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PROCESOS INDUSTRIALES

DEFORMACIÓN PLÁSTICA I. INTRODUCCIÓN

Deformación Plástica I. Introducción

Tema 10 INTRODUCCIÓN A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA

10.1 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 10.1.]).

Figura 10.1. Desperdicio de material mecanizado versus conformado plástico

10.2

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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.

10.2 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 10.1.]. Forja

Deformación volumétrica

Laminación Estirado Extrusión

Conformado de metales

Doblado y curvado

Trabajo de láminas metálicas

Embutido Operaciones de corte

Tabla 10.1. 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 10.2.]: 

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.

10.3

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

Extrusión: proceso de compresión en el cual se fuerza al metal de trabajo a fluir a través de la abertura de una matriz 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 de la matriz.

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 10.2.]:   

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 10.2. Proces os volumét ricos 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). 10.4

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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.

10.3 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 10.3.].

Figura 10.3. 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). 10.5

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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:

  K

Ec.1

n

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 10.2. Valores de k y n para diferentes materiales

10.3.1 Hipótesis simplificadoras en el conformado por deformación plástica: Para realizar el estudio teórico del conformado plástico se harán las siguientes hipótesis simplificadoras, a causa de la excesiva dificultad del planteamiento riguroso:       

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

10.6

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10.3.2 Modelos de comportamiento de materiales. Idealización de diagramas En la Figura 10.4. 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 + Kꞏn (Rígido-Plástico con endurecimiento)  = Y + Kꞏ (Rígido-Plástico con endurecimiento lineal)  = Y (Rígido-Plástico perfecto), siendo Y= tensión de fluencia)

Figura 10.4. Idealización de diagramas esfuerzo-deformación

10.3.3 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

10.7

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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 10.5.]:



equiv. 

 Figura 10.5. 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: Ec.2

equivalente = 2 máxima = 1 - 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:

 equivalent e 



1  1   2  2   2   3 2   3   1 2 2



Ec.3

10.3.4 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 d2 = 0; como resulta que el Volumen es constante; se tendrá que: d 1= -d3.

10.8

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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)  2 2 = 2ꞏk = 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.

10.4 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 [Figuras 10.6. y 10.7.]. 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 10.6(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 10.6(II).].

(I)

(II)

Figura 10.6. (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 10.7. Otros tipos de defectos en la estructura cristalina 10.9

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10.4.1 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 10.8.]. 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 10.8. 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.

10.4.1.1 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 10.9.(a)]. Durante la deformación plástica, los límites de los granos permanecen intactos y la continuidad de la masa se mantiene.

(a)

(b)

Figura 10.9. Estructura de fibra 10.10

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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.

10.4.1.2 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 10.8.(b)].

10.5 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.

10.11

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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 co...