un Ensayo de Tracción a un acero dúctil, donde están marcados puntos característicos de la curva. [18]

31 20 Las zonas que se observan en la gráfica son las siguientes: 1. Periodo elástico: Se observa en el diagrama que el comienzo, desde el punto O hasta el punto A, está representado por una recta que pone de manifiesto la proporcionalidad entre los alargamientos y las cargas que lo producen (Ley de Hooke). Dentro de este periodo y proporcionalmente hasta el punto A, los aceros presentan la particularidad de que la barra retoma su longitud inicial al cesar la aplicación de la carga, por lo que recibe indistintamente el nombre de periodo de proporcionalidad o elástico. [18] 2. Zona de alargamiento pseudoelástico: Para el límite proporcional se presenta un pequeño tramo ligeramente curvo AB, que puede confundirse prácticamente con la recta inicial. La deformación experimentada desde el límite proporcional al punto B, en ocasiones, suele alcanzar valores altos de fuerza, pero éstos son recuperables en el tiempo, por lo que a este punto del diagrama se le denomina límite elástico o aparente o superior de fluencia. [18] El límite elástico se define como la máxima carga que puede soportar el material sin experimentar deformaciones permanentes. Las ventajas que se tienen al usar este valor también son inmediatas: las deformaciones serían elásticas y pequeñas, mientras que las desviaciones de la ley de Hooke serían apenas perceptibles. Sin embargo, la determinación experimental de esta propiedad reviste dificultades metodológicas significativas puesto que se tendría reiteradamente que cargar y descargar la probeta durante el ensayo de tracción para determinar en qué momento su longitud original no se recupera por completo. [15] 3. Zona de fluencia: El punto B marca el inicio de oscilaciones o pequeños avances y retrocesos de la carga con relativa importante deformación permanente del material. Las oscilaciones en este período denotan que la fluencia no se produce simultáneamente en todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada. El límite elástico aparente puede alcanzar valores de hasta el 10 al 15 % mayores que el límite final de fluencia. [18]

32 21 4. Zona de alargamiento homogéneo en toda la probeta: Más allá del punto final de fluencia C, las cargas vuelven a incrementarse y los alargamientos se hacen más notables, es decir, que ingresa en el período de las grandes deformaciones, las que son uniformes en toda la probeta hasta llegar al punto D. El final del período de alargamiento homogéneo queda determinado por la carga máxima, a partir de la cual la deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, provocando un estrechamiento de las secciones que la llevan a la rotura. A la zona comprendida entre los puntos D y E se le denomina de estricción. [18] Propiedades Mecánicas que se obtienen en un Ensayo de Tracción Con las curvas de tracción obtenidas en los ensayos de tracción, es posible obtener todas las propiedades mecánicas del material en estudio. Las curvas y propiedades que se pueden obtener y determinar, se detallan a continuación Curva Esfuerzo Nominal o Ingenieril vs. Deformación Nominal o Ingenieril Por medio de las curvas de tracción, se puede obtener la curva Esfuerzo Nominal o Ingenieril vs. Deformación Nominal o Ingenieril. [6] El Esfuerzo Nominal o Ingenieril se define como: Pi S i = A o [3.10] Donde S i es el Esfuerzo Nominal o Ingenieril en cualquier punto de la curva de Tracción, P i es la carga en cualquier punto de la curva de Tracción y A o es el área transversal inicial de la probeta de tracción antes del ensayo (esta área se toma en la zona donde está la longitud calibrada de la probeta). [6]

33 22 La Deformación Nominal o Ingenieril se define como: n i = l l o = l i l l o o = l l i o 1 [3.11] Donde n i es la Deformación Nominal o Ingenieril, l es el alargamiento de la probeta durante el ensayo, l i es la longitud de la probeta en cualquier momento durante el ensayo de tracción y l o es la longitud inicial calibrada de la probeta antes de iniciar el ensayo. [6] Otra forma de expresar la ecuación 3.11, es la siguiente: n i = A A o i 1 [3.12] Donde A i es el área de la probeta en cualquier momento del ensayo de tracción (al igual que A o, esta área se toma en la zona donde está la longitud calibrada de la probeta). [6] Por conservación de volumen, surge la ecuación 3.12, por medio del siguiente análisis: o V o = Vi Aol o = Aili = Ai A l l i o [3.13] Donde V o es el volumen de la probeta antes del ensayo de tracción y V i es el volumen de la probeta en cualquier momento del ensayo de tracción. [6] Curva Esfuerzo Real o Verdadero vs. Deformación Real o Verdadera Además de la curva Esfuerzo Nominal o Ingenieril vs. Deformación Nominal o Ingenieril, también se puede obtener la curva Esfuerzo Real o Verdadero vs. Deformación Real o Verdadera. [6]

34 23 El Esfuerzo Real o Verdadero se define como: σ i = P i A i [3.14] Donde σ i es el Esfuerzo Real o Verdadero en cualquier punto de la curva de Tracción, P i es la carga en cualquier punto de la curva de Tracción y A i es el área de la probeta en cualquier momento del ensayo de tracción (esta área se toma en la zona donde está la longitud calibrada de la probeta). [6] La Deformación Real o Verdadera se define como: ε i Ao = ln Ai [3.15] Donde ε i es la Deformación Real o Verdadera de la probeta en cualquier punto o momento del ensayo de tracción, A o es el área transversal inicial de la probeta de tracción antes del ensayo y A i es el área de la probeta en cualquier momento del ensayo de tracción. [6] Porcentaje de Elongación y Porcentaje de Reducción de Área Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: la longitud final l f y el área final A f. Con estos parámetros se pueden definir el porcentaje de reducción de área (%Ar) y el porcentaje de elongación (%El). [19] Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. El porcentaje de reducción de área se expresa como: A A f % Ar = x100 A o o [3.16]

35 24 Donde %Ar es el porcentaje de reducción de área, A o es el área transversal inicial de la probeta de tracción antes del ensayo y A f es el área de fractura o final de la probeta de tracción. [19] Si en vez de área final, se coloca un valor de área de un punto cualquiera de un ensayo de tracción, esa expresión se convierte en Porcentaje de Trabajo en Frío o en Caliente (%W), según sea el caso. El porcentaje de elongación se expresa como: l f lo % El = x100 l o [3.17] Donde %El es el porcentaje de elongación, l o es la longitud inicial o calibrada de la probeta de tracción antes del ensayo y l f es la longitud de fractura o final de la probeta de tracción. [19] Un concepto importante y necesario que se emplea usualmente en la obtención de propiedades mecánicas mediante ensayos de tracción es la fragilidad. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura 3.5 permite visualizar estos dos conceptos gráficamente. [19] Figura Gráfico F vs. L de un Ensayo de Tracción que muestra comportamiento de un material dúctil y de un material frágil. [19]

36 CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL En el presente trabajo se utilizaron pletinas de cobre de dimensiones definidas para laminarlas en caliente y determinarles posteriormente sus propiedades mecánicas mediante Ensayos de Tracción. Las pletinas antes de ser laminadas en caliente fueron sometidas a un tratamiento térmico de Normalizado. También se utilizaron pletinas de control, que tienen como función medir la temperatura de las probetas cuando se encuentran dentro del horno y conocer las propiedades mecánicas de las pletinas antes de ser laminadas en caliente. Las condiciones de estudio para el proceso de laminación en caliente fueron las siguientes: - Cuatro (4) temperaturas de las pletinas de cobre a ser laminadas. - Dos (2) grados de deformación; y - Dos (2) velocidades de los rodillos de laminación. Un total de 16 condiciones de estudio, empleando 3 ensayos por condición, para un total de 48 pletinas. Las condiciones para la realización del laminado en caliente se resumen en la tabla 4.2, que se muestra a continuación. Tabla 4.1 Condiciones de estudio de la laminación en caliente T *( C) ε espesor teo** V t ***(m/s) ,2718 0,1543 0,05 0,51 * T es la temperatura ** ε espesor teo es la deformación en el espesor teórica. *** V t es la velocidad tangencial de los rodillos de laminación.

37 26 Posteriormente a la laminación en caliente, el total de 48 pletinas se mecanizaron para convertir las mismas en probetas de tracción. También es importante tener en cuenta que además se mecanizaron, y posteriormente se ensayaron, 3 probetas en estado de entrega, 3 probetas con el tratamiento térmico previo de Normalizado y 8 probetas de Control (2 probetas por cada temperatura). En total se ensayaron 62 probetas de tracción, para llevar a cabo la realización de este trabajo y poder cumplir con los objetivos propuestos. 4.1 Análisis Químico El análisis químico realizado al cobre estudiado se hizo por el método de absorción atómica, el cual arrojó los siguientes resultados. Tabla Composición química del cobre empleado (% en peso). Elemento Zn Pb Ni Fe Ag Cu % 0,0014 0,0037 0,0043 0,0027 0,0022 Balance 4.2 Geometría y Nomenclatura de pletinas Se utilizaron pletinas de 4,5 metros de longitud, 10 milímetros de espesor y 20 milímetros de ancho, aproximadamente. Para el desarrollo del proyecto, se cortaron pedazos de 125 milímetros de longitud, para así tener todas las pletinas necesarias y poseer excedentes que podrían ser utilizadas si se presentara algún inconveniente. Debido a la gran cantidad de pletinas, las cuales fueron objeto de estudio en este trabajo, se hizo necesario proporcionar la terminología con la cual fueron nombradas cada una de ellas, de esta manera mantener un control inequívoco de todas las condiciones.

38 27 Se utilizó un código alfanumérico para todas y cada una de las pletinas. En ellas se indicaba la temperatura, deformación, velocidad, tratamiento térmico y número de ensayo o repetición, a las cuales se les trabajó. Un ejemplo de la nomenclatura utilizada se aprecia en la figura 4.1. Figura Ejemplo de Nomenclatura en Pletina 2ADE Tratamiento Térmico de Normalizado Antes de realizar el proceso de laminación en caliente, se hizo el tratamiento térmico de Normalizado a las pletinas. Para el Normalizado, se utilizaron los siguientes materiales y equipos: - Horno, marca Electra, Modelo Termocupla tipo K - Termómetro digital DE Cable de conexión termocupla termómetro - Ladrillos refractarios - Bandeja de acero (90cm x 58 cm) - Pinzas

39 28 Las pletinas se colocaron sobre una bandeja de acero, y ésta, con las probetas, sobre un lecho de refractarios dentro del horno. Las pletinas se colocaron sobre la bandeja apoyados sobre su lado mayor como se ilustra en la figura 4.2. Figura Ilustración de colocación de una pletina en la bandeja de acero (se indica con una flecha la cara apoyada en la bandeja). Se introdujo la bandeja cuando el horno estaba a 678K (405 C), según marcaba la termocupla. Luego, se dejaron aproximadamente el tiempo de una hora. Transcurrida la hora, se sacaron del horno y se dejaron al aire para enfriar a una temperatura ambiente de 27 C. En total, se normalizaron 64 pletinas, de las cuales 48 pletinas se laminaron, 8 pletinas fueron de control, 3 pletinas se utilizaron para determinar propiedades mecánicas del cobre con el tratamiento térmico de normalizado, y 5 pletinas excedentes para resguardo. 4.4 Laminación en Caliente Después de haber concluido los tratamientos térmicos a las probetas, se procedió a realizar la laminación en caliente.

40 29 Antes de iniciar el proceso de laminación, se verificó el funcionamiento del horno. Haciendo uso de un multímetro se verificó el funcionamiento de las resistencias del horno, concluyéndose que funcionan satisfactoriamente, así que debería estar calentando homogéneamente. Por el tipo de resistencias, la ubicación y distribución de las mismas en las paredes de horno, la temperatura es uniforme. En la figura 4.3 se aprecia la forma de las resistencias. Figura 4.3 Esquema de la disposición de las resistencias en las paredes del Horno eléctrico Thermolyne. También se realizó la calibración del horno usando un controlador digital de temperatura unido a una termocupla, para verificar si la temperatura dentro del horno era igual a la que éste marca. Esto dió como resultado que las temperaturas eran diferentes, y por tanto, ésta fue una de las razones fundamentales por las cuales se decidió hacer uso de las pletinas de control. La comprobación del hecho de que la pletina de control midió la temperatura de todos los puntos de la pletina y que la transferencia de calor fue uniforme, se presenta en el apéndice A y B. A las pletinas de control se les taladró un hueco de aproximadamente 5 mm de longitud en la sección transversal, y así colocar en este hueco la punta de la termocupla, para establecer la temperatura de las pletinas. En la figura 4.4 se muestra el termómetro del horno, y en la figura 4.5 el controlador digital utilizado (apreciación de 1 C).

41 30 Figura Termómetro del Horno eléctrico Thermolyne. Figura Termómetro digital con cable de acoplamiento a termocupla tipo K.

42 31 En la figura 4.6, se muestra el panel de control de la laminadora que permite controlar el funcionamiento de la misma. Figura Panel de Control de la laminadora. En la figura 4.7 se muestra una foto donde se aprecia claramente el volante que permite definir la separación de los rodillos de laminación, es decir, la reducción en espesor suministrado al material a laminar. Una vuelta del volante equivale a una separación de los rodillos de 0,3175 milímetros.

43 32 Figura Laminadora marca Stanat (vista lateral). En las figuras 4.8 y 4.9, se muestran fotos de la laminadora con rodillos calientes y bien lubricados, y otra con la guía que fue colocada para garantizar la entrada alineada de las pletinas en el proceso de laminación. Figura Laminadora encendida con rodillos calientes y bien aceitados.

44 33 Figura Laminadora con guía centrada instalada mediante alicates de presión (vista frontal - entrada de pletinas). En las figuras 4.10 y 4.11, se muestran fotos del horno utilizado para el calentamiento de las pletinas, tanto abierto como cerrado. Figura Horno abierto con refractarios colocados.

45 34 Figura Vista lejana del horno cerrado (Pletinas se encuentran dentro y termómetro digital registra la temperatura de pletina de Control). Los materiales y equipos que se utilizaron en la laminación en caliente, fueron los siguientes: - Horno eléctrico de calentamiento, Marca Thermolyne, Modelo F-A Laminadora, Marca Stanat, Modelo TA- 3155X3 - Termocupla tipo K - Termómetro digital DE Cable de conexión termocupla termómetro - Tenazas - Guía centrada (asegura que en la laminación, las pletinas no se muevan lateralmente) - Aceite (para lubricar rodillos en la laminación) - Baldes con agua (para el templado de pletinas) - Estopa (para limpieza de equipos y pletinas luego del laminado y templado).

46 35 La disposición de las pletinas en el horno se presenta la figura Figura Disposición de las pletinas dentro del horno. Es importante destacar que según la figura 4.12, las pletinas que se emplearon en este proyecto son las pertenecientes a la nomenclatura E1, E2 y E3. Las pletinas F1, F2 y F3 pertenecen a otro proyecto. La pletina central es la de control que también fue utilizada para la experimentación. En la laminación, las pletinas se sacaron en orden, de izquierda a derecha (ver figura 4.12). La última pletina en salir del horno fue la de control. Ésta no se laminó, sólo se templó en un balde de agua colocado al lado del horno. Es importante mencionar que una vez retiradas las pletinas del horno, se laminaron en una pasada e inmediatamente se sumergieron en un balde con agua fría. El tiempo que transcurrió en salir la pletina del horno y llegar al balde de agua fría estuvo entre 5 a 10 segundos.

47 36 En la figura 4.13, se nota la diferencia en tamaño de las pletinas laminadas y templadas en una tanda de laminación, con respecto a la probeta de Control que sólo fue templada y por tanto no sufrió variación de tamaño. Figura 4.13 Comparación de tamaño de pletinas al ser laminadas y templadas con respecto a la pletina de control En la figura 4.14 se muestra la manera en que estaban distribuidos los equipos y las personas que participaron en la realización del proyecto. Para realizar el trabajo, fue necesario la participación de 3 o más personas. Según la figura 4.14, se observa que la Persona 1 fue la que se encargó de abrir y cerrar el horno cuando se requería; la Persona 2 fue la que sujetó con tenazas la pletina calentada, la sacó del horno y la introdujo en la laminadora (también se encargó de templar la pletina de control en el Balde de agua 1 ); la Persona 3 es la que sujetó con tenazas la pletina calentada apenas salió la misma de la laminación, introduciéndola rápidamente en el Balde de agua 2 para el temple; y la Persona 4 fue la que verificó las variables en los equipos, registró el tiempo y tomó apuntes.

48 37 Figura Mapa de distribución en experimentación de laminación en caliente. 4.5 Ensayo de Tracción Después de haber culminado el proceso de laminado en caliente, se procedió a realizar el mecanizado de las pletinas para convertirlas en probetas de tracción. Para la determinación experimental de todas las propiedades mecánicas, se realizaron los ensayos de tracción. Las probetas en estos ensayos se diseñaron tomando en cuenta las dimensiones de las pletinas y siguiendo las especificaciones descritas en la norma ASTM E 8M-01. [20] Las dimensiones de la probeta se muestran en la figura 4.15.

49 38 Figura Dibujo esquemático de las probetas de tensión utilizadas. Todos los ensayos de tracción se realizaron empleando una máquina de ensayos mecánicos MTS 810 de 25 toneladas de capacidad, con una velocidad de desplazamiento del pistón constante e igual a 5 mm/min. En la figura 4.16, se muestra la máquina de Ensayos de Tracción utilizada. Figura Máquina de Ensayo de Tracción.