DEFORMACIÓN PLASTICA 1. RESUMEN: La deformación plástica de los materiales es la deformación permanente de los mismos como consecuencia de la aplicación de una tensión externa. A temperatura temperatura ambiente, son dos los mecanismos responsables de esta deformación plástica de cristales: deslizamiento y maclado. Cada uno tiene características particulares, que se pueden apreciar mediante la observación en el microscopio óptico de la superficie pulida de una muestra. La activación de uno de estos mecanismos o de ambos y el orden en que se activen depende de la estructura cristalina del material.
2. OBJETIVOS:
En Laminado:
Determinar la dureza posterior al cambio de espesor del material, en particular, particular, del aluminio.
Determinar el esfuerzo a la tracción del metal laminado laminado mediante un ensayo ensayo a la tracción
Capacitación en el análisis e interpretación de resultados resultados obtenidos obtenidos en la práctica, lo cual sirve de experiencia para saber propiedades, ventajas y desventajas de un metal laminado.
En Trefilado:
Observar la deformabilidad deformabilidad de algunos algunos metales en un proceso proceso de trefilación. trefilación.
Determinar el cambio cambio en las las propiedades mecánicas del material
Determinar las variables físicas involucradas involucradas en el proceso: fuerza, tensión, potencia, etc.
Observar el cambio de dureza por trefilación.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica 3. FUNDAMENTO TEÓRICO:
LAMINADO El proceso de laminado consiste en deformar un material pasándolo entre dos cilindros o rodillos alterando el espesor del material.
FIGURA N°2: LAMINADO
Formula a utilizar De acuerdo al material determina la ecuación: σ = X εn El draf (reducción de espesor) Esta dado por:
d = to – t f to = espesor inicial tf = espesor final r = reducción = d/to
La Reduccion de espesor máxima dmax = Rμ² R = radio del rodillo. μ= para trabajos en frío entre 0.1 a 0.2).
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica Conservación de Volumen Vo = Vf A0 t0 = Af tf Longitud de contacto en el laminado.
Lp
h
Lc
R h
to t
R
Deformación real:
to ln tf
Velocidad radial de los rodillos: vr = R ω 1 revolución = 2 π radianes v r = R N (2 π) radianes/ revolución v r = π DN
Fuerza del rodillo: F Yf w Lc Donde: Yf : Esfuerzo de fluencia promedio W: Ancho de la lamina Lc: Longitud de contacto F: Fuerza de laminado Además:
Yf =
k .
n
1 n
2017
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica :
Deformación real
K: coeficiente de resistencia del material n: Exponente de endurecimiento
Potencia utilizada P = 2 N F Lc Donde: P: Potencia del laminado N: Velocidad de rotación F: Fuerza de laminado Lc : Longitud de contacto
TREFILADO El trefilado es una operación de trabajo en frío, destina a reducir la sección, calibrar sección y endurecer el material por medio de un cono o dado duro (hilera). A nivel industrial el trefilado permite obtener alambres y barras de mediano y pequeño tamaño, así como tubos (estirado). El siguiente esquema muestra básicamente una operación de trefilado
FIGURA N°3: TREFILADO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica Proceso de Calculo
Siendo las magnitudes del proceso: Do = Diámetro de entrada del alambre (si es una barra) D1 = Diâmetro de salida [mm] Ao = Seccion central de entrada (0) A1 = Sección final de la salida (1) Fo = Fuerza tractora a la entrada [kpsi] F1 = Fuerza de tracción a la salida V1= Velocidad del alambre a la salida [m/seg] = Tensión de salida Pto. 0 =indica comienzo de la deformación plástica Pto. 1 =indica final de la deformación plástica Grado de deformación otorgado Coeficiente de roce entre el material y la hilera = Grado de deformación previo a la entrada o
p = Presión entre la herramienta y el metal
2017
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica HB = Dureza Brinell Resistencia a la deformación del material resistencia media del proceso r = reducción de arrea R = Fuerza radial de separación al trabajo con hilera bipartida (Split die) Nt = Potencia de trefilación Ne = Potencia de eléctrica efectiva a la salida del motor de la trefiladora n = rendimiento de la trefiladora. Para determinar el coeficiente de fricción entre el alambre y la hilera se trabaja
con las curvas de Esfuerzo vs. Deformación real a partir de la curva carga (P) vs. Alargamiento (δ) obtenidas en la máquina de tracción usando la siguiente expresión. En un punto de la curva ( P vs. δ ) de coordenadas ( Pi vs. δi ) se tiene
- σi
=
Ei
(P /i Ao ) ( 1 - δ /i Lo ) =
Ln ( 1 - δ /i Lo )
Se determina la escala de cargas y alargamientos
Escala de Cargas
Ey = P t/Yt Kg./mm... Siendo: Pt = la carga máxima en el ensayo de tracción. Escala de Alargamientos
Ex = (Lf – L0) /Xu Para determinar el punto de rotura (Xu - Yu) se determina primero la distancia.
Yu
= Pu / Ey
Midiendo esta distancia con un compás corta el grafico ese sería el punto Pu /Xu (mm), con las escalas determinadas, se obtiene la curva real.
P1 = Y1 Ey (δ1 = X1 Ex)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica Proceder a calcular la deformación efectiva
- εi = 2 Ln (Do /Di) i = 1, 2,3 para 1er, 2do, 3er, trefilado Ubicar las deformaciones efectivas en la curva esfuerzo deformación real y
determinar los esfuerzos medios de fluencia para cada
trefilado, trazando
paralelas al tramo elástico partiendo de los puntos medios de las deformaciones efectivas. Teniendo el grafico de esfuerzo vs. deformación real de la barra determinándose
gráficamente σy inicial es decir antes de trefilar y luego el σy final , y teniendo los valores Ey1 , Ey2 se calcula el σy . σy =
1 Ey1 - Ey2
l ε σdε ε
Esta integración se puede hacer gráficamente en la curva esfuerzo deformación
real y
analíticamente aproximando a la ecuación de Hollomon.
- σ = C ε-n Donde C es una constante Con lo cual se obtiene:
σy
=
(C / Ey2 - Ey1) (1/ n +1) ( Ey2 - Ey1 )
Para obtener C y n se hace un gráfico log σ - log E (ploteando puntos de la curva
esfuerzo vs. deformación real y en este grafico C viene a ser la intercepción de la recta con el eje del log σ y n la pendiente. El trabajo total necesario para producir una reducción del diámetro de una barra,
es igual a la suma de los trabajos de deformación, de fricción y redundante
Wt = Wd + Wf + Wr
Estos estarán contemplados en la ecuación de SACHS y el factor de corrección del efecto del trabajo redundante (Øw) que introdujo GREEN σxf / σy = ( 1 +B) ( Øw) [ 1 – (Df / Do )2B ]
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica B Para cada pasada calcular
Øw donde i = 1, 2, 3
Øw = 0.88+ 0.78[ (Do + Di ) / (Do - Di ) ] [ ( 1 – cosα) / 2 sen α ] Para cada pasada calcular σxf mediante σxf = 4F / π Dfin
donde Dfin diámetro a la salida de la hilera
F = fuerza de trefilado B = f 2 cotg α
σxf = Esfuerzo aplicado en la barra al tirar de ella
σy = Esfuerzo de fluencia del material α = ángulo de conicidad de la hilera ( semi ángulo) Do = diámetro inicial de la barra a trefilar Df = diámetro final de la barra a trefilar .f = Coeficiente de fricción entre la barra y la hilera La homogeneidad de la deformación se considera cuando h/L 2 h = (Do + Df ) /2 L = (Do –Df ) / 2sen
2017
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica
4. EQUIPOS:
LAMINADO
Platinas o perfiles de diferentes materiales Rayador Regla Vernier Durómetro Equipo de tracción
TREFILADO Alambre de cobre recocido Alambre de aluminio Tres hileras Equipo del ensayo de tracción Lubricantes diferentes para cada grupo o empresa
6. CÁLCULOS Y RESULTADOS
TREFILADO Elaborar una tabla, para que considere el cambio o resultado obtenido después de cada pasada (diámetro antes y después de la pasada, fuerza de trefilado, esfuerza de máxima carga, esfuerzo de rotura, porcentaje de reducción De sección, otros) Probetas
D inicial (mm)
Long inicial (mm)
long final (mm)
D final (rotura)
fuerza de jalar KG
carga max (KG)
carga rotura (KG)
1
3.54
50
55.2
1.4
180
-
-
2
3.35
50
53.65
1.2
183.5
3040
800
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica 3
3.01
50
52.5
1.1
190
2500
400
Las reducciones finales son (estricción):
3.542−1.4 2 = 84.3595% 3.542 3.352−1.2 2 = 87.1696% Para el 2 º trefilado: 3.352 3.012−1.1 2 = 86.6447% Para el 3 º trefilado: 3.012 Para el 1 º trefilado:
Los diámetros promedios serian (por tener forma de tronco una vez seccionado)
4+3.54 = 3.77 mm 2 3.54+3.35 = 3.445 mm Para el 2 º trefilado: 2 3.35+3.01 = 3.18 mm Para el 3 º trefilado: 2 Para el 1 º trefilado:
La dureza fueron: Para 3.54 mm fue 69.43141 Hv Para 3.35 mm fue 80.0173 Hv Para 3.01 mm fue 87.57396 Hv
Las deformaciones efectivas serán:
: 2Ln . = 0.244 Para el 2 º trefilado: 2Ln = 0.3847 . Para el 3 º trefilado∶ 2Ln = 0.5753 Para el 1 º trefilado
Defectos que se pueden presentar en un proceso de trefilado, indique sus causas.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica Traslapes: Son discontinuidades en el material que generalmente corren a cierto ángulo de la superficie, son largas y de forma uniforme, casi siempre corren longitudinalmente y pueden presentarse más de 1 repartidos en la superficie. Algunas veces aparecen como líneas paralelas dobles.
Marcas de sobresalidas: Las marcas son elevaciones o depresiones que se presentan periódicamente y varían grandemente en forma y tamaño.
Escamas: Las escamas se observan a simple vista como láminas adheridas a la superficie o exfoliaciones, que pueden ser aisladas o alineadas siguiendo una directriz.
Fig.9 Proceso de trefilado.
DIAGRAMA DE OPERACIONES
Tamaño grande
Proceso de trefilado
Seleccionar una barra metálica
Medir los diámetros de cada probeta.
Cortar una longitud de terminada
Colocar en la maquina trefiladora
Colocar en la maquina la barra sobrante
Trefilar
Cortar 50 mm
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica
LAMINADO 1.- DOP del proceso de laminado:
2.- Determine la deformación total admitida por el material: La deformación Total estará dada por la siguiente ecuación:
= ln Donde :
= = = ó
= ln1.25 0.01 = 4.828
2017
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica 3.- Considerando el diámetro de los rodillos laminadores, el coeficiente entre los rodillos y el material es 0,1. Determine la reducción máxima que se puede hacer en ese tren laminador.(Ref. Groover Mikell) Sabemos que la reducción de espesor máxima está dada por:
− = Donde:
R: Radio del rodillo (R= 4.989)
μ: Para trabajos en frio entre 0.1 a 0.2 ( =0.1) : Reducción máxima de espesor
−
Resolviendo:
( − ) = 0.14.989 ( − ) = 0.0498 4.- Elabore una tabla, para que considere los cambios o resultados obtenidos después de cada pasada (altura, ancho y longitud antes y después de la pasada, porcentaje de reducción de sección, deformación plástica (ε) en cada pasa, dureza, forma del grano,
otros).
Datos recopilados:
0
1
2
3
4
5
a
1.27
1.44
1.61
1.7
1.83
1.87
b
1.25
0.745
0.27
0.11
0.045
0.01
c
11.02
16.3
33.1
77.2
211.4
276
a = ancho de la barra de aluminio b = espesor de la barra de aluminio c = largo de la barra de aluminio
Nota: R = radio del rodillo = 4,98 cm
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica
Cálculos previos:
1Pasada
2 Pasada
3 Pasada
4 Pasada
5 Pasada
ԑ
0.517
1.014
0.897
0.893
1.504
d
0.505
0.475
0.16
0.065
0.035
r
0.404
0.637
0.592
0.590
0.777
Yf
66.955
257.537
201.574
199.727
565.562
Fórmulas utilizadas: El Draf (d):
Reducción(r):
(Reducción de espesor) Está dado por:
to = espesor inicial
Deformación real (ε):
Limite de fluencia (Yf ):
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica
Cálculos finales: Para N = 18.5 RPM
1° PASADA
2° PASADA
3° PASADA
4° PASADA
5° PASADA
Draf
0.5050
0.4750
0.1600
0.0650
0.0350
Longitud de contacto
1.5874
1.5395
0.8935
0.5695
0.4179
Def. Real
0.51750
1.01496
0.89790
0.89380
1.5041
Fuerza del Rodillo
134.9782
638.3245
306.1781
208.1492
441.9621
Distribución de presiones sobre el rodillo
125.8186
1468.4253
1637.3161
2527.6170
23634.3369
Potencia Teórica
24905.1759
114226.9430
31799.0666
13778.8128
21468.3814
Potencia 245936.1969 1163055.0700 355151.2847 120721.3670 256326.9691 experimental
6.- Defectos que se pueden presentar en un proceso de laminación, indique su causa.
Estos defectos pueden presentarse en la superficie de las placas u hojas, o pueden darse en su estructura interna. Los defectos degradan la apariencia de la superficie y pueden afectar de manera adversa a la resistencia, la capacidad de formado y otras características de manufactura.
Los defecto superficiales pueden ser: ralladuras, corrosión, cascarilla, picaduras, mordeduras y grietas causados por inclusiones e impurezas en el material fundido original o debido a otros procesos de preparación del material o a la misma operación de laminado.
Los defectos en los bordes en las hojas laminadas son eliminados mediante operaciones de corte y hendedura.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica 7. CONCLUSIONES:
El informe expuesto recorrió algunos de los procesos de conformado en frio más usados a nivel industrial.
Los datos expuestos nos posicionan en un lugar favorable al momento de la toma de decisiones, ya que tendremos conocimiento de los distintos procesos, las ventajas que puede adquirir nuestro material al aplicar alguno de estos, y obviamente, la selección del proceso adecuado para los distintos tipos de trabajo del material.
Dentro de las grandes propiedades que se obtienen de la deformación plástica es el endurecimiento del material, no menos importante es el ahorro monetario que se genera ya que existe muy poca o casi nula pérdida de material, además del tiempo que involucra el proceso, generalmente menos que el trabajo en caliente.
Otro aspecto muy importante es la reducción de tolerancia al momento de trabajarlo, ya que al no ser expuesto a una elevada temperatura, no se tendrán en consideración el factor de reducción o contracción del material al ser enfriado.
La deformación plástica, son usados en ambientes en donde las temperaturas de trabajo no son elevadas; si sucediera esto, las propiedades del metal trabajado se pierden y vuelven a las características del metal antes del proceso aplicado, como fue explicado anteriormente.
En el trabajo de deformación plástica es uno de los muchos tipos de procesos aplicados a los materiales. El presente informe no está orientado a demostrar que el trabajo de deformación plástica es superior en calidad que el trabajo en caliente por ejemplo, ya que cada proceso es tan importante y efectivo como el otro, dependiendo exclusivamente de la necesidad de trabajo del material y las propiedades que deseemos adquirir.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2017
Facultad de Ingeniería Mecánica 8. RECOMENDACIONES:
En laminado es recomendable hacerlo en varias pasadas.
En laminado demasiadas pasadas pueden ocasionar un endurecimiento excesivo en el material por lo que podría volverse frágil y e n algún momento podría llegar a agrietarse.
En laminado tener cuidado al momento de pasar la pieza por la laminadora, cumplir las respectivas normativas de seguridad para evitar cualquier accidente.
Verificar el buen estado de las máquinas trefiladoras y sus partes.
9. BIBLIOGRAFÍA:
ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Thomson Editores. México,
1998.
Anderson, J.C. y otros, “Ciencia de los Materiales”, Limusa Editores, México, 1998.
Flim, R.A, y otro, “Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones”, Mc Graw -Hill, México,
1979.
Budinsky, K. y otro, “Engineering Materials”, Prentice .
