Informe Final de Laboratorio Nº 1 - Deformación en frío - Parte 2

LABORATORIO Nº 1 – DEFORMACION EN FRÍO

I. – OBJETIVOS DE LA 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 que ocurren en las estructuras cristalinas en el metal luego del trabajo en frío.

Realizar los respectivos ensayos de dureza y metalografía a los materiales escogidos (Bronce y Cu) para el trabajo en frío a distintos valores de deformación longitudinal.

II. – FUNDAMENTO TEÓRICO

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION PLASTICA EN FRIO,

RECRISTALIZACION Y CRECIMIENTO DEL GRANO.

El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en frío, debido a que la deformación se da a una temperatura "fría" relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal.

En los diagramas se muestra la variación de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tensión para el acero 1040, el bronce y el cobre. Note que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en frío, sin embargo la ductilidad del material disminuye tal como se muestra en el siguiente gráfico.

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El fenómeno de endurecimiento por deformación se explica así:

1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina.2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica.

3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en número.

4. Al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento.

5. Al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido.

Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deforman plásticamente. Esa habilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformación. Entre mayor es n para un metal, más se endurece al ser deformado plásticamente.

Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura del metal. La estructura cristalina del metal tiene un número "normal" de dislocaciones. La deformación plástica ha causado que haya más dislocaciones que ese número "normal", por lo que la estructura cristalina tenderá a hacer desaparecer a las dislocaciones "extra".

Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusión atómica, las dislocaciones "extra" desaparecerán del material, haciendo que éste recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser deformado. Sabemos que la difusión se activa a una temperatura mayor que 0.4 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos, por lo tanto se tendrá lo siguiente:

Trabajo en frío.

Existe endurecimiento por deformación. Se crean dislocaciones y éstas quedan en el material El material endurece

Trabajo en caliente

No existe endurecimiento por deformación. Se crean dislocaciones pero éstas desaparecen por difusión. El material no endurece.

El trabajo en frío no solo causa un aumento de las dislocaciones en la estructura del metal, sin que también cause la deformación de sus granos. La combinación de los granos deformados con el aumento de dislocaciones causa esfuerzos residuales dentro del material. Los esfuerzos residuales no son más

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Fig. 1 – Probetas de Cu y Bronce.

Fig. 2 – Vernier.


que zonas de tensión o compresión que existen dentro del material sin que sean generadas por fuerzas externas. Los esfuerzos residuales pueden causar el debilitamiento del material, haciendo que falle a esfuerzos aplicados menores a su resistencia nominal.

El aumento de las dislocaciones y la deformación de los granos de la estructura cristalina pueden causar cambios en las propiedades eléctricas y la resistencia a la corrosión del metal. Todos los cambios asociados a la deformación plástica en frío pueden ser revertidos utilizando el tratamiento térmico apropiado. La restauración de las propiedades a los valores previos a la deformación se logra a partir de dos procesos diferentes que ocurren a temperatura elevada:

La recuperación y recristalización. El crecimiento del grano.

III. – EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Para la parte de dureza:

1 probeta de Bronce y 8 de Cu. (Forma cilíndrica). (Fig. 1) 1 vernier. (Fig. 2) 1 comba y 1 yunque. (Fig. 3) Tornillo de banco. (Fig. 4) 1 sierra. (Fig. 5) 1 lima plana. (Fig. 6) Durómetro Rockwell digital. (Fig. 7)

Para la parte metalográfica:

Las anteriores probetas (Forma cilíndrica). 6 lijas de agua abrasivas para fierro (N°: 180, 360, 600, 800, 1000 y

1200). (Fig. 8) Pulidora. (Fig. 9) Alúmina ( Al2O3 ) y agua. Algodón, alcohol y ácido nítrico ( HN O3) . (Fig. 10) Secadora. (Fig. 11) Microscopio metalográfico. (Fig. 12)

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IV. – PROCEDIMIENTO

Procedimiento de deformación

El proceso llevado a cabo consiste en la deformación de una serie de probetas, aplicándoles diferentes grados de deformación. La deformación se obtiene golpeando con una comba la probeta dada sobre un yunque hasta obtener la deformación pedida.

Ejemplo:

Piden deformación al 40% de Cu,Lf=Lo-40%Lo

Posteriormente se procede a realizar 2 cortes longitudinales (perpendiculares al área golpeada con la comba), luego para que estas dos nuevas áreas sean paralelas se procede a limarlas.

Preparación metalográfica

Posteriormente, se ha procedido a la preparación metalográfica de una de las zonas cortadas y limadas, y la consiguiente observación al microscopio.

A continuación, se procede al lijado con el fin de eliminar todo lo que pudiera obstaculizar su examen, a la vez que se obtiene una superficie plana con pequeña rugosidad. Este proceso se ha realizado con 6 lijas de números: 180, 360, 600, 1000, 1200,1600.

*Posteriormente se lleva a la pulidora, esta etapa tiene por objeto obtener una superficie especular.

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Fig. 10 – Algodón, algodón y ácido nítrico.

Fig. 11 – Secadora.


Tras estas etapas se somete a las muestras a un ataque químico para revelar el grano.

Para realizar las medidas y clasificación de las distintas muestras se han 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 0%de deformación.

Ensayo de dureza

Posteriormente se procede a medir la dureza de la probeta, esta se hará en las caras deformadas con la comba, para medir la dureza se utilizara el durómetro Rokcwell.

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V. – CÁLCULOS

Material

Longitud

inicial (cm)

Deformación

en el yunque (%TF)

Longitud final

aprox. (cm)

Dureza (HRB)

Variación (%)Antes de la deformación

Luego de ladeformación

Sección A Sección B Sección A Sección B Sección A Sección B

Bronce [---] 60 [---] 80 80 84.2 87.4 5.25 9.25

Cu [---] 0 [---] 38 53 38 53 0 0

Cu [---] 10 [---] 38 53 30.3 22.2 -20.26 -58.11

Cu [---] 20 [---] 38 53 31 48.9 -18.42 -7.74

Cu [---] 30 [---] 38 53 63.5 37.3 67.11 -29.62

Cu 1.76 40 1.056 38 53 41.2 46.2 8.42 -12.83

Cu [---] 50 [---] 38 53 48.7 51.2 28.16 -3.39

Cu [---] 60 [---] 38 53 47.5 [---] 25 [---]

Cu [---] 70 [---] 38 53 51.9 56.9 36.58 7.36

Sección A: Cara de la probeta (superior e inferior) golpeada por la comba en el yunque.

Sección B: Cara de la probeta (laterales) obtenida por corte con la sierra y limado.

Observaciones:

Como se va a comparar la dureza con el porcentaje de deformación en el yunque, de cada probeta, es decir se utiliza un análogo a la deformación unitaria (%TF), los valores iniciales no son necesarios.

Las secciones A y B corresponden a las caras afectadas por la comba y la sierra / limado respectivamente. Para obtener una gráfica aceptable, en el caso del Cu, se eliminaron 2 puntos de la tabla no muy bien medidos: el de 60%

(para ambas series) y el de 10% (para la serie 1).

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Tabla N° 1 – Medida de la dureza antes y luego de la deformación.


Serie 1:

Corresponde a la relación HRB – %TF en la sección B. Serie 2: Corresponde a la relación HRB – %TF en la sección A.

VI. – CUESTIONARIO

6.1) ¿Cuánto más pequeño es el grado de deformación (por encima de la mínima), la temperatura debe ser mayor o menor? Explique.

La deformación en frío se produce cuando el material endurece progresivamente a medida que aumenta la deformación plástica, esto implica que no se presentan fenómenos de recuperación ni recristalización. El rango de trabajo en frío está limitado entre las temperaturas de transición dúctil - frágil y de recristalización.

La temperatura de trabajo de la deformación en frío debe ser menor que la temperatura de recristalización y ésta a su vez está en función de la temperatura de fusión del material.

_ Para materiales químicamente puros (100%): T R=0.1−0.2 T f

_ Para materiales técnicamente puros (99.99%): T R=0.2−0.4 T f

_ Para aleaciones o metales aleados: T R=0.4−0.6 T f

En general la deformación plástica se puede realizar en frío o en caliente.

6.2) Explique de qué factores depende el tamaño de grano final en un metal.

El tamaño de los granos recristalizados depende principalmente del porcentaje de deformación

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0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

Cu: Dureza vs. % TF

Series2Polynomial (Series2)Series4Polynomial (Series4)

Trabajo en frío (%)

Du

reza

Ro

ckw

ell

B (

HR

B)

Gráfica N° 1 – Dureza vs. Deformación unitaria en el Cu.


Tamaño de grano recristalizado de un latón en función de la deformación inicial, para dos diferentes valores de tamaño de grano inicial

Tamaño de grano:

Grado de deformación previa: Un aumento en la deformación previa favorece la nucleación y, como consecuencia, la obtención de un tamaño final de grano pequeño.

Permanencia a temperatura: Cualquiera sea la temperatura de recocido, cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura, mayor es la facilidad que tiene el grano para crecer y, por tanto, mayor es su tamaño final.

Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de recristalización, cuanto menor sea la temperatura más fina será el tamaño de grano final.

Duración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura de recocido más fino será el tamaño de grano final Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de grano fino (las impurezas aumentan la nucleación y actúan como barreras que obstruyen el crecimiento de los granos).

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Esquema de un proceso total de recocido con sus respectivas microestructuras

6.3) Indique los mecanismos por los cuales los metales o materiales se deforman en frío.

Los átomos de los metales en estado sólido ocupan las posiciones de equilibrio. Si se somete la pieza a fuerzas exteriores se produce un desplazamiento de dichos átomos alterando así el equilibrio cristaloquímico de la pieza. Este desplazamiento produce deformaciones, que pueden ser de dos tipos:

Elásticas: cuando los átomos vuelven a su posición inicial cuando se deja de ejercer la fuerza sobre la pieza, ya que no han llegado a alcanzar unas nuevas posiciones de equilibrio. En este tipo de deformación el sólido varía su estado tensional y aumenta su energía interna en forma de energía potencial elástica.

Plásticas: cuando los átomos no vuelven a su posición inicial después de ejercerse la fuerza. La deformación plástica produce cambios importantes en las propiedades de los materiales y dichos cambios son más o menos sensibles según se realicen a altas o bajas temperaturas.

En los materiales metálicos, la deformación plástica ocurre mediante la formación y movimiento de dislocaciones. Un mecanismo de deformación secundario es el maclado (formación de maclas). Estos mecanismos de deformación plástica (maclas y dislocaciones) se activan cuando la tensión aplicada supera a la tensión de fluencia del material. Es decir, en un ensayo de tracción, a la tensión de fluencia finaliza la zona de deformación elástica y comienza la zona de deformación plástica (la tensión deja de ser proporcional a la deformación).

6.4) Explique de qué factores depende el incremento de la dureza y 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

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6.5) ¿Qué es la textura? Graficar la forma como se presenta en el laboratorio. La textura cristalográfica es la distribución de orientaciones cristalinas en un policristal (agregado de pequeños cristales de cualquier sustancia, a los cuales, por su forma irregular, a menudo se les denomina cristalitas o granos cristalinos). Durante el proceso de deformación en frío se produce un alargamiento de los granos en la dirección de la aplicación de la carga y se genera una estructura fibrosa. A medida que avanza el proceso, los granos, además de alargarse, giran haciendo que ciertas direcciones y planos cristalográficos queden alineados. Debido a esto se desarrollan ciertas orientaciones causando un comportamiento anisotrópico.

Un material es anisótropo cuando sus propiedades dependen de la orientación según la cual se hace la medición de ellas.Tomemos el ejemplo de un cristal CCC y de sus direcciones [100] y [110]. Nótese que el ordenamiento atómico a lo largo de estas direcciones es muy diferente. Por ello, si medimos el módulo elástico E según una dirección [100], se obtiene un valor muy distinto de aquel que se obtiene según una dirección [110]. Y esto ocurre con cualquier propiedad que consideremos, tal como resistividad eléctrica, susceptibilidad magnética, coeficiente de dilatación lineal, etc. Tal diferente comportamiento también se da para los planos cristalinos; por ejemplo, sólo los planos {111} son planos de deslizamiento en un cristal metálico CCC.

Los monocristales son esencialmente anisotrópicos.

Cuando un monocristal es sometido, por ejemplo, a un esfuerzo de tracción o de compresión que genere deformación plástica por deslizamiento, su estructura cristalina se reorienta respecto del eje del esfuerzo, buscando ciertas orientaciones determinadas, ya no al azar.

Nótese que cada grano de un policristal es también un monocristal, de modo que cada grano de un policristal también se reorientará. En 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. De modo que la estructura cristalina final no será al azar. Por otra parte, la forma externa de los granos también se verá afectada por la deformación en frío: en particular, un grano inicialmente equiaxial, deformado por deformación plástica, quedará alargado en el sentido de la laminación y más plano en el plano de laminación.

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VII. – CONCLUSIONES

Se ha observado que los granos alargan su dimensión en la dirección transversal. Esto hace que se produzcan ligeras variaciones en la superficie media de grano que prácticamente se mantiene constante, claro esto si la

deformación ha sido pequeña, pero si fue sometida a una deformación grande hay si se nota una variación en el tamaño de grano (alargamiento del grano).

La deformación en frío es un tratamiento de deformación permanente que se realiza por debajo de la temperatura de recristalización, consiguiendo aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de la pieza y disminuyen su plasticidad y tenacidad.

La deformación del material es debida a la deformación individual de sus granos, cualquier esfuerzo que actúe sobre la pieza se transmite por su interior a través de dichos granos.

La deformación de los granos y las tensiones que esto origina, provoca un estado de acritud en el metal, es decir, se produce un aumento de la fragilidad, de la dureza y de la resistencia mecánica de la pieza.

La densidad de dislocaciones aumenta con la deformación, hace que sea más difícil el movimiento de éstas a través de las dislocaciones ya existentes y el material se endurece.

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Bronce - % TF = 0 Bronce - % TF = 60

Cu - % TF = 0 Cu - % TF = 10

Cu - % TF = 20 Cu - % TF = 30

Cu - % TF = 40Cu - % TF = 50


VIII. – RECOMENDACIONES

Al realizar la deformación de la probeta con la comba se le recomienda al estudiante que lo haga despacio y manteniendo las caras paralelas, para que al llevarla al durómetro esta no esté moviéndose, ya que al pasar esto la dureza medida no será la correcta.

Tener mucho cuidado al realizar el corte longitudinal con el serrucho ya que este tiende a balacearse y así el corte saldrá curvo.

Al utilizar la lima observar con sumo cuidado el momento en la cual las caras ya están paralelas.

Al trabajar en la pulidora coger bien la probeta par que no se te caiga.

BIBLIOGRAFÍA

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Coca Rebollero, Rosique Jiménez - Ciencias de los materiales. Pirámide Madrid, 1990.

Neely - Metalurgia y materiales industriales. Limusa. Oregon 2000.

William F. Smith - Ciencia e ingeniería de materiales. McGraw Hill, 3º edición 2004.

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