conformado mecanico de materiales metalicos por deformacion plastica

Magster Ing. Willan Monar M. Tecnologa de Conformado Agosto 2013

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CONFORMADO DE MATERIALES METLICOS POR DEFORMACIN

PLSTICA

En el conformado mecnico de piezas metlicas especialmente los elementos de

mquinas se pueden conformar por muchos mtodos, en esta publicacin se

mencionan solo los procesos de conformado mecnico que se estudian en las cuatro

tecnologas introductorias a la carrera de Ingeniera Mecnica de la Escuela

Politcnica Nacional, considerando dos procesos en los cuales el material o una

parte pasa por una fase lquida y luego solidifica que son por fundicin y soldadura,

y dos procesos en los que el material est en estado slido durante el conformado,

que son: por maquinado, virutaje o por arranque de viruta y conformado mecnico

por deformacin plstica.

CONFORMADO MECNICO POR FUNDICIN

Es un proceso que se utiliza para conformar un material al colar o moldear el

material en forma lquida, el cual se introduce en una cavidad preformada

denominada molde, el cual tiene la configuracin exacta de la pieza e que se va a

obtener. Despus de que el material llena el molde, se solidifica y adopta la forma

de la cavidad, luego se abre o se rompe el molde y se extrae la pieza. Existen

innumerables procesos por fundicin y colada como por ejemplo el de molde de

arena y a presin atmosfrica, molde perdido o por inyeccin a presin.

CONFORMADO POR SOLDADURA, ENSAMBLE Y UNIN

Un elemento de mquina o una pieza metlica se puede obtener mediante la

soldadura de sus partes individuales entre s, la unin de las partes se puede lograr

por mtodos permanentes como soldadura de arco o de gas, soldadura blanda o dura

as como tambin la unin de las partes se puede lograr mediante procesos de

ensamble para unir dos o ms partes entre s para formar un conjunto o subconjunto


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completo con el uso de adhesivos basados en resinas epoxi o mediante uniones

desmontables realizadas por sujetadores mecnicos como tornillos, pasadores,

chavetas, remaches.

CONFORMADO POR MAQUINADO

Proceso de conformado mecnico por arranque de viruta o virutaje, se utiliza para

conformar partes de materiales por desprendimiento de material mediante corte, se

puede obtener piezas de alta precisin y se pueden producir superficies con buenos

acabados, difcil de lograr con otros procesos de conformado, se lleva a cabo con el

uso de mquinas herramientas como tornos, fresadoras, cepilladoras, rectificadoras,

etc.

CONFORMADO POR DEFORMACIN PLSTICA

Es un proceso de formacin por el cual un material en estado slido, (primera

condicin necesaria para llevar a cabo el proceso), cambia su forma (segunda

condicin del proceso: la invariabilidad del volumen), esto es posible por las

solicitaciones mecnicas a las que se somete al material mediante la aplicacin de

cargas que producen esfuerzos mayores que el lmite de fluencia pero menores que

el lmite de rotura, esto es dentro de la zona de deformacin plstica o permanente

lo que otorga al material una alta integralidad estructural. Las solicitaciones

mecnicas pueden ser por compresin, flexin, corte, torsin, traccin e

indentacin.

El conformado mecnico por deformacin plstica es un proceso que sirve para

obtener piezas en estado slido, que de manera til aprovecha las propiedades

mecnicas y tecnolgicas de los metales como es la maleabilidad y la ductilidad.

[CRDENAS, 1990]


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El conformado mecnico por deformacin plstica puede clasificarse de acuerdo a

varios criterios dependiendo de los autores; para los fines que en esta materia se

persigue de dar una visin amplia del tema se clasifica por la temperatura del

material cuando se deforma plsticamente y por solicitaciones mecnicas.

PROCESOS DE CONFORMADO MECNICO POR DEFORMACIN

PLSTICA POR LA TEMPERATURA DE CONFORMADO

Por la temperatura del material durante la deformacin plstica el conformado

mecnico puede clasificarse por los dos tipos principales de trabajo mecnico en

los cuales el material puede sufrir una deformacin plstica y cambiarse de forma

que son trabajos en caliente y trabajos en fro. En el conformado en fro, es decir

cuando la temperatura del material es inferior a la temperatura de recristalizacin y

en caliente cuando la deformacin plstica o permanente se da a una temperatura

mayor por arriba del mximo valor del rango de la temperatura de recristalizacin.

Hay autores que definen a la temperatura de recristalizacin como aquella a la cual

el material metlico altamente deformado recristaliza en un ciento por ciento en una

hora. [AVNER, 1978]

La temperatura de recristalizacin de un metal determina si el trabajo es en caliente

o en fro. El trabajo en caliente de los metales se efecta por encima de la

recristalizacin o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en fro debe

hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalizacin y frecuentemente es

realizado en condiciones atmosfricas y a temperatura ambiente.

Para el acero, el rango de la recristalizacin est alrededor de 500 a 700 C, como

puede observarse en un diagrama en equilibrio hierro carbono de la Strues

Scientific Instruments; aunque la mayora de los trabajos en caliente del acero se

hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango (temperatura de inicio


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de trabajado normalmente esta alrededor de los 14000 C). No existe tendencia al

endurecimiento por trabajo mecnico hasta que el lmite inferior del rango de

recristalizacin se alcanza. Algunos metales, tales como el plomo y el estao, tienen

bajas temperaturas de recristalizacin y pueden trabajarse en caliente a temperatura

ambiente, pero la mayora de los metales comerciales requieren de algn

calentamiento. [AVNER, 1978]

Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el rango de

trabajo conveniente, siendo el resultado un aumento de la temperatura de

recristalizacin; este rango tambin puede incrementarse por un trabajo anterior en

fro.

Cuando al metal se le trabaja en caliente, las potencias requeridas para deformarlo

son menores que para un trabajado en fro y las propiedades mecnicas cambian,

durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal est en estado plstico

y es formado rpidamente por presin, el trabajo en caliente tiene las ventajas

siguientes: la porosidad en el metal es considerablemente eliminada, la mayora de

los lingotes fundidos contienen pequeas sopladuras, las impurezas en forma de

inclusiones son eliminadas y distribuidas a travs del metal, los granos gruesos o

prismticos son refinados, la ductilidad y la tenacidad se incrementan, su resistencia

mecnica disminuye y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. Cuando se

trabaja en caliente, el incremento de la resistencia mecnica y el endurecimiento por

deformacin plstica del metal se ve compensado por la simultnea recristalizacin

que sufre el material debido a la temperatura.

Los procesos de trabajo en caliente presentan desventajas; debido a que

normalmente se trabaja en condiciones atmosfricas no controladas y a la alta

temperatura del metal se produce una rpida oxidacin o escamado de la superficie

lo que produce un acabado superficial deficiente, como resultado del escamado no

pueden mantenerse tolerancias precisas; el equipo y los costos de mantenimiento


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son altos, pero el proceso es ms econmico comparado con el trabajo a bajas

temperaturas.

Cuando a un metal se le deforma plsticamente en fro, se requieren grandes

potencias para deformarlo, y la resistencia mecnica y la dureza del metal se

incrementan notablemente y permanentemente mientras se va deformando, El

conformado es en fro, cuando la temperatura de deformacin no llega a producir

cambios en su micro-estructura. Los efectos que produce en el material un

conformado mecnico por deformacin plstica en fro son: mejor precisin, se

puede producir piezas con tolerancias ms estrechas; buenos acabados superficiales;

incremento de la resistencia y dureza de la parte deformada por lo que se requiere

mayor potencia que el trabajo en caliente para desempear las operaciones. Se debe

tener cuidado para asegurar que las superficies de la pieza de trabajo inicial estn

libres de incrustaciones y suciedad.

La ductilidad y el endurecimiento por deformacin del metal de trabajo limitan la

cantidad de formado que se puede hacer sobre la pieza; en la industria se combinan

los dos procesos aprovechando las ventajas de cada uno; en caliente se pueden tener

grandes deformaciones y en fro mejores tolerancias y acabados.

PROCESOS DE CONFORMADO MECNICO POR DEFORMACIN

PLSTICA POR SOLICITACIONES MECNICAS

Los procesos de conformado mecnico por solicitaciones mecnicas del material

durante el conformado, se clasifican en: procesos de compresin directa: forja: que

puede ser alternativa o rotativa; procesos de compresin indirecta: extrusin y

trefilado; procesos por flexin: embutido, repujado, doblado, plegado o perfilado y

rolado; procesos por corte: punzonado y corte con cizallas; procesos por torsin,

procesos por traccin y procesos por indentacion.


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PROCESOS POR COMPRESIN DIRECTA

En estos procesos las fuerzas impuestas y las fuerzas que deforman al material son

de compresin. El metal fluye en direcciones normales a la fuerza impuesta, el

nico proceso por compresin directa es la forja; la cual puede ser alternativa o

rotativa; la forja alternativa puede llevarse a cabo manualmente con yunque y

martillo o con mquinas de forja martinetes o prensas. La forja rotativa, mal

llamada: laminacin, permite obtener planchas metlicas, perfiles, ruedas de

tanques de guerra, tubos sin costura, esferas para molinos y rodamientos, etc. rolado

del ingls roller o tambin suajado del ingls sjawing.

FORJA

Es un proceso de conformado mecnico por compresin directa, el forjado

mecnico es ms rpido, cmodo y econmico [IZA, 2008] (dependiendo del lote

de produccin, cuando son pocas piezas son ms rentables los mtodos en los

cuales el costo de herramental es ms bajo). Las fuerzas impuestas y las fuerzas que

deforman el material son de compresin y el flujo del material es perpendicular a

las fuerzas impuestas. (Figura 1)

Figura 1. Procesos de forja

[www.bing.com, 2013]


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LAMINACIN

Es un proceso de conformado mecnico por deformacin plstica por compresin

directa en el cual yunque y martillo se sustituyen por rodillos, consiste en deformar

un metal al hacerle pasar por entre rodillos giratorios de igual dimetro, siendo la

abertura entre ellos menor que el espesor de la pieza de trabajo. (Figuras 2 y 3)

Figura 2. Proceso de laminacin [IZA, 2008]

Figura 3. Laminacin en

caliente [http://1.bp.blogspot.com/]

PROCESOS POR COMPRESIN INDIRECTA

En procesos por compresin indirecta, la fuerza impuesta es nica, es una fuerza

que posiciona el material en la herramienta la misma que empuja o jala al material

produciendo su paso a travs de la herramienta, la fuerza que deforma al material es

de compresin que aparece indirectamente como reaccin de la fuerza impuesta al

material en la herramienta contra el material y el flujo del material es en la misma

direccin de la fuerza impuesta; Los procesos de compresin indirecta incluyen la

extrusin y trefilado.


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EXTRUSIN

Es un proceso de conformado mecnico, de compresin indirecta en el cual una

masa de material dctil (tocho, lingote o palanquilla) es obligado a cambiar de

seccin transversal cuando fluye en estado slido a travs de un orificio de una

matriz (dado) de forma determinada, por medio de un impacto o un empuje en

forma directa cuando el material fluye en el mismo sentido de la fuerza impuesta o

en forma inversa cuando el material fluye en sentido contrario al de la fuerza

impuesta, para formar una pieza de seccin constante, hueca o no, y cuya longitud

depende de la aportacin de material y la geometra del herramental. (Figura 4)

Figura 4. Proceso de extrusin

[http://es.prmob.net/, 2013]

TREFILADO

Es un proceso de conformado mecnico, de compresin indirecta, que consiste en

hacer pasar un alambre grueso o alambrn por una matriz de acero llamada hilera o

trefila provista de un agujero ligeramente cnico, agujero va disminuyendo

progresivamente el dimetro hasta llegar a la medida que se desea obtener. (Figura

5)


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Figura 5. Proceso de trefilado

[www.inalco.com.ar/, 2013]

PROCESOS POR FLEXIN

En estos procesos por deformacin plstica, la fuerza impuesta sobre el material es

de flexin, la condicin para que exista la flexin es que el material este sostenido

entre apoyos simples en sus extremos o con apoyo de empotramiento en un extremo

visto en el plano, lo que producir al interior del el material fuerzas cortantes y

momentos flectores que varan sobre toda la dimensin del material. Una variable

fundamental en estos procesos es que el espesor del material se mantiene constante.

Los procesos de flexin por solicitaciones mecnicas incluyen: la embuticin, el

repujado o rechazado al torno, el doblado el plegado o perfilado y el rolado. Estos

procesos por flexin: puede hacerse alguna clasificacin de los mismos, tomando en

cuenta los medios utilizados para someterle al material a flexin, en procesos que

utilizan matriz-embolo y procesos que utilizan rodillos.


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EMBUTICIN

Es un proceso de conformado mecnico por solicitaciones mecnicas por flexin,

que consiste en darle una forma cncava hueca a una lmina metlica, por

deformacin permanente de la misma manteniendo el espesor el espesor constante,

utilizando una estampa machi-hembrada compuesta por un conjunto embolo-matriz

que normalmente suele ser metlica y sirve para grandes lotes de produccin en el

orden de 106 piezas. (Figura 6)

Figura 6. Proceso de embuticin

[http://es.wikipedia.org/, 2013]

REPUJADO

Es un proceso de conformado mecnico por deformacin plstica por flexin,

conocido tambin como repulsado, rechazado en torno o embutido al torno y

consiste en obtener de un disco plano de chapa o una pieza previamente embutida,

un recipiente o una figura de revolucin de forma cncava. Pueden obtenerse

manualmente o con procedimientos automatizados piezas para aceleradores de

electrones, puntas de proyectiles. (Figura 7.)


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Figura 7. Proceso de repujado

[http://datateca.unad.edu.co/, 2013]

DOBLADO

Es un proceso de conformado mecnico por deformacin plstica por flexin en el

que el metal es obligado a tomar nuevas formas por movimiento o flujo plstico, sin

alterar su espesor de forma que todas las secciones permanezcan con geometra

constante y la zona de deformacin plstica es imperceptible de manera que las

propiedades a lo largo y ancho de toda la pieza permanecen constantes. Hay que

recalcar que el nombre correcto del herramental es embolo y no punzn pues este se

utiliza para la operacin de punzonado que es una operacin de corte. (Figura 8.)

Figura 8. Proceso de doblado

[www.thefabricator.com/, 2013]


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PLEGADO O PERFILADO

Es un proceso de conformado mecnico por flexin, mediante la cual se deforma

una parte de una chapa metlica segn una forma prevista utilizando pares de

rodillos cuya separacin es exactamente el espesor del material. Este es un proceso

de conformado mecnico por flexin, que consiste en fabricar perfiles de longitud

considerable por medio de curvado o doblado de tiras de lminas metlicas por

ejemplo los conocidos perfiles de acero IPAC deformados en fro, otras

aplicaciones incluyen lminas para puertas enrollables. Adems se utiliza este

mtodo de conformado para el sellado de latas contenedoras de comida sellada al

vaco, operacin conocida como grapado. (Figura 9)

Figura 9. Proceso de plegado o perfilado

[www.sennohnos.com.ar/, 2013]


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ROLADO

Es un proceso de conformado mecnico por flexin, mediante el cual se deforma

una lmina metlica o un perfil y se le da forma de superficie desarrollable,

considerando como tal, la que puede extenderse sobre un plano sin sufrir

deformacin. (Figura 10.)

Figura 10. Proceso de rolado

[www.thefabricator.com/, 2013]


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PROCESOS POR CORTE

El corte es un proceso de conformado mecnico por deformacin plstica que sirve

para la preparacin y acabado en la fabricacin de piezas metlicas. En la operacin

un pequeo volumen de metal es deformado plsticamente hasta que se produce la

fractura del mismo, este proceso incluye al corte por cuchillas o cizallas y

punzonado. No hay que confundir con el proceso de aserrado que es un proceso por

virutaje mal llamado corte.

Para que un proceso de conformado mecnico por deformacin plstica sea por

corte debe cumplir con las variables: existen dos fuerzas impuestas, estas fuerzas

impuestas de igual magnitud actan sobre el elemento metlico en sentidos

contrarios las que no actan sobre la misma lnea de accin, estas actan en sus

propias lneas de accin las cuales estn separadas por una pequea distancia

produciendo un par. El rea de corte del material en funcin de la ductilidad del

material, a mayor ductilidad mayor rea cortada y en el resto de la seccin se

produce la separacin del material por desgarre que es la es propagacin del corte.

(Figura 11)

Figura 11. Procesos por corte

[http://conformadodemetal.blogspot.com/, 2013]


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CORTE POR CUCHILLAS O CIZALLAS

Es un proceso de conformado mecnico por corte, el cual implica a someter al metal

a un par de fuerzas separadas una distancia menor que el espesor del material a

cortarse, sometiendo al material a esfuerzos cortantes superiores a su resistencia al

corte, hasta producir el corte en una seccin que representa algn porcentaje de

superficie cortada en la seccin transversal del material dependiendo de la dureza

del material, que se presenta como una rea brillante donde se tiene corte puro y

una zona de desgarre por la cual se desplaza la fractura, es decir solo una pequea

parte del material se corta el resto de material se separa por el viaje de la

deformacin plstica producida a lo largo de la seccin transversal del material por

desgarre. Esto se lo realiza utilizando cuchillas rectas en prensas conocidas como

guillotinas. (Figura 12.)

Figura 12. Proceso de corte con cuchillas planas



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PUNZONADO

Es un proceso de conformado mecnico que consiste en practicar sobre una chapa

un agujero de forma determinada, mediante una estampa apropiada. En este caso el

herramental es el punzn cuyo permetro es ligeramente menor al de la matriz

(Figura 13.)

Figura 13. Proceso de punzonado


PROCESOS POR TORSIN

Un proceso de conformado mecnico por deformacin plstica por torsin se

define como aquel en el cual las solicitaciones mecnicas del material son de

torsin, producida por la aplicacin de dos momentos de torsin y de sentido

contrario sobre un elemento mecnico unidimensional como una varilla de seccin

cuadrada o hexagonal para la fabricacin de elementos mecnicos utilizados en

carpintera metlica para protecciones metlicas especialmente en acero, como

pasamanos o cubre ventanas; as como tambin para la fabricacin de resortes

helicoidales, en los que mientras se efecta el embobinado del alambre se va

torsionando al material de manera de ir sometiendo al material a deformacin


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plstica por torsin con el objeto de proveerle una constante de recuperacin

elstica adecuada.

Los resortes helicoidales son elementos mecnicos que trabajan a corte, que al estar

sometidos a cargas fluctuantes, trabajan a fatiga por lo que despus de un

determinado tiempo de servicio suelen fallar rompindose generalmente cerca de la

junta en la primera espira. Estos elementos mecnicos una vez que han fallado ya

no pueden recuperarse, los mismos que deben ser reemplazados, y sobre todo

cuando en ciertas mquinas como por ejemplo en el prensa chapas de una matriz de

embuticin existan muchos, si uno falla es imperativo el recambio de todo el juego

de resortes, por numerosos que sean y que aparentemente an no hayan fallado,

pues estarn a punto de fallar. (Figura 14)

Figura 14. Procesos por torsin

[http://blog.utp.edu.co/, 2013]

PROCESOS POR TRACCIN

En este proceso las solicitaciones mecnicas a las que se somete a un elemento

mecnico unidimensional son de traccin. Este proceso se utiliza muy

espordicamente como un proceso secundario para la recuperacin de piezas que

despus de un proceso de extrusin o laminado no presenta una planeidad dentro de

las tolerancias establecidas en las normas correspondientes por ejemplo en la norma


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NTE INEN 2250:2000 Aluminio perfiles o en perfiles de acero producidos por

laminacin en caliente con planeidad fuera de especificacin.

No hay que confundir al ensayo normalizado de traccin que se utiliza para

determinar las propiedades mecnicas de un metal dado con un proceso de

fabricacin por traccin. A este proceso a menudo autores lo denominan estirado y

lo definen como un proceso de conformado mecnico por traccin, en donde el

metal es estirado es decir deformado plsticamente por medio de herramientas

adecuadas de contencin como una matriz de caucho.

PROCESOS POR INDENTACIN

A pesar de que en la literatura no se encuentra un proceso de deformacin plstica

por indentacin, se podra pensar en el repujado esttico de lminas metlicas de

bajos espesores y de baja resistencia mecnica como el aluminio para formar alto

relieves a nivel artesanal o artstico, como por ejemplo la esfera del globo terrqueo

que est en el obelisco de la mitad del mundo en la localidad de Pomasqui en

Ecuador fue construida en el Laboratorio de Conformado Mecnico de la EPN.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL CONFORMADO MECNICO

Los principales factores que intervienen en el conformado mecnico en general son:

la temperatura en el conformado como ya se explic antes, velocidad de

deformacin durante el conformado y la micro-estructura del material. Adems para

el proceso de doblado se debe tomar en cuenta otros factores que influyen ms que

en otros procesos, como la friccin y la recuperacin elstica.

LA VELOCIDAD DE DEFORMACIN

La velocidad de deformacin tiene poca influencia en los procesos de


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conformacin, a menos que se realicen a grandes velocidades lo que en ms de una

ocasin puede ser cierto debido a urgencias en el tamao del lote de la produccin,

ya que pueden aparecer regiones de deformacin no uniforme llegando a la rotura

por aumento de la resistencia mecnica y por tanto de la fragilidad del material.

El comportamiento de los metales en los procesos de conformacin puede depender

de la velocidad de deformacin, la mayora de los metales de estructura cbica

centrada cambian su comportamiento de dctiles a frgiles dentro de un

determinado rango de temperatura y si la velocidad de deformacin es

considerablemente alta, el fenmeno de la temperatura de transicin resulta

significativo. [AVNER, 1978]

Si la velocidad de deformacin es grande puede dar lugar a que se produzcan

regiones de deformaciones no uniformes o marcas de deformacin, las mismas que

podran ser eliminadas al disminuirse esta velocidad. En el trabajo en caliente el

lmite elstico de los metales es considerablemente afectado por la velocidad de

deformacin.

LA MICRO-ESTRUCTURA EN EL CONFORMADO

La fuerza necesaria para realizar una operacin de doblado, est relacionada

directamente con el lmite de fluencia del material que se trabaja y esta depende de

la estructura metalrgica y de la composicin de la aleacin. [AVNER, 1978]

El lmite elstico de los metales dependen de la micro-estructura metalrgica y de

la composicin qumica de cada uno de ellos, ya sea como metales puros o como

aleaciones, al realizar cualquiera de las operaciones de conformado mecnico, los

esfuerzos para la deformacin plstica dependen del lmite elstico y por tanto de la

estructura metalrgica, por otra parte, el conformado mecnico por deformacin

plstica de los metales puros resulta ms fcil mientras ms alto sea el punto de


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fusin; en cuanto al punto de fusin se refiere, si las partculas dispersas tienen un

punto de fusin ms bajo que la matriz, se presenta el riesgo de fragilidad en

caliente con mayor frecuencia. [AVNER, 1978]

El lmite elstico se ve tambin modificado por el tamao de las partculas

uniformemente distribuidas de esta manera habr un aumento en el lmite elstico si

las partculas de una segunda fase son ms pequeas, tal es el caso de la perlita en el

acero. [AVNER,1978]

FRICCIN

El rozamiento aumenta la resistencia a la deformacin y es bastante difcil de

cuantificar, constituye uno de los factores ms inciertos en las operaciones de

conformado mecnico por deformacin plstica especialmente en el caso del

doblado. El valor de las fuerzas de rozamiento depende del material que se trabaje,

de la rugosidad, de la lubricacin, de la velocidad de deformacin y la temperatura.

RECUPERACIN ELSTICA

Cuando una pieza de metal es sometida a una fuerza uniaxial, se produce una

deformacin del metal. Si el metal vuelve a sus dimensiones originales cuando la

fuerza es suspendida, se dice que el metal ha experimentado una deformacin

elstica.

En materiales dctiles al realizar el proceso de doblado, se debe tomar en cuenta la

recuperacin elstica del material, para obtener la dimensin final. Al cargar un

cuerpo y luego descargarlo el mismo recupera su configuracin geomtrica inicial.

La recuperacin no tiene que ser instantnea, pero siempre que el cuerpo recupere

su configuracin inicial, se considera que el mismo es elstico.


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Es el caso en que un cuerpo sometido a la accin de cargas exteriores, no recupera

su configuracin geomtrica inicial luego de ser retiradas las mismas queda una

deformacin plstica, permanente o remanente que es lo que caracteriza a la

plasticidad.

BIBLIOGRAFA

AVNER S. (1978). Introduccin a la Metalurgia Fsica. 2 daEd. Mc Graw-Hill.

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