tema 8. deformacion plastica i

INGENIERÍA DE FABRICACIÓN

DEFORMACIÓN PLÁSTICA I. INTRODUCCIÓN

Deformación Plástica I. Introducción

8.2

Tema 8 INTRODUCCIÓN A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA

8.1 Introducción

El conformado por deformación plástica se define como el proceso de fabricación por

deformación permanente de un cuerpo sólido, mediante la acción de fuerzas exteriores

(compresión, tracción, flexión, etc.), el cual conlleva una modificación de la geometría del

mismo y una variación de sus características mecánicas.

Los materiales susceptibles de aplicar estos procesos son los materiales con un amplio

periodo plástico, y por lo tanto pueden experimentar una deformación permanente

importante sin destruir sus enlaces moleculares. Ejemplos de este tipo son el acero y los

metales no férreos maleables.

El trabajo de los procesos de deformación consiste en someter el metal a un esfuerzo

suficiente para hacer que éste fluya plásticamente y tome la forma deseada. La importancia

tecnológica y comercial se debe a, entre otros, los siguientes motivos:

Se alcanzan cambios significativos en la geometría de la pieza (dar forma).

Incremento de resistencia.

Conformado a volumen constante (desperdicio nulo de material, [Figura 8.1.]).

Figura 8.1. Desperdicio de material mecanizado versus conformado plástico


8.3

Los procesos de conformado por deformación plástica (PCDP) han sido diseñados para

explotar una propiedad fundamental de algunos materiales de ingeniería (prácticamente la

totalidad de los metales) denominada plasticidad, es decir, la capacidad de fluencia en

estado sólido sin menoscabo de sus propiedades (incluso con la mejora de éstas).

En general, se aplica el esfuerzo de compresión para deformar plásticamente el metal. Sin

embargo, algunos procesos de conformado estiran al mismo, mientras que otros lo doblan y

otros más lo cortan. Para conformar con éxito un metal, éste debe poseer ciertas

propiedades. Las propiedades convenientes para el conformado son por lo general baja

resistencia a la fluencia y alta ductilidad. Estas propiedades están afectadas por la

temperatura, el rozamiento, la acritud y otros parámetros que definen el problema de

conformado.

8.2 Clasificación de los procesos de conformado por deformación

plástica (PCDP)

Se han desarrollado centenares de procesos para trabajar los metales destinados a

aplicaciones específicas. Sin embargo, estos se pueden clasificar en: 1) Procesos de

deformación volumétrica y 2) Procesos de trabajo de láminas metálicas [Tabla 8.1.].

Tabla 8.1. Clasificación de procesos de conformado por deformación plástica

Los procesos de deformación volumétrica se caracterizan por deformaciones significativas y

grandes cambios de forma, siendo la relación entre área superficial y volumen de trabajo

relativamente pequeñas. La forma de trabajo inicial incluye barras cilíndricas y tochos

rectangulares. Las operaciones básicas dentro de este grupo son [Figura 8.2.]:

Forja: se comprime una pieza de trabajo entre dos troqueles opuestos

Laminación: proceso de compresión en el que se reduce el espesor de una plancha o

placa por medio de herramientas cilíndricas opuestas llamadas rodillos.

Conformado de metales

Deformación volumétrica

Forja

Laminación

Estirado

Extrusión

Trabajo de láminas metálicas

Doblado y curvado

Embutido

Operaciones de corte


8.4

Extrusión: proceso de compresión en el cual se fuerza al metal de trabajo a fluir a

través de la abertura de un troquel para que tome la forma de la abertura de éste en

su sección transversal.

Estirado: proceso de reducción del diámetro de un alambre o barra cuando se tira del

alambre a través de una abertura del troquel.

Los procesos de trabajo de láminas metálicas son operaciones de conformado o

preconformado de láminas, tiras y rollos de metal. La relación entre área superficial y el

volumen es alta. Las operaciones básicas dentro de este grupo son [Figura 8.2.]:

Doblado y curvado: deformación de una lámina metálica para que adopte un ángulo

respecto a un eje recto

Embutido: transformación de una lámina plana de metal en una forma hueca o

cóncava.

Operaciones de corte: aunque no es un proceso de conformado propiamente dicho,

se incluye aquí debido a que es una operación necesaria y muy común en el trabajo

de láminas metálicas

Figura 8.2. Procesos volumétricos y de conformado de chapa

Estas operaciones también se pueden clasificar en función de las fuerzas que provocan la

deformación plástica en el material cuando se le da la forma requerida. Estas clases son:

1. Procesos de compresión directa. La fuerza se aplica a la superficie de la pieza que se

trabaja y el metal fluye formando ángulo recto con la dirección de la compresión (forja

y laminación).


8.5

2. Procesos de compresión indirecta. Se desarrollan fuerzas de compresión elevadas

por reacción entre la pieza que se trabaja y la matriz (estirado mediante hilera,

trefilado, extrusión, embutición profunda, etc.).

3. Procesos de tracción. El metal se adapta al contorno de una matriz por aplicación de

fuerzas de tracción (estirado).

4. Procesos de cizallamiento. Implica fuerzas lo suficientemente elevadas para provocar

el corte del metal.

5. Procesos de plegado. Supone la aplicación de momentos de flexión a la chapa.

8.3 Comportamiento del material en el conformado por

deformación plástica

Cuando un material está en servicio, queda sometido a una serie de esfuerzos que pueden

afectar a su geometría y comportamiento. Si representamos el esfuerzo en función de la

deformación unitaria para un metal (ensayo de tracción) obtenemos una curva característica

semejante a la que se muestra a continuación [Figura 8.3.].

Figura 8.3. Diagrama tensión-deformación uniaxial (b) sobre probeta de tracción (a)

Durante la primera parte de la curva, el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria,

nos encontramos en la región elástica (OY). Cuando disminuye el esfuerzo aplicado, el

material vuelve a su longitud inicial Lo. La línea recta (en realidad existe una etapa posterior

no proporcional) termina en un punto Y denominado límite elástico. Si se sigue aumentando

el esfuerzo la deformación unitaria aumenta rápidamente, pero al reducir el esfuerzo, el

material no recobra su longitud inicial. La longitud que corresponde a un esfuerzo nulo es

ahora mayor que la inicial Lo, y se dice que el material ha adquirido una deformación

permanente (ue = Le-Lo).


8.6

El material se deforma hasta un máximo, denominado punto de rotura (R). Entre el límite de

la deformación elástica (Y) y el punto de rotura tiene lugar la deformación plástica.

Si entre el límite de la región elástica y el punto de rotura tiene lugar una gran deformación

plástica el material se denomina dúctil. Sin embargo, si la rotura ocurre poco después del

límite elástico el material se denomina frágil.

La curva de tensión-deformación ofrece una visión que permite comprender el

comportamiento de los metales durante su formación. La relación típica exhibe elasticidad

por debajo del punto de fluencia, y endurecimiento por deformación arriba de dicho punto.

En la región plástica, el comportamiento del metal se expresa por la curva de fluencia:

(1)

donde K es el coeficiente de resistencia, y n es el exponente de endurecimiento por

deformación. El esfuerzo σ y la deformación ε en la curva de fluencia son el esfuerzo real y

la deformación real. La curva de fluencia es generalmente válida como una relación que

define el comportamiento plástico de un metal en el trabajo en frío.

Tabla 8.2. Valores de k y n para diferentes materiales

8.3.1 Hipótesis simplificadoras en el conformado por deformación plástica:

Uniformidad e isotropía antes y después de la deformación

Independencia del tiempo si se aplican procesos de carga similares

Independencia de la temperatura sobre la deformación (frío o caliente se distinguen

por sus diferentes respuestas tensión- deformación)

Simetría de las tensiones aplicadas. (no efecto Bauschinger)

Estado esférico de tensiones no provoca deformación.

Invariabilidad del volumen del material.

Idealización de diagramas

nK


8.7

8.3.2 Modelos de comportamiento de materiales. Idealización de diagramas

En la Figura 8.4. se presentan los diagramas tensión-deformación que caracterizan el

comportamiento de los materiales metálicos. Las expresiones que se muestran a

continuación responden a los diferentes comportamientos rígido-plásticos del material

representados en esta figura.

= Y + K·n (Rígido-Plástico con endurecimiento)

= Y + K· (Rígido-Plástico con endurecimiento lineal)

= Y (Rígido-Plástico perfecto), siendo Y= tensión de fluencia)

Figura 8.4. Idealización de diagramas esfuerzo-deformación

8.3.3 Criterios de fluencia

Generalmente la información disponible sobre un material es su límite elástico, obtenido

mediante el ensayo de tracción. En los procesos de deformación plástica, sometidos a

tensiones en las tres direcciones principales, la deformación se produce, a su vez y salvo

casos excepcionales o configuraciones de deformación plana, sobre las tres direcciones


8.8

principales indicadas. Debido a esto, es necesario establecer un criterio que permita

encontrar un estado de tensión monoaxial equivalente al estado tensional establecido por las

tensiones principales [Figura 8.5.]:

Figura 8.5. Estado tensional triaxial

Se trata pues de encontrar una función de las tensiones principales para la que la

deformación plástica alcanza un estado crítico. De entre los diferentes criterios desarrollados

a tal efecto, presentamos de forma breve los dos criterios de más sencilla aplicación y de

mayor empleo:

Criterio de Tresca

También llamado de la tensión tangencial máxima (basado en observaciones

experimentales) y según el cual:

equivalente = 2 máxima = 1 - 2 Ec.2

Aceptable para materiales dúctiles sometidos a estados de tensión en los que se

presentan tensiones tangenciales relativamente grandes, por lo que sólo se tomará

en cuenta dos de las tres direcciones principales.

Criterio de Von Mises

Este criterio es interpretado físicamente como el resultado de la variación de la

energía de distorsión. Según el mismo, solamente una parte de la energía de

deformación, la debida al cambio de forma, determina la aparición de deformaciones

plásticas:

Ec.3

8.3.4 Fluencia bajo condiciones de deformación plana

La mencionada anteriormente como condición de Deformación Plana es aquella en la que

mediante consideraciones geométricas o tecnológicas se pueda estimar que se produce

deformación en dos de las tres direcciones principales (no tensión plana, puesto que

esfuerzos si se presentarán en las tres direcciones). Si suponemos que la fluencia por lo

tanto tiene lugar paralelamente al plano definido por las direcciones de las tensiones

principales 1 y 3; entonces d2 = 0; como resulta que el Volumen es constante; se tendrá

que: d1= -d3.

equiv.

2

13

2

32

2

212

1 eequivalent


8.9

De forma que las tensiones principales serán: 1 = k y 3 = -k. 2 tendrá únicamente una

componente hidrostática que no provoca deformación.

2 = ½ (1 + 3) 22 = 2·k = S (tensión de fluencia en ensayo de compresión con

deformación plana).

En deformación plana no es necesario utilizar ningún criterio de deformación, ya que como

se ve k es el resultado de un esfuerzo cortante puro.

8.4 La deformación en materiales metálicos

Cuando un cristal es sometido a fuerzas mecánicas que se incrementan de forma gradual,

su respuesta inicial es deformarse de modo elástico. Esto se parece a un alargamiento de la

estructura de red sin que haya cambios en la posición de los átomos en la red. Si se elimina

la fuerza, la estructura de red y por lo tanto el cristal, regresa a su forma original. Si el

esfuerzo alcanza un valor alto en relación con las fuerzas electrostáticas que mantiene a los

átomos en su lugar dentro de la red, ocurre un cambio permanente denominado deformación

plástica.

En esta deformación del cristal, hay que tener en cuenta los distintos defectos de red que

pueden haber presentes. Se denomina dislocación al defecto de la red cristalina de

dimensión uno, es decir, que afectan a una fila de puntos de la red [Figura 8.6(I)]. Las

dislocaciones tienen un papel muy importante para facilitar el deslizamiento en los metales.

Cuando una estructura de red que contiene una dislocación de borde se somete a una

fuerza cortante, el material se deforma con mucha mayor facilidad que si se tratara de una

estructura perfecta [Figura 8.6(II).].

(I)

(II)

Figura 8.6. (I) Dislocación (a) de borde (plano extra de átomos en el cristal) y (b) helicoidal o

de tornillo (superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de

dislocación formado al aplicar un esfuerzo cizallante). (II) Dislocación de borde sometido a

fuerza cortante.

Figura 8.7. Otros tipos de defectos en la estructura cristalina


8.10

8.4.1 Deformación plástica de los metales policristalinos

Los metales que se utilizan normalmente en la fabricación de diversos productos constan de

muchos cristales individuales orientados al azar (granos); por lo tanto, las estructuras

metálicas no son monocristalinas sino policristalinas. Cuando una masa de metal fundido

comienza a solidificar, los cristales empiezan a formarse independientemente unos de otros

en varios lugares dentro de la masa líquida; tienen orientaciones al azar y sin relación unas

con otras. Después, cada uno de ellos crece en una estructura cristalina o grano. El número

y los tamaños de los granos desarrollados en una unidad de volumen del metal dependen de

la velocidad a la que tiene lugar la nucleación. El número de lugares diferentes en los que se

comienzan a formar los cristales individuales y la velocidad a la que éstos crecen, influyen en

el tamaño medio de los granos desarrollados [Figura 8.7.]. Si la velocidad de nucleación es

alta, el número de granos en una unidad de volumen del metal será grande y, por lo tanto, el

tamaño de grano será pequeño. Por el contrario, si la velocidad de crecimiento de los

cristales es elevada (en comparación con su velocidad de nucleación), habrá menos granos

por unidad de volumen y su tamaño será mayor. Generalmente, el enfriamiento rápido

produce granos más pequeños, mientras que el lento produce granos más grandes.

Figura 8.7. Crecimiento de granos

El tamaño de grano influye de modo significativo en las propiedades mecánicas de los

metales. A la Tª ambiente, por ejemplo, el tamaño grande del grano se asocia en general

con resistencia, dureza y ductilidad bajas. Los granos más grandes, particularmente en las

hojas metálicas, también provocan una superficie de apariencia rugosa después de estirar el

material (efecto piel de naranja). Los granos pueden ser tan grandes que sea posible verlos

a simple vista, como los de zinc en la superficie galvanizada de las hojas de acero.

8.4.1.1 Endurecimiento por deformación (acritud)

Si un metal policristalino con granos equiaxiales uniformes se somete a deformación plástica

con trabajo en frío, los granos se deforman y se alargan [Figura 8.8.(a)]. Durante la

deformación plástica, los límites de los granos permanecen intactos y la continuidad de la

masa se mantiene.

(a) (b)

Figura 8.8. Estructura de fibra


8.11

Aunque de forma general la presencia de una dislocación reduce el esfuerzo cortante

requerido para provocar el deslizamiento, las dislocaciones pueden obstruirse unas con otras

y verse impedido su desplazamiento por la aparición de barreras como límites de grano,

impurezas, e inclusiones en el material. Por tanto, el metal deformado muestra una

resistencia mayor debido a la obstrucción de las dislocaciones con los límites de los granos.

El aumento de resistencia depende del grado de deformación (esfuerzo) al que se somete el

metal; cuanto mayor sea la deformación, más fuerte será el metal. El aumento de resistencia

es mayor para metales con los granos más pequeños porque tienen un área superficial de

límites de grano mayor por unidad de volumen de metal y, de ahí, mayor obstrucción de las

dislocaciones.

Al aumento en el esfuerzo cortante, que incrementa la resistencia total y la dureza del metal,

se le conoce como endurecimiento por resistencia a la propia deformación o acritud. Cuanto

mayor sea la deformación, mayor será el número de obstrucciones, y de ahí un aumento en

la resistencia del metal.

El endurecimiento por deformación se emplea ampliamente para aumentar la resistencia de

los metales en los procesos de trabajo en frío de los mismos. Ejemplos característicos son la

producción de hojas metálicas para carrocerías de automóviles y fuselajes de aviones

mediante el laminado en frío, la fabricación de cabezas de tornillos mediante forjado, y el

endurecimiento de cables mediante la reducción de su sección estirándolos a través de una

hilera.

8.4.1.2 Anisotropía

Muchos productos desarrollan anisotropía de propiedades mecánicas después de haberse

procesado mediante técnicas de trabajo de los metales debido a la fuerte orientación en

forma de fibra de los granos que componen el material [Figura 8.8.(b)].

8.5 Temperatura en el conformado plástico

La curva de fluencia es una representación válida del comportamiento esfuerzo-deformación

de un metal durante su deformación plástica, particularmente en operaciones de trabajo en

frío. Para cualquier metal, los valores de K y n dependen de la temperatura. Tanto la

resistencia, como el endurecimiento por deformación, se reducen a altas temperaturas. Este

cambio de propiedades es importante porque cualquier operación de deformación se puede

alcanzar a temperaturas elevadas con fuerzas y potencias menores.

Los dos rangos de temperatura en los cuales el material puede sufrir una deformación

plástica y cambiar de forma, son los denominados de trabajo en caliente y en frío.

Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es

fácil de definir. Cuando el metal se trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para

deformarlo son menores y las propiedades mecánicas cambian moderadamente. Cuando se

trabaja en frío un metal, se requieren grandes fuerzas, pero la resistencia propia del material

se incrementa permanentemente.


8.12

La transición entre los trabajos en caliente y en frío se establece en base a la denominada

temperatura de recristalización (temperatura a la cual, un material deformado intensamente

en frío recristaliza en una hora). El trabajo en caliente de los metales se lleva a cabo por

encima de ésta y el trabajo en frío debe de realizarse a temperaturas inferiores; esta

temperatura puede ser muy diferente, dependiendo del material.

Por ejemplo, para el acero, la recristalización se produce alrededor de 500 a 700 °C, aunque

la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente

por encima de este rango. Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo

rango recristalino y pueden trabajarse en frío, pero la mayoría de los metales comerciales

requieren algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre

todo en el rango de trabajo adecuado, siendo el resultado acostumbrado de estos elementos

de aleación aumentar la temperatura del rango recristalino. Este rango también puede

incrementarse por un trabajo anterior en frío.

Para explicar la influencia de la temperatura en frío o en caliente, existe un principio

generalizado que implica que al aumentar la temperatura de conformado disminuye la

resistencia del material (se produce una mayor excitación atómica en la estructura de éste) y

por tanto se deforma mejor, produciéndose un menor desgaste de las instalaciones.

El aumento de la temperatura, sin embargo, tiene un límite: a mayores temperaturas, el

material se hace más vulnerable, sufre alteraciones de composición si no está debidamente

protegido; en particular, la presencia del oxígeno puede incidir negativamente en el producto

final.

Figura 8.9. Influencia de la temperatura

Por otra parte, el material sufre alteraciones en su aspecto, ya que al producirse cascarilla se

hace necesaria su limpieza; el material puede llegar a quemarse, produciéndose la

desintegración del mismo por descohesión intergranular.

8.5.1 Temperatura de recristalización

La recristalilzación es el proceso de formación de nuevos granos a partir de granos ya

existentes, que habían sido previamente deformados en frío. El proceso para llegar a esta

situación es el siguiente: si se calienta un material, previamente deformado en frío, hasta una

temperatura no demasiado elevada durante un tiempo corto, se provoca un cierto

ablandamiento del material sin modificación de su estructura interna. Si el material se


8.13

calienta durante un tiempo prolongado a temperaturas superiores, los granos, que se habían

deformado alargándose, tienden a recuperar la forma equiaxial de equilibrio y a su vez la

agitación térmica provoca un incremento de su tamaño.

Cuando la temperatura es mayor que 0.5 Tf (temperatura de fusión), los átomos se mueven y

se difunden para formar núcleos nuevos. Esta difusión depende en gran parte del tiempo y

de la temperatura (se obtiene un grano equiaxial cuyo tamaño es función del trabajo previo

en frío, del tiempo y de la temperatura). La fuerza que promueve la recristalización proviene

del incremento de energía que resulta de la estructura provocada por la deformación en frío

previa, por lo que ésta comienza a una temperatura tanto menor cuanto mayor es el trabajo

previo.

La temperatura de referencia 0.5 Tf es sólo una guía, ya que pequeñas cantidades de

elementos de aleación pueden retrasar la formación de nuevos granos, elevando la

temperatura de recristalización. Por ejemplo, en superaleaciones diseñadas para trabajar a

altas temperaturas, el inicio de la recristalización se produce en torno a 0.8 Tf.

Los principales factores que influyen en la temperatura de recristalización son:

Cantidad de trabajo: cuanto mayor es el grado de deformación menor es la

temperatura de recristalización ya que, a mayor cantidad de trabajo aplicado mayor

es la cantidad de energía acumulada internamente.

Tamaño de grano antes de la deformación plástica: a menor tamaño de grano menor

será la temperatura de recristalización, porque la estructura del grano pequeña tiene

mayor cantidad de límites de grano, y a menor tamaño es más difícil deformar el

grano. Por esto hay que aplicar mayor fuerza externa ya que la estructura del

material es más dura y se necesita más fuerza para deformarlo.

Temperatura: a menor temperatura de deformación plástica menor será la

temperatura de recristalización.

Tiempo de calentamiento para lograr la recristalización: a mayor tiempo menor será

la temperatura de recristalización.

Impurezas: cuando las impurezas son insolubles no afecta la temperatura de

recristalización, pero sí lo son si afecta, generalmente elevándolas.

8.5.2 Trabajo en caliente

Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es

conformado rápidamente por presión. El trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:

1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes

fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez

eliminadas por la alta presión de trabajo.

2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del

metal.

3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados


8.14

4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al

refinamiento del grano. Se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor

resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.

5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma es mucho menor que la

requerida cuando se realiza en frío.

Tabla 8.3. Temperaturas de fusión y de recristalización.

Metal Temperatura de fusión (ºC) Temperatura de recristalización (ºC)

Pb 327 Temperatura ambiente

Sn 232 Temperatura ambiente

Zn 420 Temperatura ambiente

Al 660 150

Mg 650 200

Ag 962 200

Cu 1085 200

Mo 2610 900

W 3410 1200

En cuanto a inconvenientes, todos los procesos de trabajo en caliente presentan algunos

que no pueden ignorarse:

1. Debido a la alta temperatura, existe una rápida oxidación de la superficie, lo cual

conlleva un pobre acabado superficial.

2. No pueden mantenerse tolerancias estrechas.

3. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el

proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

Con el trabajo en caliente se obtienen productos que, salvo ligeras operaciones, están listos

para usarse en puentes, barcos, raíles de ferrocarril, y otras aplicaciones en las que no se

requieren tolerancias estrechas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado

que el contenido de carbono es menor del 0.25%.

8.5.3 Trabajo en frío

En el otro extremo de la influencia de la temperatura se encuentra el conformado en frío, que

energéticamente es más económico, ya que el producto obtenido no requiere de

operaciones posteriores tales como enderezados o mecanizados. Además, el material no

experimenta un crecimiento del tamaño del grano por activación térmica, sino que sufre la

deformación de los granos con el consiguiente endurecimiento por acritud.

El conformado en frío, sin embargo, presenta dificultades no despreciables, ya que la

potencia necesaria para deformar el material es muy elevada, por lo que se requieren

instalaciones especiales; además, el desgaste de las máquinas hace necesario un control


8.15

dimensional eficaz y la geometría del producto no puede ser muy complicada (puesto que el

material no puede fluir y rellenar cualquier tipo de molde).

8.6 Sensibilidad a la velocidad de deformación

En teoría, un metal en trabajo en caliente se comporta como un material perfectamente

plástico, con un exponente de endurecimiento por deformación n=0. Esto significa que una

vez que se alcanza el nivel de esfuerzo de fluencia, el metal debe continuar fluyendo bajo el

mismo nivel del mismo. Sin embargo, un fenómeno adicional caracteriza el comportamiento

de los metales durante su deformación, especialmente a las temperaturas elevadas del

trabajo en caliente. Este fenómeno es la sensibilidad a la velocidad de deformación.

La rapidez a la que se deforma el metal en un proceso de conformado se relaciona

directamente con la velocidad de deformación. En muchas operaciones de conformado, la

velocidad de deformación es igual a la velocidad de la matriz o de cualquier otro elemento

móvil del equipo . La velocidad de deformación real se define como:

h

(3)

Siendo la velocidad de deformación real, la velocidad de deformación (rapidez del

elemento móvil) y h la altura instantánea de la pieza que se deforma. Si la velocidad de

deformación es constante durante la operación, entonces varía con la altura.

Ya se ha observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es función de la temperatura.

En las temperaturas de trabajo en caliente, el esfuerzo de fluencia depende de la velocidad

de deformación. El efecto de la velocidad de deformación sobre las propiedades de

resistencia se conoce como sensibilidad a la velocidad de deformación. El efecto se

puede apreciar en la Figura 8.10.

Figura 8.10. a) Efecto de la velocidad de deformación sobre la resistencia de fluencia a

temperatura de trabajo elevada; b) Misma relación graficada en coordenadas log-log

Al aumentar la velocidad de deformación, se incrementa la resistencia a la deformación. Esto

se representa de manera usual como una línea aproximadamente recta en una gráfica

doblemente logarítmica [Figura 8.10.(b)], lo cual conduce a la relación siguiente:


8.16

(4)

Donde C es la constante de resistencia y m, el exponente de sensibilidad a la velocidad de

deformación.

El efecto de la temperatura sobre los parámetros es notable. A temperatura ambiente, el

efecto de la velocidad de deformación es casi despreciable. A medida que aumenta la

temperatura, la velocidad de deformación juega un papel más importante en la

determinación del esfuerzo de fluencia, dado por las pendientes mayores de las relaciones

deformación-velocidad.

8.7 Fricción y lubricación en el conformado de metales

La fricción en el conformado de metales surge debido al estrecho contacto entre las

superficies de la herramienta y el material de trabajo, y a las altas presiones que soportan las

superficies en estas operaciones. En la mayoría de los procesos de conformado, la fricción

es inconveniente por las siguientes razones:

1) retarda el flujo del metal en el trabajo, ocasionando esfuerzos residuales y algunas

veces defectos del producto.

2) se incrementan las fuerzas y la potencia para desempeñar la operación, y

3) el desgaste de las herramientas puede conducir a la pérdida de la precisión

dimensional, lo cual da por resultado piezas defectuosas y el reemplazo de las

herramientas.

La fricción en el conformado de metales es diferente a la que se encuentra en la mayoría de

los sistemas mecánicos. En estos otros casos actúan generalmente bajas presiones de

contacto, temperaturas entre bajas y moderadas, y una lubricación amplia para minimizar el

contacto. Por el contrario, las condiciones en el conformado de metales representan

presiones muy elevadas entre la superficie de la herramienta y la de la pieza de trabajo,

deformación plástica del elemento más blando, y altas temperaturas. Estas condiciones

pueden generar coeficientes de rozamiento elevados, incluso con la adición de lubricantes.

Si el coeficiente de rozamiento llega a ser lo suficientemente grande, ocurre una condición

conocida como adherencia. La adherencia en el trabajo de metales es la tendencia de las

dos superficies en movimiento relativo a unirse la una a la otra en lugar de deslizarse. Esto

significa que el esfuerzo de fricción entre las superficies excede al esfuerzo de flujo cortante

del metal de trabajo, ocasionando que el metal se deforme por un proceso de corte por

debajo de la superficie, en lugar de que ocurra un deslizamiento entre las superficies. La

adherencia ocurre en los procesos de conformado plástico, y es un problema importante en

el laminado, como se verá más adelante.

Los lubricantes para el trabajo de los metales se aplican en la interfaz herramienta-pieza de

trabajo en muchas operaciones de conformado para reducir los perjudiciales efectos del

rozamiento. Los lubricantes también tienen otras funciones como reducir el calor transmitido

a las matrices. Los lubricantes usados en trabajo en frío incluyen aceites minerales, grasas y

aceites grasos, emulsiones en agua, jabones y otros recubrimientos. El trabajo en caliente se

realiza algunas veces en seco para ciertas operaciones y materiales (por ejemplo, el

m

f CY


8.17

laminado en caliente del acero y la extrusión del aluminio. Cuando los lubricantes se usan

para trabajo en caliente incluyen aceites minerales, grafito y vidrio. El vidrio fundido se

convierte en un lubricante efectivo para la extrusión en caliente de aleaciones de acero. El

grafito contenido en agua o aceite mineral es un lubricante común para el forjado en caliente

de varios materiales de trabajo.

tema 8. deformacion plastica i

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