07.Endurecimiento por Deformación y Recocido

1 1

CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

CAPITULO 7 ENDURECIMIENTO POR

DEFORMACION Y RECOCIDO

2 2

Objetivos del capítulo 7

Estudiar cómo el procesamiento mecánico y los tratamientos térmicos influyen en la resistencia de los metales y aleaciones.

Cómo aumentar la resistencia de los metales y aleaciones mediante el trabajo en frio

Cómo usar el trabajo en caliente para moldear a los metales y aleaciones, deformándolos a altas temperaturas sin endurecerlos.

3 3

Contenido del capítulo 7.1 Relación entre el trabajo en frio y la curva

esfuerzo y deformación unitaria. 7.2 Mecanismos de endurecimiento por deformación 7.3 Propiedades en función del porcentaje de trabajo

en frio 7.4 Microestructura, endurecimiento por textura y

esfuerzos residuales. 7.5 Caracteristicas del trabajo en frio 7.6 Las tres etapas del recocido 7.7 Control del recocido 7.8 Recocido y procesamiento de materiales. 7.9 Trabajo en caliente 7.10 Formado superplástico. (SPF)

4 4

Sección 7.1 Relación entre el trabajo en frio y la curva esfuerzo-deformación unitaria

Esfuerzo de fluencia Endurecimiento por deformación Exponente de endurecimiento por

deformación (n) Sensibilidad a la velocidad de deformación

(m) Efecto Bauschinger

5 5

Figura 7.1 Desarrollo del endurecimiento por deformación, (a) Se somete a un esfuerzo mayor que el esf. De fluencia, (b)Mayor resistencia a la fluencia y mayor resistencia a la tensión, pero menor ductilidad

6 6

Figura 7.2 Proceso de manufactura que emplean el trabajo en frio y en caliente.(a) laminado, (b)forjado, (c)extrusión,(d)trefilado, (e)estampado

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Figura 7.3 Esfuerzo real deformación real unitaria para metales con exponentes de endurecimiento grandes y pequeños. Se obtiene mayor fortalecimiento para determinada deformación unitaria en el metal con mayor n

8 8

TABLA 7.1 EXPONENTE DE ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION DE METALES Y ALEACIONES

9 9

Figura 7.4 Diagrama de límite de conformación para distintos materiales (Fuente: Reprinted from Metals Handbook—Desk Edition, Second Edition, ASM International, Materials Park, OH 44073, p. 146, Fig. 5 © 1998 ASM International. Reprinted by permission.)

10 10

Sección 7.2 Mecanismos de endurecimiento

por deformación Fuente Frank-Read - Se produce dislocaciones

adicionales al seguir aplicando esfuerzos y estas dislocaciones forman anillos.

Termoplasticos – Son aquellos como el polietileno, poliestireno, y nylon, estan formados por moléculas que son cadenas largas semejante a espaguetis. Los termoplásticos se fortalecen al deformarlos.

11 11

Figura 7.5 La fuente de Frank-Read puede generar dislocaciones. (a) una dislocación está sujeta en sus extremos por defectos de la red. (b) al continuar moviéndose la dislocación, se arquea y finalmente se dobla sobre si misma. ©por último se forma el bucle de dislocación (d) por último se forma una nueva dislocación. (e) Electron micrograph of a Frank-Read source (330,000). (Adapted from Brittain, J., ‘‘Climb Sources in Beta Prime-NiAl,’’ Metallurgical Transactions, Vol. 6A, April 1975.)

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Figura 7.6 En una barra de tensión no deformada de polímero termoplástico, (a)las cadenas de polímero tienen orientación aleatoria. (b)cuando se aplica un esfuerzo se forma un cuello a medida que las cadenas se alinean localmente. El cuello continúa creciendo hasta que las cadenas se han alineado en toda la longitud calibrada (c) Aumenta la resistencia del polímero.

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Sección 7.3Propiedades en funcion del % de trabajo en frio

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figura 7.7 Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades mecánicas del cobre.

14 14

Ejemplo 7.1

Trabajo en frio de una placa de cobre

Una placa de cobre de 1-cm de grueso, se reduce a 0.50 cm, y después se reduce más, hasta 0.16cm. Determine el trabajo en frio porcentual y la resistencia a la tensión de la placa de 0.16-cm.

15 15


Figura 7.8 Diagrama que muestra la reducción de la placa desde un cm de espesor hasta 0.16 cm.

16 16

Ejemplo 7.1 SOLUCION : primero veamos los trabajos en frio parciales y como no hay cambio de ancho de la plancha tendriamos:

%TF1 = ( Ao – Af)/ Ao = (to –tf) / tf = 50%%TF2 = ( Ao – Af)/ Ao = (to –tf) / tf = 68%

% TFt

Y de acuerdo con la figura 7.7 la resistencia aproximada a la tensión es 82 000 psi

17 17

Ejemplo 7.2 Diseño de un proceso de trabajo en frío

Diseñe un proceso de manufactura para producir una lámina de cobre de 0.1 cm de grueso que tenga como mínimo 65,000 psi de resistencia a la tensión, 60,000 psi de resistencia a la fluencia y 5% de elongación.

SOLUCION

De acuerdo con la figura 7.7 se necesita cuando menos 35% de trabajo en frio para producir 65,000 psi de resistencia a la tensión, y 40% de trabajo en frio para obtener una resistencia a la fluencia de 60,000 psi, pero se necesita menos de 45% de trabajo en frio para cumplir con el requisito de 5% de elongación. En consecuencia el rango de solución está entre 40 y 45 %. El proceso seria laminado en frio, se asume que no hay cambio de ancho.

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Ejemplo 7.2 SOLUCION (Continuación)

Para producir la lámina de cobre de 0.1 cm, se comienza con una lámina de cobre de 0.167 cm de espesor en el estado más suave posible y luego se lamina en frio de 40 a 45 % para lograr el espesor de 0.1-cm.

%TFmin

%TFmax

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Sección 7.4 Microestructura, endurecimiento por

textura y esfuerzos residuales

Estructura de fibra Análisis de figura de Polo Esfuerzos residuales Vidrio recocido, temperatura de recocido

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Figura 7.9 Estructura de grano fibroso de un acero al carbono producida por un trabajo en frio: (a)10% de trabajo en frio, (b) 30% de trabajo en frio, (c) 60% de trabajo en frio, y (d) 90% de trabajo en frio (250x). (Fuente: de ASM Handbook Vol. 9, Metallography and Microstructure, (1985) ASM International, Materials Park, OH 44073. Used with permission.)

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nse.Figura 7.10 Comportamiento anisotrópico en un material laminado de aluminio-litio usado en aplicaciones aereo espaciales. Elesquema muestra la alineación de las barras de tensión y las propiedades mecánicas que obtienen.

22 22

TABLA 7.2 ESTIRADO Y EXTRUSION DE ALAMBRE COMÚN Y TEXTURAS FOLIARES EN LOS MATERIALES (8)

23 23

Ejemplo 7.3 Diseño de un procesos de estampado

Un método de producción de ventiladores de enfriamiento de motores de vehículos automotrices es estampar las aspas en láminas de acero laminado en frio y después fijarlas en una araña en la posición correcta. En el control de calidad se determinó que varias aspas han fallado por la proliferación de grietas por fatiga transversal al eje del aspa (Figura 7.11). Describa una explicación de la falla de las aspas y rediseñe el proceso de fabricación para eliminar las fallas.

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Figura 7.11 Orientación de las muestras (para ejemplo 7.3)

Example 7.3 (continued)

25 25

Ejemplo 7.3 SOLUCION

Selección del acero inadecuado. Las matrices pueden estar gastadas. Las holguras pueden ser incorrectas y producen la

falla. También puede ser por el comportamiento

anisotrópico de la lámina de acero

26 26


Figura 7.12 Los esfuerzos residuales pueden ser perjudiciales o benéficos (a) Una fuerza de flexión aplica un esfuerzo de tensión en la parte superior de la viga en voladizo. Como ahi ya existen esfuerzos residuales de tensión, las características de capacidad de carga son malas. (b) La parte superior tiene esfuerzos residuales de compresión, en este caso las características de capacidad de carga son muy buenas.

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Ejemplo 7.4 Diseño de un eje resistente a la fatiga

Se vienen produciendo ejes con resistencia a la fatiga de 20,000 psi, estos ejes estan expuestos a grandes esfuerzos de flexión cuando giran, en ventas informan que hay reclamos por que han fallado varios ejes, como se tiene una alta producción diseñe un procedimiento para evitar que los ejes con fallas sean desechados.

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Cementado o carburizado de las superficies de los ejes.

Se puede producir en frio y lograrse esfuerzos residuales por deformación en frio (acritud)

Granallado del eje, que produce esfuerzos residuales de compresión en la superficie sin cambiar la dimensión del eje.

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Sección 7.5 Características del trabajo en frio


Figura 7.13 Comparación del endurecimiento del cobre por (a) trabajo en frio (b) aleación con zinc. Obsérvese que el trabajo en frio produce mayor endurecimiento, pero tiene poco efecto sobre la conductividad eléctrica.

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Figura 7.14 Proceso de estirado de alambre. La fuerza Fd actúa sobre los diámetros inicial y final, entonces el esfuerzo producido en el alambre final es mayor que en el diámetro inicial. Si el alambre no se endureciera por deformación durante el estirado, podría romperse en la operación.

31 31

Ejemplo 7.5 Diseño de un proceso de estirado de alambre

Diseñe un proceso para producir alambre de 0.20 pul de diámetro final si se parte de un alambre de 0.40 pul de diámetro inicial. Tomar las propiedades mecánicas de la figura 7.7

%TF = (Ao – Af)/Ao = 75%Del gráfico 7.7 el esfuerzo de fluencia con 0% de trabajo en frio es de 22000 psi y con 75% de trabajo en frio es de 77,500 psi. La fuerza inicial para deformar al alambre es:

F = Ao = 22,000 x (/4)x (0.40)2 = 2765 lbsY el esfuerzo = F/A = 2765/Af = 88,010 psi. ¿Que pasará???? ANALIZAR!!!!!!

32 32


Figura 7.7 Efecto del trabajo en frio en las propiedades mecánicas del cobre.

33 33


34 34

Sección 7.6Las tres etapas del recocido

Recuperación –Tratamiento a bajas temperaturas elimina los esfuerzos residuales causados por trabajos en frio, sin causar un cambio en la densidad de dislocaciones.

Recristalización – La temperatura a la que aparece nuevos granos con muy baja densidad de dislocaciones se llama Temperatura de Recristalización y el proceso de formación de nuevos granos por tratamiento térmico de un material trabajado en frio se llama recristalización.

Crecimiento del grano – Si la temperatura aumenta los granos comienzan a crecer y algunos granos favorecidos consumen a los mas pequeños y los límites de granos crecen en área.

35 35

Figura 7.16 Fotografías que muestran el efecto de la temperatura de recocido sobre el tamaño de grano en el laton. Tabién se puede observar límites de macla en las estructuras. (a) Recocido a 400oC, (b) Recocido a 650oC, ©Recocido a 800oC (75x). (Adaptado de Brick, R. and Phillips, A., The Structure and Properties of Alloys, 1949: McGraw-Hill.)

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Figura 7.17 Efecto de la temperatura de recocido sobre la microestructura de los materiales trabajados en frio.(a) Trabajado en frio, (b)Después de la recuperación, (c) Después de la recristalización y (d) después del crecimiento de los granos.

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©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.Figura 7.18 Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades de

una aleación de Cu-35% Zn y el efecto de la temperatura de recocido sobre las propiedades de esta aleación que se había trabajado 75% en frio.

38 38

Secion 7.7Control del Recocido

Trabajo en Caliente – Término usado para indicar que los trabajos en los metales se están realizando por encima de la temperatura de recristalización.

La temperatura de recristalización es proporcional a 0.4Tm en grados kelvin.

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©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.Figura 7.19 Los tiempos mas largos de recocido reducen

la temperatura de recristalización. Se debe considerar que la temperatura de recristalización no es una temperatura fija.

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Sección 7.8Recocido y procesamiento de

materiales Zona afectada por el calor (HAZ) – Cuando se

une un metal trabajado en frio con un proceso de soldadura, el metal adyacente al cordon se calienta a mayor temperatura que la de recristalización y de crecimiento de grano y después se enfria lentamente, las propiedades mecánicas se reducen en forma catastrófica por el calor del proceso de soldadura.

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Ejemplo 7.6 Diseño de un proceso para producir bandas

(láminas) de cobre

Deseamos producir una cinta de cobre de 0.1 cm de espesor y 6 cm de ancho, que tenga al menos 60000 psi de resistencia de fluencia y al menos 5% de alargamiento Se puden comprar barras de 6 cm de ancho sólo en espesores de 5 cm. Diseñe un proceso para producir la bandas de cobre.

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Figura 7.7 Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades de cobre.

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En el ejemplo 7-2, vimos que las propiedades necesarias se pueden obtener con un trabajo en frio de 40 a 45%, por consiguiente el espesor inicial debe estar en 0.167 cm y 0.182 cm y el material debe estar recocido. Se debe reducir el material de 5 cm de grosor hasta 0.167 a 0.182 cm y luego recocerla antes del trabajo a la medida final

De acuerdo con la figura 7.7,se permite un máximo de 90% de trabajo en frio por lo que hay que hacer varios trabajos.

80= (to – tf)/ to lo que nos da tf = 1cm luego recocer

Asi hasta obtener la medida final.

%TF

45 45


Figura 7.20 Estructura y propiedades del material que rodean a una soldadura de fusión en un metal trabajado en frio. Nota: solo se marca el lado derecho de la zona afectada por el calor, obsérvese la pérdida de resistencia causada por la recristalización y el crecimiento de granos en la zona afectada por el calor.

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Sección 7.9Trabajo en caliente

Ausencia de endurecimiento Eliminación de imperfecciones Comportamiento Anisotropico Acabado superficial y exactitud dimensional

47 47


Figura 7.21 Durante el trabajo en caliente, los granos anisotrópicos alargados se recristalizan de inmediato. Si se controla bien la temperatura de trabajo en caliente, el tamaño final de grano puede ser muy pequeño.

48 48

Ejemplo 7.7 Diseño de un proceso para producir

cinta de cobreSe desea producir una cinta de cobre de 0.1 cm de espesor y 6 cm de ancho que tenga al menos 60000 psi de resistencia a la fluencia y al menos 5% de elongación. Solo se puede comprar barras de cobre de 6 cm de ancho y 5 cm de espesor, diseñe un proceso que tenga menos pasos que en el ejemplo 7.6

49 49

SOLUCION PROBLEMA 7.7

En el ejemplo 7.6 el trabajo fue en frio, pero ahora es en caliente por lo que el proceso es mas rápido:

Entonces el diseño será:

1. Trabajar 96.4% en caliente la barra de 5 cm hasta el espesor intermedio de 0.182 cm.

2. Trabajar 45% en frio de 0.182 cm hasta la medida final de 0.1 cm. Este diseño proporciona las dimensiones y propiedades correctas.

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Sección 7.10Formado Superplástico

Superplastico – Materiales tratados con trabajos especiales se pueden deformar uniformemente una cantidad excepcional, en algunos casos más de 1000%

Velocidad de deformación – Velocidad con el que se realiza la deformación.

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Tabla 7.5 Características superplásticas de varios materiales

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Figura 7.23 Efecto del trabajo porcentual en frio sobre las propiedades de una aleación de aluminio3105 para los problemas 7.9, 7.22 y 7.24.

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Figura 7.23 Efecto del trabajo porcentual en frio sobre las propiedades de una aleación de aluminio3105 para los problemas 7.9, 7.22 y 7.24.

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Figura 7.24 Efecto del trabajo porcentual en frio sobre las propiedades de un latón de Cu-30% Zn, (para los problemas 7.23 y 7.26)

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Figura 7.7 (Efecto del trabajo en frio sobre las propiedades mecánicas del cobre( para el problema 7.68)

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Figura 7.10 Repetido para el problema 7.29

07.Endurecimiento por Deformación y Recocido

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