LABORATORIO N 1 DEFORMACION EN FRO

I. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

Observar cmo varan las propiedades mecnicas (dureza, resistencia, tamao de grano, fragilidad, ductilidad, etc.) del metal o material luego de someterlo a un trabajo en fro o deformacin plstica.

Conocer los mecanismos de deformaciones, las transformaciones que ocurren en las estructuras cristalinas en el metal luego del trabajo en fro.

Realizar los respectivos ensayos de dureza y metalografa a los materiales escogidos (Bronce y Cu) para el trabajo en fro a distintos valores de deformacin longitudinal.

II. FUNDAMENTO TERICO

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION PLASTICA EN FRIO, RECRISTALIZACION Y CRECIMIENTO DEL GRANO.El endurecimiento por deformacin plstica en fro es el fenmeno por medio del cual un metal dctil se vuelve ms duro y resistente a medida es deformado plsticamente. Generalmente a este fenmeno tambin se le llama trabajo en fro, debido a que la deformacin se da a una temperatura "fra" relativa a la temperatura de fusin absoluta del metal.

En los diagramas se muestra la variacin de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tensin para el acero 1040, el bronce y el cobre. Note que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en fro, sin embargo la ductilidad del material disminuye tal como se muestra en el siguiente grfico.

El fenmeno de endurecimiento por deformacin se explica as:

1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina.2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformacin plstica.3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en nmero.4. Al haber ms dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre s, volviendo ms difcil su movimiento.5. Al ser ms difcil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido.

Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plsticamente. Esa habilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformacin. Entre mayor es n para un metal, ms se endurece al ser deformado plsticamente.Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformacin se mantengan en la estructura del metal. La estructura cristalina del metal tiene un nmero "normal" de dislocaciones. La deformacin plstica ha causado que haya ms dislocaciones que ese nmero "normal", por lo que la estructura cristalina tender a hacer desaparecer a las dislocaciones "extra".Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusin atmica, las dislocaciones "extra" desaparecern del material, haciendo que ste recupere las propiedades mecnicas que tena antes de ser deformado. Sabemos que la difusin se activa a una temperatura mayor que 0.4 veces la temperatura de fusin del material en grados absolutos, por lo tanto se tendr lo siguiente:

Trabajo en fro. Existe endurecimiento por deformacin. Se crean dislocaciones y stas quedan en el material El material endureceTrabajo en caliente No existe endurecimiento por deformacin. Se crean dislocaciones pero stas desaparecen por difusin. El material no endurece.El trabajo en fro no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura del metal, sin que tambin cause la deformacin de sus granos. La combinacin de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa esfuerzos residuales dentro del material. Los esfuerzos residuales no son ms que zonas de tensin o compresin 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 deformaci ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION PLASTICA EN FRIO, RECRISTALIZACION Y CRECIMIENTO DEL GRANO.El endurecimiento por deformacin plstica en fro es el fenmeno por medio del cual un metal dctil se vuelve ms duro y resistente a medida es deformado plsticamente. Generalmente a este fenmeno tambin se le llama trabajo en fro, debido a que la deformacin se da a una temperatura "fra" relativa a la temperatura de fusin absoluta del metal.

En los diagramas se muestra la variacin de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tensin para el acero 1040, el bronce y el cobre. Note que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en fro, sin embargo la ductilidad del material disminuye tal como se muestra en el siguiente grfico.

El fenmeno de endurecimiento por deformacin se explica as:

1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina.2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformacin plstica.3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en nmero.4. Al haber ms dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre s, volviendo ms difcil su movimiento.5. Al ser ms difcil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido.

Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plsticamente. Esa habilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformacin. Entre mayor es n para un metal, ms se endurece al ser deformado plsticamente.Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformacin se mantengan en la estructura del metal. La estructura cristalina del metal tiene un nmero "normal" de dislocaciones. La deformacin plstica ha causado que haya ms dislocaciones que ese nmero "normal", por lo que la estructura cristalina tender a hacer desaparecer a las dislocaciones "extra".Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusin atmica, las dislocaciones "extra" desaparecern del material, haciendo que ste recupere las propiedades mecnicas que tena antes de ser deformado. Sabemos que la difusin se activa a una temperatura mayor que 0.4 veces la temperatura de fusin del material en grados absolutos, por lo tanto se tendr lo siguiente:

Trabajo en fro. Existe endurecimiento por deformacin. Se crean dislocaciones y stas quedan en el material El material endureceTrabajo en caliente No existe endurecimiento por deformacin. Se crean dislocaciones pero stas desaparecen por difusin. El material no endurece.El trabajo en fro no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura del metal, sin que tambin cause la deformacin de sus granos. La combinacin de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa esfuerzos residuales dentro del material. Los esfuerzos residuales no son ms que zonas de tensin o compresin 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 deformacin de los granos de la estructura cristalina pueden causar cambios en las propiedades elctricas y la resistencia a la corrosin del metal. Todos los cambios asociados a la deformacin plstica en fro pueden ser revertidos utilizando el tratamiento trmico apropiado. La restauracin de las propiedades a los valores previos a la deformacin se logra a partir de dos procesos diferentes que ocurren a temperatura elevada:

La recuperacin y recristalizacin. El crecimiento del grano.n de los granos de la estructura cristalina pueden causar cambios en las propiedades elctricas y la resistencia a la corrosin del metal. Todos los cambios asociados a la deformacin plstica en fro pueden ser revertidos utilizando el tratamiento trmico apropiado. La restauracin de las propiedades a los valores previos a la deformacin se logra a partir de dos procesos diferentes que ocurren a temperatura elevada:

La recuperacin y recristalizacin. El crecimiento del grano.

III. EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Para la parte de dureza:

1 probeta de Bronce y 8 de Cu. (Forma cilndrica). (Fig. 1) 1 vernier. (Fig. 2) 1 comba y 1 yunque. (Fig. 3) Tornillo de banco. (Fig. 4) 1 sierra. (Fig. 5) 1 lima plana. (Fig. 6) Durmetro Rockwell digital. (Fig. 7)

Para la parte metalogrfica:

Las anteriores probetas (Forma cilndrica). 6 lijas de agua abrasivas para fierro (N: 180, 360, 600, 800, 1000 y 1200). (Fig. 8) Pulidora. (Fig. 9) Almina y agua. Algodn, alcohol y cido ntrico (Fig. 10) Secadora. (Fig. 11) Microscopio metalogrfico. (Fig. 12)

Fig. 1 Probetas de Cu y Bronce.Fig. 2 Vernier.Fig. 3 Comba y yunque.Fig. 4 Tornillo de banco.Fig. 5 Sierra.Fig. 6 Lima plana.

Fig. 8 Lijas de agua.

Fig. 7 Durmetro Rockwell digital.

Fig. 10 Algodn, algodn y cido ntrico.

Fig. 9 Pulidora.

Fig. 12 Microscopio metalogrfico.

Fig. 11 Secadora.

IV. PROCEDIMIENTO

Procedimiento de deformacin

El proceso llevado a cabo consiste en la deformacin de una serie de probetas, aplicndoles diferentes grados de deformacin. La deformacin se obtiene golpeando con una comba la probeta dada sobre un yunque hasta obtener la deformacin pedida.

Ejemplo:

Piden deformacin al 40% de Cu,Lf=Lo-40%Lo

Posteriormente se procede a realizar 2 cortes longitudinales (perpendiculares al rea golpeada con la comba), luego para que estas dos nuevas reas sean paralelas se procede a limarlas.

Preparacin metalogrfica

Posteriormente, se ha procedido a la preparacin metalogrfica de una de las zonas cortadas y limadas, y la consiguiente observacin al microscopio.

A continuacin, se procede al lijado con el fin de eliminar todo lo que pudiera obstaculizar su examen, a la vez que se obtiene una superficie plana con pequea rugosidad. Este proceso se ha realizado con 6 lijas de nmeros: 180, 360, 600, 1000, 1200,1600.

*Posteriormente se lleva a la pulidora, esta etapa tiene por objeto obtener una superficie especular.

Tras estas etapas se somete a las muestras a un ataque qumico para revelar el grano.

Para realizar las medidas y clasificacin de las distintas muestras se han empleado micrografas realizadas con un microscopio, luego se procede a tomar fotos de las nuevas superficies de granos para la posterior comparacin con otra probeta al 0%de deformacin.

Ensayo de dureza

Posteriormente se procede a medir la dureza de la probeta, esta se har en las caras deformadas con la comba, para medir la dureza se utilizara el durmetro Rokcwell.

LABORATORIO N 1 DEFORMACION EN FRO

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V. CLCULOS

MaterialLongitud inicial (cm)Deformacin en el yunque (%TF)Longitud final aprox. (cm)Dureza (HRB)Variacin (%)

Antes de la deformacinLuego de ladeformacin

Seccin ASeccin BSeccin ASeccin BSeccin ASeccin B

Bronce[---]60[---]808084.287.45.259.25

Cu[---]0[---]3853385300

Cu[---]10[---]385330.322.2-20.26-58.11

Cu[---]20[---]38533148.9-18.42-7.74

Cu[---]30[---]385363.537.367.11-29.62

Cu1.76401.056385341.246.28.42-12.83

Cu[---]50[---]385348.751.228.16-3.39

Cu[---]60[---]385347.5[---]25[---]

Cu[---]70[---]385351.956.936.587.36

Seccin A:Cara de la probeta (superior e inferior) golpeada por la comba en el yunque.

Seccin B:Cara de la probeta (laterales) obtenida por corte con la sierra y limado.

Tabla N 1 Medida de la dureza antes y luego de la deformacin.

Observaciones:

Como se va a comparar la dureza con el porcentaje de deformacin en el yunque, de cada probeta, es decir se utiliza un anlogo a la deformacin unitaria (%TF), los valores iniciales no son necesarios. Las secciones A y B corresponden a las caras afectadas por la comba y la sierra / limado respectivamente. Para obtener una grfica aceptable, en el caso del Cu, se eliminaron 2 puntos de la tabla no muy bien medidos: el de 60% (para ambas series) y el de 10% (para la serie 1).

Grfica N 1 Dureza vs. Deformacin unitaria en el Cu.

Serie 1: Corresponde a la relacin HRB %TF en la seccin B. Serie 2: Corresponde a la relacin HRB %TF en la seccin A.

VI. CUESTIONARIO

6.1) Cunto ms pequeo es el grado de deformacin (por encima de la mnima), la temperatura debe ser mayor o menor? Explique.

La deformacin en fro se produce cuando el material endurece progresivamente a medida que aumenta la deformacin plstica, esto implica que no se presentan fenmenos de recuperacin ni recristalizacin. El rango de trabajo en fro est limitado entre las temperaturas de transicin dctil - frgil y de recristalizacin.

La temperatura de trabajo de la deformacin en fro debe ser menor que la temperatura de recristalizacin y sta a su vez est en funcin de la temperatura de fusin del material.

_ Para materiales qumicamente puros (100%): _ Para materiales tcnicamente puros (99.99%): _ Para aleaciones o metales aleados:

En general la deformacin plstica se puede realizar en fro o en caliente.

6.2) Explique de qu factores depende el tamao de grano final en un metal.

El tamao de los granos recristalizados depende principalmente del porcentaje de deformacinTamao de grano recristalizado de un latn en funcin de la deformacin inicial, para dos diferentes valores de tamao de grano inicial

Tamao de grano:

Grado de deformacin previa: Un aumento en la deformacin previa favorece la nucleacin y, como consecuencia, la obtencin de un tamao final de grano pequeo.

Permanencia a temperatura: Cualquiera sea la temperatura de recocido, cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura, mayor es la facilidad que tiene el grano para crecer y, por tanto, mayor es su tamao final.

Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de recristalizacin, cuanto menor sea la temperatura ms fina ser el tamao de grano final.

Duracin del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura de recocido ms fino ser el tamao de grano final Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeas, uniformemente distribuidas, favorecer la obtencin de una estructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleacin y actan como barreras que obstruyen el crecimiento de los granos).

Esquema de un proceso total de recocido con sus respectivas microestructuras

6.3) Indique los mecanismos por los cuales los metales o materiales se deforman en fro.

Los tomos de los metales en estado slido ocupan las posiciones de equilibrio. Si se somete la pieza a fuerzas exteriores se produce un desplazamiento de dichos tomos alterando as el equilibrio cristaloqumico de la pieza. Este desplazamiento produce deformaciones, que pueden ser de dos tipos:

Elsticas: cuando los tomos vuelven a su posicin inicial cuando se deja de ejercer la fuerza sobre la pieza, ya que no han llegado a alcanzar unas nuevas posiciones de equilibrio. En este tipo de deformacin el slido vara su estado tensional y aumenta su energa interna en forma de energa potencial elstica.

Plsticas: cuando los tomos no vuelven a su posicin inicial despus de ejercerse la fuerza. La deformacin plstica produce cambios importantes en las propiedades de los materiales y dichos cambios son ms o menos sensibles segn se realicen a altas o bajas temperaturas.

En los materiales metlicos, la deformacin plstica ocurre mediante la formacin y movimiento de dislocaciones. Un mecanismo de deformacin secundario es el maclado (formacin de maclas). Estos mecanismos de deformacin plstica (maclas y dislocaciones) se activan cuando la tensin aplicada supera a la tensin de fluencia del material. Es decir, en un ensayo de traccin, a la tensin de fluencia finaliza la zona de deformacin elstica y comienza la zona de deformacin plstica (la tensin deja de ser proporcional a la deformacin).

6.4) Explique de qu factores depende el incremento de la dureza y esfuerzo en los materiales deformados en fro.

Como apreciamos en la grfica el esfuerzo aumenta en forma directa con el porcentaje de trabajo en frio

6.5) Qu es la textura? Graficar la forma como se presenta en el laboratorio. La textura cristalogrfica es la distribucin de orientaciones cristalinas en unpolicristal (agregadodepequeoscristalesde cualquier sustancia, a los cuales, por su formairregular, a menudo se les denomina cristalitas o granos cristalinos). Durante el proceso de deformacin en fro se produce un alargamiento de los granos en la direccin de la aplicacin de la carga y se genera una estructura fibrosa. A medida que avanza el proceso, los granos, adems de alargarse, giran haciendo que ciertas direcciones y planos cristalogrficos queden alineados. Debido a esto se desarrollan ciertas orientaciones causando un comportamiento anisotrpico.

Un material es anistropo cuando sus propiedades dependen de la orientacin segn la cual se hace la medicin de ellas.Tomemos el ejemplo de un cristal CCC y de sus direcciones [100] y [110]. Ntese que el ordenamiento atmico a lo largo de estas direcciones es muy diferente. Por ello, si medimos el mdulo elstico E segn una direccin [100], se obtiene un valor muy distinto de aquel que se obtiene segn una direccin [110]. Y esto ocurre con cualquier propiedad que consideremos, tal como resistividad elctrica, susceptibilidad magntica, coeficiente de dilatacin lineal, etc. Tal diferente comportamiento tambin se da para los planos cristalinos; por ejemplo, slo los planos {111} son planos de deslizamiento en un cristal metlico CCC.

Los monocristales son esencialmente anisotrpicos.

Cuando un monocristal es sometido, por ejemplo, a un esfuerzo de traccin o de compresin que genere deformacin plstica por deslizamiento, su estructura cristalina se reorienta respecto del eje del esfuerzo, buscando ciertas orientaciones determinadas, ya no al azar.

Ntese que cada grano de un policristal es tambin un monocristal, de modo que cada grano de un policristal tambin se reorientar. En consecuencia, cuando un policristal de granos orientados inicialmente al azar es deformado plsticamente, con la deformacin plstica los granos tendern a orientarse de una cierta manera. De modo que la estructura cristalina final no ser al azar. Por otra parte, la forma externa de los granos tambin se ver afectada por la deformacin en fro: en particular, un grano inicialmente equiaxial, deformado por deformacin plstica, quedar alargado en el sentido de la laminacin y ms plano en el plano de laminacin.

Bronce - % TF = 60Bronce - % TF = 0

Cu - % TF = 10

Cu - % TF = 0

Cu - % TF = 20Cu - % TF = 30

Cu - % TF = 50Cu - % TF = 40

VII. CONCLUSIONES

Se ha observado que los granos alargan su dimensin en la direccin transversal. Esto hace que se produzcan ligeras variaciones en la superficie media de grano que prcticamente se mantiene constante, claro esto si la deformacin ha sido pequea, pero si fue sometida a una deformacin grande hay si se nota una variacin en el tamao de grano (alargamiento del grano). La deformacin en fro es un tratamiento de deformacin permanente que se realiza por debajo de la temperatura de recristalizacin, consiguiendo aumentar la dureza y la resistencia a la traccin de la pieza y disminuyen su plasticidad y tenacidad. La deformacin del material es debida a la deformacin individual de sus granos, cualquier esfuerzo que acte sobre la pieza se transmite por su interior a travs de dichos granos. La deformacin de los granos y las tensiones que esto origina, provoca un estado de acritud en el metal, es decir, se produce un aumento de la fragilidad, de la dureza y de la resistencia mecnica de la pieza.

La densidad de dislocaciones aumenta con la deformacin, hace que sea ms difcil el movimiento de stas a travs de las dislocaciones ya existentes y el material se endurece.

VIII. RECOMENDACIONES

Al realizar la deformacin de la probeta con la comba se le recomienda al estudiante que lo haga despacio y manteniendo las caras paralelas, para que al llevarla al durmetro esta no est movindose, ya que al pasar esto la dureza medida no ser la correcta.

Tener mucho cuidado al realizar el corte longitudinal con el serrucho ya que este tiende a balacearse y as el corte saldr curvo.

Al utilizar la lima observar con sumo cuidado el momento en la cual las caras ya estn paralelas.

Al trabajar en la pulidora coger bien la probeta par que no se te caiga.

BIBLIOGRAFA

Donald R. Askeland, Pradeep P. Phul. Ciencia e ingeniera de los materiales. Cuarta edicin 2008.

Coca Rebollero, Rosique Jimnez - Ciencias de los materiales. Pirmide Madrid, 1990.

Neely - Metalurgia y materiales industriales. Limusa. Oregon 2000.

William F. Smith - Ciencia e ingeniera de materiales. McGraw Hill, 3 edicin 2004.