LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO I. – OBJETIVOS DE LA L A EXPERIENCIA EXPERIENCIA
Observar cómo varían las propiedades mecánicas (dureza, resistencia, tamaño de grano, fragilidad, ductilidad, etc.) del metal o material luego de someterlo a un trabajo en frío o deformación plástica.
Conocer los mecanismos de deformaciones, las transformaciones ue ocurren en las estructuras cristalinas en el metal luego del trabajo en frío.
!eal !ealiz izar ar los los resp respec ectiv tivos os ensa ensa"o "os s de dure dureza za " meta metalo logr graf afía ía a los los materiales escogidos (#ronce " Cu) para el trabajo en frío a distintos valores de deformación longitudinal.
II. – FUNDAMENTO TEÓRICO $%&'!$C$%*O $%&'!$C$%*O +O! &$O!-CO% +-/*C- $% !O, !$C!/*-0-CO% 1 C!$C$%*O &$ 2!-%O. $l endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal d3ctil se vuelve más duro " resistente a medida es deformado plásticamente. 2eneralmente a este fenómeno tambi4n se le llama trabajo en frío, debido a ue la deformación se da a una temperatura 5fría5 relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal.
$n los diagramas se muestra la variación de la resistencia a la fluencia " la resistencia a la tensión para el acero 6787, el bronce " el cobre. %ote ue la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en frío, sin embargo la ductilidad del material disminu"e tal como se muestra en el siguiente gráfico.
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO $l fenómeno de endurecimiento por deformación se e9plica así: 6. $l metal posee dislocaciones en su estructura cristalina. ;. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. <. -l moverse las dislocaciones, aumentan en n3mero. 8. -l =aber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento. >. -l ser más difícil ue las dislocaciones se muevan, se reuiere de una fuerza ma"or para mantenerlas en movimiento. /e dice entonces ue el material se =a endurecido. &istintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plásticamente. $sa =abilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformación. $ntre ma"or es n para un metal, más se endurece al ser deformado plásticamente. +ara ue el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario ue las dislocaciones ue fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura del metal. a estructura cristalina del metal tiene un n3mero 5normal5 de dislocaciones. a deformación plástica =a causado ue =a"a más dislocaciones ue ese n3mero 5normal5, por lo ue la estructura cristalina tenderá a =acer desaparecer a las dislocaciones 5e9tra5. /i se aumenta la temperatura del material =asta el grado ue se permita la difusión atómica, las dislocaciones 5e9tra5 desaparecerán del material, =aciendo ue 4ste recupere las propiedades mecánicas ue tenía antes de ser deformado. /abemos ue la difusión se activa a una temperatura ma"or ue 7.8 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos, por lo tanto se tendrá lo siguiente:
Trabajo en fro. • • •
$9iste endurecimiento por deformación. /e crean dislocaciones " 4stas uedan en el material $l material endurece
Trabajo en !a"#en$e • • •
%o e9iste endurecimiento por deformación. /e crean dislocaciones pero 4stas desaparecen por difusión. $l material no endurece.
$l trabajo en frío no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura del metal, sin ue tambi4n cause la deformación de sus granos. a combinación de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa esfuerzos residuales dentro del material. os esfuerzos residuales no son más
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO ue zonas de tensión o compresión ue e9isten dentro del material sin ue sean generadas por fuerzas e9ternas. os esfuerzos residuales pueden causar el debilitamiento del material, =aciendo ue falle a esfuerzos aplicados menores a su resistencia nominal. $l aumento de las dislocaciones " la deformaci $%&'!$C$%*O +O! &$O!-CO% +-/*C- $% !O, !$C!/*-0-CO% 1 C!$C$%*O &$ 2!-%O. $l endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal d3ctil se vuelve más duro " resistente a medida es deformado plásticamente. 2eneralmente a este fenómeno tambi4n se le llama trabajo en frío, debido a ue la deformación se da a una temperatura 5fría5 relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal.
$n los diagramas se muestra la variación de la resistencia a la fluencia " la resistencia a la tensión para el acero 6787, el bronce " el cobre. %ote ue la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en frío, sin embargo la ductilidad del material disminu"e tal como se muestra en el siguiente gráfico.
$l fenómeno de endurecimiento por deformación se e9plica así: 6. $l metal posee dislocaciones en su estructura cristalina. ;. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. <. -l moverse las dislocaciones, aumentan en n3mero. 8. -l =aber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento.
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO >. -l ser más difícil ue las dislocaciones se muevan, se reuiere de una fuerza ma"or para mantenerlas en movimiento. /e dice entonces ue el material se =a endurecido. &istintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plásticamente. $sa =abilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformación. $ntre ma"or es n para un metal, más se endurece al ser deformado plásticamente. +ara ue el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario ue las dislocaciones ue fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura del metal. a estructura cristalina del metal tiene un n3mero 5normal5 de dislocaciones. a deformación plástica =a causado ue =a"a más dislocaciones ue ese n3mero 5normal5, por lo ue la estructura cristalina tenderá a =acer desaparecer a las dislocaciones 5e9tra5. /i se aumenta la temperatura del material =asta el grado ue se permita la difusión atómica, las dislocaciones 5e9tra5 desaparecerán del material, =aciendo ue 4ste recupere las propiedades mecánicas ue tenía antes de ser deformado. /abemos ue la difusión se activa a una temperatura ma"or ue 7.8 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos, por lo tanto se tendrá lo siguiente:
Trabajo en fro. • • •
$9iste endurecimiento por deformación. /e crean dislocaciones " 4stas uedan en el material $l material endurece
Trabajo en !a"#en$e • • •
%o e9iste endurecimiento por deformación. /e crean dislocaciones pero 4stas desaparecen por difusión. $l material no endurece.
$l trabajo en frío no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura del metal, sin ue tambi4n cause la deformación de sus granos. a combinación de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa esfuerzos residuales dentro del material. os esfuerzos residuales no son más ue zonas de tensión o compresión ue e9isten dentro del material sin ue sean generadas por fuerzas e9ternas. os esfuerzos residuales pueden causar el debilitamiento del material, =aciendo ue falle a esfuerzos aplicados menores a su resistencia nominal. $l aumento de las dislocaciones " la deformación de los granos de la estructura cristalina pueden causar cambios en las propiedades el4ctricas " la resistencia a la corrosión del metal. *odos los cambios asociados a la deformación plástica en frío pueden ser revertidos utilizando el tratamiento t4rmico apropiado. a restauración de las propiedades a los valores previos a la deformación se logra a partir de dos procesos diferentes ue ocurren a temperatura elevada:
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO
• •
a recuperación " recristalización. $l crecimiento del grano.
ón de los granos de la estructura cristalina pueden causar cambios en las propiedades el4ctricas " la resistencia a la corrosión del metal. *odos los cambios asociados a la deformación plástica en frío pueden ser revertidos utilizando el tratamiento t4rmico apropiado. a restauración de las propiedades a los valores previos a la deformación se logra a partir de dos procesos diferentes ue ocurren a temperatura elevada:
• •
a recuperación " recristalización. $l crecimiento del grano.
III. – E%UIPOS E INSTRUMENTOS UTILI&ADOS +ara la parte de dureza: • • • • • • •
6 probeta de #ronce " ? de Cu. (orma cilíndrica). (ig. 6) 6 vernier. (ig. ;) 6 comba " 6 "unue. (ig. <) *ornillo de banco. (ig. 8) 6 sierra. (ig. >) 6 lima plana. (ig. @) &urómetro !ocABell digital. (ig. )
Fig. 2 – &er$ier.
ig. 1 – Probeta +ara !e C"la #parte Bro$%e. metalográfica: • •
•
as anteriores probetas (orma cilíndrica). @ lijas de agua abrasivas para fierro (%D: 6?7, <@7, @77, ?77, 6777 " 6;77). (ig. ?) +ulidora. (ig. E)
( Al
O3
)
•
-l3mina
•
-lgodón, alco=ol " ácido nítrico
• •
2
" agua.
( HN O ) . 3
(ig. 67)
/ecadora. (ig. 66) icroscopio metalográfico. 6;)!e ba$%o. Fig. 4 – (ig. Tor$i))o
Fig. 3 – Co'ba # #"$("e.
Fig. * – +ierra.
Fig. , – Li'a -)a$a.
*
LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO
Fi . 7 – Durómetro Rockwell di ital.
Fi . # – $ulidora. Fi . 11 – )ecadora.
Fi . 8 – Li as de a ua.
Fi . 1% – &icrosco io metalo r! ico.
Fi . 10 – Al odón al odón
IV. –
PROCEDIMIENTO +rocedimiento de deformación •
$l proceso llevado a cabo consiste en la deformación de una serie de probetas, aplicándoles diferentes grados de deformación. a deformación se obtiene golpeando con una comba la probeta dada sobre un "unue =asta obtener la deformación pedida. $jemplo: +iden deformación al 87F de Cu, fGoH87Fo
•
+osteriormente se procede a realizar ; cortes longitudinales (perpendiculares al área golpeada con la comba), luego para ue estas dos nuevas áreas sean paralelas se procede a limarlas.
+reparación metalográfica •
+osteriormente, se =a procedido a la preparación metalográfica de una de las zonas cortadas " limadas, " la consiguiente observación al microscopio.
,
!cido n"trico.
LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO •
•
•
•
- continuación, se procede al lijado con el fin de eliminar todo lo ue pudiera obstaculizar su e9amen, a la vez ue se obtiene una superficie plana con peueña rugosidad. $ste proceso se =a realizado con @ lijas de n3meros: 6?7, <@7, @77, 6777, 6;77,6@77. I+osteriormente se lleva a la pulidora, esta etapa tiene por objeto obtener una superficie especular. *ras estas etapas se somete a las muestras a un ataue uímico para revelar el grano. +ara realizar las medidas " clasificación de las distintas muestras se =an empleado micrografías realizadas con un microscopio, luego se procede a tomar fotos de las nuevas superficies de granos para la posterior comparación con otra probeta al 7Fde deformación.
$nsa"o de dureza •
+osteriormente se procede a medir la dureza de la probeta, esta se =ará en las caras deformadas con la comba, para medir la dureza se utilizara el durómetro !oAcBell.
LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO V. – C'LCULOS
Material
Longitu d inicial (cm)
!ronce &u &u &u &u &u &u &u &u
JHHHK JHHHK JHHHK JHHHK JHHHK 6.@ JHHHK JHHHK JHHHK
Deformació n en el yunque (%TF) @7 7 67 ;7 <7 87 >7 @7 7
Dureza (H!) Longitud final aprox. (cm)
#nte$ de la deformación
ección # ección ! ección # JHHHK JHHHK JHHHK JHHHK JHHHK 6.7>@ JHHHK JHHHK JHHHK
?7
?7 >< >< >< >< >< >< >< ><
"ariación (%)
Luego de la deformación ?8.; 86.; 8?. 8.> >6.E
ección ! ección # ección ! ?.8 >< ;;.; 8?.E <.< 8@.; >6.; JHHHK >@.E
>.;> 7 H;7.;@ H6?.8; @.66 ?.8; ;?.6@ ;> <@.>?
E.;> 7 H>?.66 H.8 H;E.@; H6;.?< H<.
ección #' Cara de la probeta (superior e inferior) golpeada por la comba en el yunque. ección !' Cara de la probeta (laterales) obtenida por corte con la sierra y limado. Observaciones: •
• •
*a+la - 1 – &edida de la durea antes lue o de la de ormación.
Como se va a comparar la dureza con el porcentaje de deformación en el yunque, de cada probeta, es decir se utiliza un anlogo a la deformación unitaria (!"#), los valores iniciales no son necesarios. $as secciones % y & corresponden a las caras afectadas por la comba y la sierra ' limado respectivamente. ara obtener una grfica aceptable, en el caso del Cu, se eliminaron puntos de la tabla no muy bien medidos: el de *+! (para ambas series) y el de +! (para la serie ).
/
LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO &u' Dureza $. % TF ,0 *0 40 Dureza oc,-ell ! (H!)
Po)#$o'ia)
30 20
Po)#$o'ia)
10 0 0 10 20 30 40 *0 ,0 0 /0 Traa*o en fr+o (%)
/r! ica - 1 – Durea s. De ormación unitaria en el
-erie : Corresponde a la relación /& 0 !"# en la sección &. -erie : Corresponde a la relación /& 0 !"# en la sección %.
LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO &u' Dureza $. % TF ,0 *0 40 Dureza oc,-ell ! (H!)
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VI. – CUESTIONARIO @.6) LCuánto más peueño es el grado de deformación (por encima de la mínima), la temperatura debe ser ma"or o menorM $9pliue. a deformación en frío se produce cuando el material endurece progresivamente a medida ue aumenta la deformación plástica, esto implica ue no se presentan fenómenos de recuperación ni recristalización. $l rango de trabajo en frío está limitado entre las temperaturas de transición d3ctil H frágil " de recristalización. a temperatura de trabajo de la deformación en frío debe ser menor ue la temperatura de recristalización " 4sta a su vez está en función de la temperatura de fusión del material. N +ara materiales uímicamente puros (677F): N +ara materiales t4cnicamente puros (EE.EEF): N +ara aleaciones o metales aleados:
T R= 0.1−0.2 T f T R
=
0.2−0.4 T f
T R= 0.4 −0.6 T f
$n general la deformación plástica se puede realizar en frío o en caliente. @.;) $9pliue de u4 factores depende el tamaño de grano final en un metal.
LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO 1l tama2o de los granos recristalizados depende principalmente del porcentaje de deformación "ama2o de grano recristalizado de un latón α en función de la deformación inicial, para dos diferentes valores de tama2o de grano inicial
Ta(a)o *e +rano, 2rado de deformación previa: 'n aumento en la deformación previa favorece la nucleación ", como consecuencia, la obtención de un tamaño final de grano peueño. +ermanencia a temperatura: Cualuiera sea la temperatura de recocido, cuanto ma"or es el tiempo ue permanece a dic=a temperatura, ma"or es la facilidad ue tiene el grano para crecer ", por tanto, ma"or es su tamaño final. *emperatura de recocido: 'na vez sobrepasada la temperatura de recristalización, cuanto menor sea la temperatura más fina será el tamaño de grano final. &uración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo ue se tarda en alcanzar la temperatura de recocido más fino será el tamaño de grano final mpurezas insolubles: 'na gran cantidad de impurezas insolubles peueñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleación " act3an como barreras ue obstru"en el crecimiento de los granos).
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO
1squema de un proceso total de recocido con sus respectivas microestructuras
@.<) ndiue los mecanismos por los cuales los metales o materiales se deforman en frío. os átomos de los metales en estado sólido ocupan las posiciones de euilibrio. /i se somete la pieza a fuerzas e9teriores se produce un desplazamiento de dic=os átomos alterando así el euilibrio cristalouímico de la pieza. $ste desplazamiento produce deformaciones, ue pueden ser de dos tipos: l/$tica$' cuando los átomos vuelven a su posición inicial cuando se deja de ejercer la fuerza sobre la pieza, "a ue no =an llegado a alcanzar unas nuevas posiciones de euilibrio. $n este tipo de deformación el sólido varía su estado tensional " aumenta su energía interna en forma de energía potencial elástica.
0l/$tica$' cuando los átomos no vuelven a su posición inicial despu4s de ejercerse la fuerza. a deformación plástica produce cambios importantes en las propiedades de los materiales " dic=os cambios son más o menos sensibles seg3n se realicen a altas o bajas temperaturas. $n los materiales metálicos, la deformación plástica ocurre mediante la formación " movimiento de dislocaciones. 'n mecanismo de deformación secundario es el maclado (formación de maclas). $stos mecanismos de deformación plástica (maclas " dislocaciones) se activan cuando la tensión aplicada supera a la tensión de fluencia del material. $s decir, en un ensa"o de tracción, a la tensión de fluencia finaliza la zona de deformación elástica " comienza la zona de deformación plástica (la tensión deja de ser proporcional a la deformación).
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO @.8) $9pliue de u4 factores depende el incremento de la dureza " esfuerzo en los materiales deformados en frío.
Como apreciamos en la gráfica el esfuerzo aumenta en forma directa con el porcentaje de trabajo en frio
@.>) Lu4 es la te9turaM 2raficar la forma como se presenta en el laboratorio. a te9tura cristalográfica es la distribución de orientaciones cristalinas en un policristal (agregado de peueños cristales de cualuier sustancia, a los cuales, por su forma irregular, a menudo se les denomina cristalitas o granos cristalinos). &urante el proceso de deformación en frío se produce un alargamiento de los granos en la dirección de la aplicación de la carga " se genera una estructura fibrosa. - medida ue avanza el proceso, los granos, además de alargarse, giran =aciendo ue ciertas direcciones " planos cristalográficos ueden alineados. &ebido a esto se desarrollan ciertas orientaciones causando un comportamiento anisotrópico. 'n material es anisótropo cuando sus propiedades dependen de la orientación seg3n la cual se =ace la medición de ellas. *omemos el ejemplo de un cristal CCC " de sus direcciones J677K " J667K. %ótese ue el ordenamiento atómico a lo largo de estas direcciones es mu" diferente. +or ello, si medimos el módulo elástico $ seg3n una dirección J677K, se obtiene un valor mu" distinto de auel ue se obtiene seg3n una dirección J667K. 1 esto ocurre con cualuier propiedad ue consideremos, tal como resistividad el4ctrica, susceptibilidad magn4tica, coeficiente de dilatación lineal, etc. *al diferente comportamiento tambi4n se da para los planos cristalinosP por ejemplo, sólo los planos Q666R son planos de deslizamiento en un cristal metálico CCC. os monocristales son esencialmente anisotrópicos.
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO Cuando un monocristal es sometido, por ejemplo, a un esfuerzo de tracción o de compresión ue genere deformación plástica por deslizamiento, su estructura cristalina se reorienta respecto del eje del esfuerzo, buscando ciertas orientaciones determinadas, "a no al azar.
%ótese ue cada grano de un policristal es tambi4n un monocristal, de modo ue cada grano de un policristal tambi4n se reorientará. $n consecuencia, cuando un policristal de granos orientados inicialmente al azar es deformado plásticamente, con la deformación plástica los granos tenderán a orientarse de una cierta manera. &e modo ue la estructura cristalina final no será al azar. +or otra parte, la forma e9terna de los granos tambi4n se verá afectada por la deformación en frío: en particular, un grano inicialmente euia9ial, deformado por deformación plástica, uedará alargado en el sentido de la laminación " más plano en el plano de laminación.
ronce 2 3 *F 4 0
ronce 2 3 *F 4 50
6u 2 3 *F 4 0
6u 2 3 *F 4 10
6u 2 3 *F 4 %0
6u 2 3 *F 4 90
6u 2 3 *F 4 0
6u 2 3 *F 4 0
VII. – CONCLUSIONES
/e =a observado ue los granos alargan su dimensión en la dirección transversal. $sto =ace ue se produzcan ligeras variaciones en la superficie media de grano ue prácticamente se mantiene constante, claro esto si la deformación =a sido peueña, pero si fue sometida a una deformación
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LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO
grande =a" si se nota una variación en el tamaño de grano (alargamiento del grano). a deformación en frío es un tratamiento de deformación permanente ue se realiza por debajo de la temperatura de recristalización, consiguiendo aumentar la dureza " la resistencia a la tracción de la pieza " disminu"en su plasticidad " tenacidad. a deformación del material es debida a la deformación individual de sus granos, cualuier esfuerzo ue act3e sobre la pieza se transmite por su interior a trav4s de dic=os granos. a deformación de los granos " las tensiones ue esto origina, provoca un estado de acritud en el metal, es decir, se produce un aumento de la fragilidad, de la dureza " de la resistencia mecánica de la pieza.
a densidad de dislocaciones aumenta con la deformación, =ace ue sea más difícil el movimiento de 4stas a trav4s de las dislocaciones "a e9istentes " el material se endurece.
VIII. – RECOMENDACIONES
-l realizar la deformación de la probeta con la comba se le recomienda al estudiante ue lo =aga despacio " manteniendo las caras paralelas, para ue al llevarla al durómetro esta no est4 movi4ndose, "a ue al pasar esto la dureza medida no será la correcta.
*ener muc=o cuidado al realizar el corte longitudinal con el serruc=o "a ue este tiende a balacearse " así el corte saldrá curvo.
-l utilizar la lima observar con sumo cuidado el momento en la cual las caras "a están paralelas.
-l trabajar en la pulidora coger bien la probeta par ue no se te caiga.
BIBLIO-RAFA 3onald /. %s4eland, radeep . 5ul6. 0 Ciencia e ingenier7a de los materiales. Cuarta edición ++8. Coca /ebollero, /osique 9im6nez Ciencias de los materiales. irmide ;adrid, <<+. =eely ;etalurgia y materiales industriales. $imusa. Oregon +++. >illiam #. -mit5 Ciencia e ingenier7a de materiales. ;c?ra@ ill, AB edición ++.
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