Tema 8. Deformacion Plastica I
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INGENIERÍA DE FABRICACIÓN
DEFORMACIÓN PLÁSTICA I. INTRODUCCIÓN
Deformación Plástica I. Introducción
8.2
Tema 8 INTRODUCCIÓN A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA
8.1 Introducción
El conformado por deformación plástica se define como el proceso de fabricación por
deformación permanente de un cuerpo sólido, mediante la acción de fuerzas exteriores
(compresión, tracción, flexión, etc.), el cual conlleva una modificación de la geometría del
mismo y una variación de sus características mecánicas.
Los materiales susceptibles de aplicar estos procesos son los materiales con un amplio
periodo plástico, y por lo tanto pueden experimentar una deformación permanente
importante sin destruir sus enlaces moleculares. Ejemplos de este tipo son el acero y los
metales no férreos maleables.
El trabajo de los procesos de deformación consiste en someter el metal a un esfuerzo
suficiente para hacer que éste fluya plásticamente y tome la forma deseada. La importancia
tecnológica y comercial se debe a, entre otros, los siguientes motivos:
Se alcanzan cambios significativos en la geometría de la pieza (dar forma).
Incremento de resistencia.
Conformado a volumen constante (desperdicio nulo de material, [Figura 8.1.]).
Figura 8.1. Desperdicio de material mecanizado versus conformado plástico
Deformación Plástica I. Introducción
8.3
Los procesos de conformado por deformación plástica (PCDP) han sido diseñados para
explotar una propiedad fundamental de algunos materiales de ingeniería (prácticamente la
totalidad de los metales) denominada plasticidad, es decir, la capacidad de fluencia en
estado sólido sin menoscabo de sus propiedades (incluso con la mejora de éstas).
En general, se aplica el esfuerzo de compresión para deformar plásticamente el metal. Sin
embargo, algunos procesos de conformado estiran al mismo, mientras que otros lo doblan y
otros más lo cortan. Para conformar con éxito un metal, éste debe poseer ciertas
propiedades. Las propiedades convenientes para el conformado son por lo general baja
resistencia a la fluencia y alta ductilidad. Estas propiedades están afectadas por la
temperatura, el rozamiento, la acritud y otros parámetros que definen el problema de
conformado.
8.2 Clasificación de los procesos de conformado por deformación
plástica (PCDP)
Se han desarrollado centenares de procesos para trabajar los metales destinados a
aplicaciones específicas. Sin embargo, estos se pueden clasificar en: 1) Procesos de
deformación volumétrica y 2) Procesos de trabajo de láminas metálicas [Tabla 8.1.].
Tabla 8.1. Clasificación de procesos de conformado por deformación plástica
Los procesos de deformación volumétrica se caracterizan por deformaciones significativas y
grandes cambios de forma, siendo la relación entre área superficial y volumen de trabajo
relativamente pequeñas. La forma de trabajo inicial incluye barras cilíndricas y tochos
rectangulares. Las operaciones básicas dentro de este grupo son [Figura 8.2.]:
Forja: se comprime una pieza de trabajo entre dos troqueles opuestos
Laminación: proceso de compresión en el que se reduce el espesor de una plancha o
placa por medio de herramientas cilíndricas opuestas llamadas rodillos.
Conformado de metales
Deformación volumétrica
Forja
Laminación
Estirado
Extrusión
Trabajo de láminas metálicas
Doblado y curvado
Embutido
Operaciones de corte
Deformación Plástica I. Introducción
8.4
Extrusión: proceso de compresión en el cual se fuerza al metal de trabajo a fluir a
través de la abertura de un troquel para que tome la forma de la abertura de éste en
su sección transversal.
Estirado: proceso de reducción del diámetro de un alambre o barra cuando se tira del
alambre a través de una abertura del troquel.
Los procesos de trabajo de láminas metálicas son operaciones de conformado o
preconformado de láminas, tiras y rollos de metal. La relación entre área superficial y el
volumen es alta. Las operaciones básicas dentro de este grupo son [Figura 8.2.]:
Doblado y curvado: deformación de una lámina metálica para que adopte un ángulo
respecto a un eje recto
Embutido: transformación de una lámina plana de metal en una forma hueca o
cóncava.
Operaciones de corte: aunque no es un proceso de conformado propiamente dicho,
se incluye aquí debido a que es una operación necesaria y muy común en el trabajo
de láminas metálicas
Figura 8.2. Procesos volumétricos y de conformado de chapa
Estas operaciones también se pueden clasificar en función de las fuerzas que provocan la
deformación plástica en el material cuando se le da la forma requerida. Estas clases son:
1. Procesos de compresión directa. La fuerza se aplica a la superficie de la pieza que se
trabaja y el metal fluye formando ángulo recto con la dirección de la compresión (forja
y laminación).
Deformación Plástica I. Introducción
8.5
2. Procesos de compresión indirecta. Se desarrollan fuerzas de compresión elevadas
por reacción entre la pieza que se trabaja y la matriz (estirado mediante hilera,
trefilado, extrusión, embutición profunda, etc.).
3. Procesos de tracción. El metal se adapta al contorno de una matriz por aplicación de
fuerzas de tracción (estirado).
4. Procesos de cizallamiento. Implica fuerzas lo suficientemente elevadas para provocar
el corte del metal.
5. Procesos de plegado. Supone la aplicación de momentos de flexión a la chapa.
8.3 Comportamiento del material en el conformado por
deformación plástica
Cuando un material está en servicio, queda sometido a una serie de esfuerzos que pueden
afectar a su geometría y comportamiento. Si representamos el esfuerzo en función de la
deformación unitaria para un metal (ensayo de tracción) obtenemos una curva característica
semejante a la que se muestra a continuación [Figura 8.3.].
Figura 8.3. Diagrama tensión-deformación uniaxial (b) sobre probeta de tracción (a)
Durante la primera parte de la curva, el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria,
nos encontramos en la región elástica (OY). Cuando disminuye el esfuerzo aplicado, el
material vuelve a su longitud inicial Lo. La línea recta (en realidad existe una etapa posterior
no proporcional) termina en un punto Y denominado límite elástico. Si se sigue aumentando
el esfuerzo la deformación unitaria aumenta rápidamente, pero al reducir el esfuerzo, el
material no recobra su longitud inicial. La longitud que corresponde a un esfuerzo nulo es
ahora mayor que la inicial Lo, y se dice que el material ha adquirido una deformación
permanente (ue = Le-Lo).
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8.6
El material se deforma hasta un máximo, denominado punto de rotura (R). Entre el límite de
la deformación elástica (Y) y el punto de rotura tiene lugar la deformación plástica.
Si entre el límite de la región elástica y el punto de rotura tiene lugar una gran deformación
plástica el material se denomina dúctil. Sin embargo, si la rotura ocurre poco después del
límite elástico el material se denomina frágil.
La curva de tensión-deformación ofrece una visión que permite comprender el
comportamiento de los metales durante su formación. La relación típica exhibe elasticidad
por debajo del punto de fluencia, y endurecimiento por deformación arriba de dicho punto.
En la región plástica, el comportamiento del metal se expresa por la curva de fluencia:
(1)
donde K es el coeficiente de resistencia, y n es el exponente de endurecimiento por
deformación. El esfuerzo σ y la deformación ε en la curva de fluencia son el esfuerzo real y
la deformación real. La curva de fluencia es generalmente válida como una relación que
define el comportamiento plástico de un metal en el trabajo en frío.
Tabla 8.2. Valores de k y n para diferentes materiales
8.3.1 Hipótesis simplificadoras en el conformado por deformación plástica:
Uniformidad e isotropía antes y después de la deformación
Independencia del tiempo si se aplican procesos de carga similares
Independencia de la temperatura sobre la deformación (frío o caliente se distinguen
por sus diferentes respuestas tensión- deformación)
Simetría de las tensiones aplicadas. (no efecto Bauschinger)
Estado esférico de tensiones no provoca deformación.
Invariabilidad del volumen del material.
Idealización de diagramas
nK
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8.3.2 Modelos de comportamiento de materiales. Idealización de diagramas
En la Figura 8.4. se presentan los diagramas tensión-deformación que caracterizan el
comportamiento de los materiales metálicos. Las expresiones que se muestran a
continuación responden a los diferentes comportamientos rígido-plásticos del material
representados en esta figura.
= Y + K·n (Rígido-Plástico con endurecimiento)
= Y + K· (Rígido-Plástico con endurecimiento lineal)
= Y (Rígido-Plástico perfecto), siendo Y= tensión de fluencia)
Figura 8.4. Idealización de diagramas esfuerzo-deformación
8.3.3 Criterios de fluencia
Generalmente la información disponible sobre un material es su límite elástico, obtenido
mediante el ensayo de tracción. En los procesos de deformación plástica, sometidos a
tensiones en las tres direcciones principales, la deformación se produce, a su vez y salvo
casos excepcionales o configuraciones de deformación plana, sobre las tres direcciones
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8.8
principales indicadas. Debido a esto, es necesario establecer un criterio que permita
encontrar un estado de tensión monoaxial equivalente al estado tensional establecido por las
tensiones principales [Figura 8.5.]:
Figura 8.5. Estado tensional triaxial
Se trata pues de encontrar una función de las tensiones principales para la que la
deformación plástica alcanza un estado crítico. De entre los diferentes criterios desarrollados
a tal efecto, presentamos de forma breve los dos criterios de más sencilla aplicación y de
mayor empleo:
Criterio de Tresca
También llamado de la tensión tangencial máxima (basado en observaciones
experimentales) y según el cual:
equivalente = 2 máxima = 1 - 2 Ec.2
Aceptable para materiales dúctiles sometidos a estados de tensión en los que se
presentan tensiones tangenciales relativamente grandes, por lo que sólo se tomará
en cuenta dos de las tres direcciones principales.
Criterio de Von Mises
Este criterio es interpretado físicamente como el resultado de la variación de la
energía de distorsión. Según el mismo, solamente una parte de la energía de
deformación, la debida al cambio de forma, determina la aparición de deformaciones
plásticas:
Ec.3
8.3.4 Fluencia bajo condiciones de deformación plana
La mencionada anteriormente como condición de Deformación Plana es aquella en la que
mediante consideraciones geométricas o tecnológicas se pueda estimar que se produce
deformación en dos de las tres direcciones principales (no tensión plana, puesto que
esfuerzos si se presentarán en las tres direcciones). Si suponemos que la fluencia por lo
tanto tiene lugar paralelamente al plano definido por las direcciones de las tensiones
principales 1 y 3; entonces d2 = 0; como resulta que el Volumen es constante; se tendrá
que: d1= -d3.
equiv.
2
13
2
32
2
212
1 eequivalent
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De forma que las tensiones principales serán: 1 = k y 3 = -k. 2 tendrá únicamente una
componente hidrostática que no provoca deformación.
2 = ½ (1 + 3) 22 = 2·k = S (tensión de fluencia en ensayo de compresión con
deformación plana).
En deformación plana no es necesario utilizar ningún criterio de deformación, ya que como
se ve k es el resultado de un esfuerzo cortante puro.
8.4 La deformación en materiales metálicos
Cuando un cristal es sometido a fuerzas mecánicas que se incrementan de forma gradual,
su respuesta inicial es deformarse de modo elástico. Esto se parece a un alargamiento de la
estructura de red sin que haya cambios en la posición de los átomos en la red. Si se elimina
la fuerza, la estructura de red y por lo tanto el cristal, regresa a su forma original. Si el
esfuerzo alcanza un valor alto en relación con las fuerzas electrostáticas que mantiene a los
átomos en su lugar dentro de la red, ocurre un cambio permanente denominado deformación
plástica.
En esta deformación del cristal, hay que tener en cuenta los distintos defectos de red que
pueden haber presentes. Se denomina dislocación al defecto de la red cristalina de
dimensión uno, es decir, que afectan a una fila de puntos de la red [Figura 8.6(I)]. Las
dislocaciones tienen un papel muy importante para facilitar el deslizamiento en los metales.
Cuando una estructura de red que contiene una dislocación de borde se somete a una
fuerza cortante, el material se deforma con mucha mayor facilidad que si se tratara de una
estructura perfecta [Figura 8.6(II).].
(I)
(II)
Figura 8.6. (I) Dislocación (a) de borde (plano extra de átomos en el cristal) y (b) helicoidal o
de tornillo (superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de
dislocación formado al aplicar un esfuerzo cizallante). (II) Dislocación de borde sometido a
fuerza cortante.
Figura 8.7. Otros tipos de defectos en la estructura cristalina
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8.10
8.4.1 Deformación plástica de los metales policristalinos
Los metales que se utilizan normalmente en la fabricación de diversos productos constan de
muchos cristales individuales orientados al azar (granos); por lo tanto, las estructuras
metálicas no son monocristalinas sino policristalinas. Cuando una masa de metal fundido
comienza a solidificar, los cristales empiezan a formarse independientemente unos de otros
en varios lugares dentro de la masa líquida; tienen orientaciones al azar y sin relación unas
con otras. Después, cada uno de ellos crece en una estructura cristalina o grano. El número
y los tamaños de los granos desarrollados en una unidad de volumen del metal dependen de
la velocidad a la que tiene lugar la nucleación. El número de lugares diferentes en los que se
comienzan a formar los cristales individuales y la velocidad a la que éstos crecen, influyen en
el tamaño medio de los granos desarrollados [Figura 8.7.]. Si la velocidad de nucleación es
alta, el número de granos en una unidad de volumen del metal será grande y, por lo tanto, el
tamaño de grano será pequeño. Por el contrario, si la velocidad de crecimiento de los
cristales es elevada (en comparación con su velocidad de nucleación), habrá menos granos
por unidad de volumen y su tamaño será mayor. Generalmente, el enfriamiento rápido
produce granos más pequeños, mientras que el lento produce granos más grandes.
Figura 8.7. Crecimiento de granos
El tamaño de grano influye de modo significativo en las propiedades mecánicas de los
metales. A la Tª ambiente, por ejemplo, el tamaño grande del grano se asocia en general
con resistencia, dureza y ductilidad bajas. Los granos más grandes, particularmente en las
hojas metálicas, también provocan una superficie de apariencia rugosa después de estirar el
material (efecto piel de naranja). Los granos pueden ser tan grandes que sea posible verlos
a simple vista, como los de zinc en la superficie galvanizada de las hojas de acero.
8.4.1.1 Endurecimiento por deformación (acritud)
Si un metal policristalino con granos equiaxiales uniformes se somete a deformación plástica
con trabajo en frío, los granos se deforman y se alargan [Figura 8.8.(a)]. Durante la
deformación plástica, los límites de los granos permanecen intactos y la continuidad de la
masa se mantiene.
(a) (b)
Figura 8.8. Estructura de fibra
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8.11
Aunque de forma general la presencia de una dislocación reduce el esfuerzo cortante
requerido para provocar el deslizamiento, las dislocaciones pueden obstruirse unas con otras
y verse impedido su desplazamiento por la aparición de barreras como límites de grano,
impurezas, e inclusiones en el material. Por tanto, el metal deformado muestra una
resistencia mayor debido a la obstrucción de las dislocaciones con los límites de los granos.
El aumento de resistencia depende del grado de deformación (esfuerzo) al que se somete el
metal; cuanto mayor sea la deformación, más fuerte será el metal. El aumento de resistencia
es mayor para metales con los granos más pequeños porque tienen un área superficial de
límites de grano mayor por unidad de volumen de metal y, de ahí, mayor obstrucción de las
dislocaciones.
Al aumento en el esfuerzo cortante, que incrementa la resistencia total y la dureza del metal,
se le conoce como endurecimiento por resistencia a la propia deformación o acritud. Cuanto
mayor sea la deformación, mayor será el número de obstrucciones, y de ahí un aumento en
la resistencia del metal.
El endurecimiento por deformación se emplea ampliamente para aumentar la resistencia de
los metales en los procesos de trabajo en frío de los mismos. Ejemplos característicos son la
producción de hojas metálicas para carrocerías de automóviles y fuselajes de aviones
mediante el laminado en frío, la fabricación de cabezas de tornillos mediante forjado, y el
endurecimiento de cables mediante la reducción de su sección estirándolos a través de una
hilera.
8.4.1.2 Anisotropía
Muchos productos desarrollan anisotropía de propiedades mecánicas después de haberse
procesado mediante técnicas de trabajo de los metales debido a la fuerte orientación en
forma de fibra de los granos que componen el material [Figura 8.8.(b)].
8.5 Temperatura en el conformado plástico
La curva de fluencia es una representación válida del comportamiento esfuerzo-deformación
de un metal durante su deformación plástica, particularmente en operaciones de trabajo en
frío. Para cualquier metal, los valores de K y n dependen de la temperatura. Tanto la
resistencia, como el endurecimiento por deformación, se reducen a altas temperaturas. Este
cambio de propiedades es importante porque cualquier operación de deformación se puede
alcanzar a temperaturas elevadas con fuerzas y potencias menores.
Los dos rangos de temperatura en los cuales el material puede sufrir una deformación
plástica y cambiar de forma, son los denominados de trabajo en caliente y en frío.
Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es
fácil de definir. 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 permanentemente.
Deformación Plástica I. Introducción
8.12
La transición entre los trabajos en caliente y en frío se establece en base a la denominada
temperatura de recristalización (temperatura a la cual, un material deformado intensamente
en frío recristaliza en una hora). El trabajo en caliente de los metales se lleva a cabo por
encima de ésta y el trabajo en frío debe de realizarse a temperaturas inferiores; esta
temperatura puede ser muy diferente, dependiendo del material.
Por ejemplo, para el acero, la recristalización se produce alrededor de 500 a 700 °C, aunque
la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente
por encima de este rango. Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo
rango recristalino y pueden trabajarse en frío, pero la mayoría de los metales comerciales
requieren algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre
todo en el rango de trabajo adecuado, siendo el resultado acostumbrado de estos elementos
de aleación aumentar la temperatura del rango recristalino. Este rango también puede
incrementarse por un trabajo anterior en frío.
Para explicar la influencia de la temperatura en frío o en caliente, existe un principio
generalizado que implica que al aumentar la temperatura de conformado disminuye la
resistencia del material (se produce una mayor excitación atómica en la estructura de éste) y
por tanto se deforma mejor, produciéndose un menor desgaste de las instalaciones.
El aumento de la temperatura, sin embargo, tiene un límite: a mayores temperaturas, el
material se hace más vulnerable, sufre alteraciones de composición si no está debidamente
protegido; en particular, la presencia del oxígeno puede incidir negativamente en el producto
final.
Figura 8.9. Influencia de la temperatura
Por otra parte, el material sufre alteraciones en su aspecto, ya que al producirse cascarilla se
hace necesaria su limpieza; el material puede llegar a quemarse, produciéndose la
desintegración del mismo por descohesión intergranular.
8.5.1 Temperatura de recristalización
La recristalilzación es el proceso de formación de nuevos granos a partir de granos ya
existentes, que habían sido previamente deformados en frío. El proceso para llegar a esta
situación es el siguiente: si 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 se
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8.13
calienta durante un tiempo prolongado a temperaturas superiores, 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.
Cuando la temperatura es mayor que 0.5 Tf (temperatura de fusión), los átomos se mueven y
se difunden para formar núcleos nuevos. Esta difusión depende en gran parte del tiempo y
de la temperatura (se obtiene un grano equiaxial cuyo tamaño es función del trabajo previo
en frío, del tiempo y de la temperatura). La fuerza que promueve la recristalización proviene
del incremento de energía que resulta de la estructura provocada por la deformación en frío
previa, por lo que ésta comienza a una temperatura tanto menor cuanto mayor es el trabajo
previo.
La temperatura de referencia 0.5 Tf es sólo una guía, ya que pequeñas cantidades de
elementos de aleación pueden retrasar la formación de nuevos granos, elevando la
temperatura de recristalización. Por ejemplo, en superaleaciones diseñadas para trabajar a
altas temperaturas, el inicio de la recristalización se produce en torno a 0.8 Tf.
Los principales factores que influyen en la temperatura de recristalización son:
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. Por esto hay que aplicar mayor fuerza externa ya que la estructura del
material es más dura y se necesita más fuerza para deformarlo.
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 sí lo son si afecta, generalmente elevándolas.
8.5.2 Trabajo en caliente
Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es
conformado rápidamente por presión. El trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:
1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes
fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez
eliminadas por la alta presión de trabajo.
2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del
metal.
3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados
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8.14
4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al
refinamiento del grano. Se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor
resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.
5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma es mucho menor que la
requerida cuando se realiza en frío.
Tabla 8.3. Temperaturas de fusión y de recristalización.
Metal Temperatura de fusión (ºC) Temperatura de recristalización (ºC)
Pb 327 Temperatura ambiente
Sn 232 Temperatura ambiente
Zn 420 Temperatura ambiente
Al 660 150
Mg 650 200
Ag 962 200
Cu 1085 200
Mo 2610 900
W 3410 1200
En cuanto a inconvenientes, todos los procesos de trabajo en caliente presentan algunos
que no pueden ignorarse:
1. Debido a la alta temperatura, existe una rápida oxidación de la superficie, lo cual
conlleva un pobre acabado superficial.
2. No pueden mantenerse tolerancias estrechas.
3. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el
proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.
Con el trabajo en caliente se obtienen productos que, salvo ligeras operaciones, están listos
para usarse en puentes, barcos, raíles de ferrocarril, y otras aplicaciones en las que no se
requieren tolerancias estrechas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado
que el contenido de carbono es menor del 0.25%.
8.5.3 Trabajo en frío
En el otro extremo de la influencia de la temperatura se encuentra el conformado en frío, que
energéticamente es más económico, ya que el producto obtenido no requiere de
operaciones posteriores tales como enderezados o mecanizados. Además, el material no
experimenta un crecimiento del tamaño del grano por activación térmica, sino que sufre la
deformación de los granos con el consiguiente endurecimiento por acritud.
El conformado en frío, sin embargo, presenta dificultades no despreciables, ya que la
potencia necesaria para deformar el material es muy elevada, por lo que se requieren
instalaciones especiales; además, el desgaste de las máquinas hace necesario un control
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8.15
dimensional eficaz y la geometría del producto no puede ser muy complicada (puesto que el
material no puede fluir y rellenar cualquier tipo de molde).
8.6 Sensibilidad a la velocidad de deformación
En teoría, un metal en trabajo en caliente se comporta como un material perfectamente
plástico, con un exponente de endurecimiento por deformación n=0. Esto significa que una
vez que se alcanza el nivel de esfuerzo de fluencia, el metal debe continuar fluyendo bajo el
mismo nivel del mismo. Sin embargo, un fenómeno adicional caracteriza el comportamiento
de los metales durante su deformación, especialmente a las temperaturas elevadas del
trabajo en caliente. Este fenómeno es la sensibilidad a la velocidad de deformación.
La rapidez a la que se deforma el metal en un proceso de conformado se relaciona
directamente con la velocidad de deformación. En muchas operaciones de conformado, la
velocidad de deformación es igual a la velocidad de la matriz o de cualquier otro elemento
móvil del equipo . La velocidad de deformación real se define como:
h
(3)
Siendo la velocidad de deformación real, la velocidad de deformación (rapidez del
elemento móvil) y h la altura instantánea de la pieza que se deforma. Si la velocidad de
deformación es constante durante la operación, entonces varía con la altura.
Ya se ha observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es función de la temperatura.
En las temperaturas de trabajo en caliente, el esfuerzo de fluencia depende de la velocidad
de deformación. El efecto de la velocidad de deformación sobre las propiedades de
resistencia se conoce como sensibilidad a la velocidad de deformación. El efecto se
puede apreciar en la Figura 8.10.
Figura 8.10. a) Efecto de la velocidad de deformación sobre la resistencia de fluencia a
temperatura de trabajo elevada; b) Misma relación graficada en coordenadas log-log
Al aumentar la velocidad de deformación, se incrementa la resistencia a la deformación. Esto
se representa de manera usual como una línea aproximadamente recta en una gráfica
doblemente logarítmica [Figura 8.10.(b)], lo cual conduce a la relación siguiente:
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8.16
(4)
Donde C es la constante de resistencia y m, el exponente de sensibilidad a la velocidad de
deformación.
El efecto de la temperatura sobre los parámetros es notable. A temperatura ambiente, el
efecto de la velocidad de deformación es casi despreciable. A medida que aumenta la
temperatura, la velocidad de deformación juega un papel más importante en la
determinación del esfuerzo de fluencia, dado por las pendientes mayores de las relaciones
deformación-velocidad.
8.7 Fricción y lubricación en el conformado de metales
La fricción en el conformado de metales surge debido al estrecho contacto entre las
superficies de la herramienta y el material de trabajo, y a las altas presiones que soportan las
superficies en estas operaciones. En la mayoría de los procesos de conformado, la fricción
es inconveniente por las siguientes razones:
1) retarda el flujo del metal en el trabajo, ocasionando esfuerzos residuales y algunas
veces defectos del producto.
2) se incrementan las fuerzas y la potencia para desempeñar la operación, y
3) el desgaste de las herramientas puede conducir a la pérdida de la precisión
dimensional, lo cual da por resultado piezas defectuosas y el reemplazo de las
herramientas.
La fricción en el conformado de metales es diferente a la que se encuentra en la mayoría de
los sistemas mecánicos. En estos otros casos actúan generalmente bajas presiones de
contacto, temperaturas entre bajas y moderadas, y una lubricación amplia para minimizar el
contacto. Por el contrario, las condiciones en el conformado de metales representan
presiones muy elevadas entre la superficie de la herramienta y la de la pieza de trabajo,
deformación plástica del elemento más blando, y altas temperaturas. Estas condiciones
pueden generar coeficientes de rozamiento elevados, incluso con la adición de lubricantes.
Si el coeficiente de rozamiento llega a ser lo suficientemente grande, ocurre una condición
conocida como adherencia. La adherencia en el trabajo de metales es la tendencia de las
dos superficies en movimiento relativo a unirse la una a la otra en lugar de deslizarse. Esto
significa que el esfuerzo de fricción entre las superficies excede al esfuerzo de flujo cortante
del metal de trabajo, ocasionando que el metal se deforme por un proceso de corte por
debajo de la superficie, en lugar de que ocurra un deslizamiento entre las superficies. La
adherencia ocurre en los procesos de conformado plástico, y es un problema importante en
el laminado, como se verá más adelante.
Los lubricantes para el trabajo de los metales se aplican en la interfaz herramienta-pieza de
trabajo en muchas operaciones de conformado para reducir los perjudiciales efectos del
rozamiento. Los lubricantes también tienen otras funciones como reducir el calor transmitido
a las matrices. Los lubricantes usados en trabajo en frío incluyen aceites minerales, grasas y
aceites grasos, emulsiones en agua, jabones y otros recubrimientos. El trabajo en caliente se
realiza algunas veces en seco para ciertas operaciones y materiales (por ejemplo, el
m
f CY
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8.17
laminado en caliente del acero y la extrusión del aluminio. Cuando los lubricantes se usan
para trabajo en caliente incluyen aceites minerales, grafito y vidrio. El vidrio fundido se
convierte en un lubricante efectivo para la extrusión en caliente de aleaciones de acero. El
grafito contenido en agua o aceite mineral es un lubricante común para el forjado en caliente
de varios materiales de trabajo.