En esta Tercera Parte de Apuntes de Ingeniería Gratis sobre Conformación por Deformación Plástica hablaremos de la Deformación Plástica de los Materiales Policristalinos, para después centrarnos en la Temperatura de los Procesos de Conformación por Deformación Plástica, donde distinguiremos los procesos de trabajo en frío y los procesos de trabajo en caliente, así como la temperatura de Recristalización.
SEGUNDA PARTE: Conformación por Deformación Plástica (Apuntes de Ingeniería Gratis)
Deformación Plástica de los Material Policristalinos.
Cuando un metal policristalino (cualquier metal usado en la ingeniería), que dispone de granos equiaxiales y uniformes se somete a una deformación plástica a temperatura ambiente (cuando trabajamos a temperaturas ambientes se le denomina trabajo en frío) los granos se deforman y se alargan. Tal y como se puede observar en la siguiente figura
Durante esta Deformación Plástica, los límites de los granos permanecen inalterables ya que la masa se mantiene contínua.
El metal deformado muestra mayor resistencia a seguir deformándose debido a la obstrucción de las dislocaciones con los límites de los granos. Tal y como vimos en entradas anteriores de este blog de Apuntes de Ingeniería Gratis, denominándosele a este fenómeno con el término de acritud.
A mayor esfuerzo exterior, mayor deformación y por tanto mayor grado de acritud.
Por otro lado este aumento de resistencia será mayor para metales con tamaño de grano más pequeño ya que tienen mayor área superficial de límites de grano mayor por unidad de volumen de metal y, por tanto mayor número de obstrucciones de las dislocaciones.
Influencia de la temperatura en el conformado plástico.
Si representamos en una gráfica el comportamiento de un metal del esfuerzo frente a la deformación durante la deformación plástica obtendremos la Curva de Fluencia.
Como se puede ver en la gráfica, tanto la resistencia, como el endurecimiento por deformación, se reducen a altas temperaturas. Por tanto, el trabajo en caliente produce un menor grado de acritud en el material, siendo más fácil su conformación plástica.
Cuando el metal se trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas cambian moderadamente. Cuando se trabaja en frío un metal, se requieren grandes fuerzas, pero la resistencia propia del material se incrementa constantemente.
El punto de temperatura que diferencia la zona de trabajo en caliente y la zona de trabajo en frío es la denominada Temperatura de Recristación. Que se define como la temperatura a la cual, un material deformado intensamente en frío recristaliza en una hora. Desarrollaremos este concepto de Temperatura de Recristalización mas abajo en esta misma entrada.
Para el acero, la recristalización se produce alrededor de 500 a 700 °C.
Pero hay que tener en cuenta que el aumento de la temperatura, tiene un límite ya que a mayores temperaturas, el material se hace más vulnerable, sufre alteraciones de composición si no está debidamente protegido. Y sobretodo hay que prestar especial atención a la presencia de oxígeno que puede producir óxido.
VENTAJAS DEL TRABAJO EN CALIENTE:
- La porosidad en el metal provenientes de los procesos de fundición para obtener la material prima es eliminada.
- Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal.
- Los granos gruesos o prismáticos son refinados
- Las propiedades físicas generalmente se mejoran, debido al refinamiento del grano. Se desarrolla una gran homogeneidad en el metal.
- Por todo lo visto anteriormente es fácil imaginar que la cantidad de energía para la conformación por deformación plástica de un material trabajando en caliente es mucho menor que la requerida si se trabaja en frío.
INCONVENIENTES DEL TRABAJO EN CALIENTE:
- Debido a la alta temperatura, existe una rápida oxidación de la superficie, lo cual conlleva un pobre acabado superficial.
- No pueden mantenerse tolerancias estrechas.
- El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos.
TRABAJO EN FRÍO
- El producto obtenido con trabajo en f´rio no requiere de operaciones posteriores tales como enderezados o mecanizados.
- En el conformado en frío el material no experimenta un crecimiento del tamaño del grano por activación térmica
- Los granos se deforman por la acción de la deformación plástica, con lo que se consigue endurecimiento por acritud.
TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIÓN
En esta misma entrada de Apuntes de Ingeniería Gratis habíamos hablado de la temperatura de recristalización como la temperatura que servía de guía para identificar una temperatura de trabajo en caliente y otra temperatura de trabajo en frío.
El proceso de recristalilzación consiste en la formación de nuevos granos en el metal policristalino a partir de granos ya existentes. Siempre y cuando estos granos existentes hayan sido previamente deformados en frío.
Este proceso consiste en:
- Se calienta un material, previamente deformado en frío, hasta una temperatura no demasiado elevada durante un tiempo corto.
- Se provoca un cierto ablandamiento del material sin modificación de su estructura interna.
- Si el material está un tiempo suficiente a esta temperatura, los granos, que se habían deformado alargándose, tienden a recuperar la forma equiaxial de equilibrio y a su vez la agitación térmica provoca un incremento de su tamaño.
Esta temperatura de recristalización suele estar en torno a 0.5 Tf (temperatura de fusión), en esta temperatura los átomos se mueven y se difunden para formar núcleos nuevos. El material tiene suficiente energía interna para producir esta recristalización ya que previamente ha absorbido energía en la deformación en frío.
Esta temperatura de recristalización dependerá de los siguientes factores:
- Cantidad de trabajo: cuanto mayor es el grado de deformación menor es la temperatura de recristalización ya que, a mayor cantidad de trabajo aplicado mayor es la cantidad de energía acumulada internamente.
- Tamaño de grano antes de la deformación plástica: a menor tamaño de grano menor será la temperatura de recristalización, porque la estructura del grano pequeña tiene mayor cantidad de límites de grano, y a menor tamaño es más difícil deformar el grano.
- Temperatura: a menor temperatura de deformación plástica menor será la temperatura de recristalización.
- Tiempo de calentamiento para lograr la recristalización: a mayor tiempo menor será la temperatura de recristalización.
- Impurezas: cuando las impurezas son insolubles no afecta la temperatura de recristalización, pero si lo son si afecta, generalmente elevándolas.
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