Proceso de Endurezamiento Mecanizado en Metales

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
ANTONIO JOSÉ DE SUCRE
EXTENSIÓN SAN FELIPE
Participante: Carlos Daniel Tirado
Facilitador:
Asignatura:
Especialidad:
Ing. Henry Ramírez
Metalúrgica
Mecánica
Proceso de Endurecimiento Mecanizado de los Metales

El endurecimiento es el proceso
mediante el cual se incrementa la
dureza del material.
La dureza de un material es la medida
de la resistencia del material a la
deformación plástica localizada.
Mientras que la ductilidad es la medida
de la deformación plástica que soporta
hasta la fractura.
Durante la deformación de un material
los planos cristalinos se deslizan y las
dislocaciones se mueven. Así que la
capacidad de un material para
deformarse plásticamente depende la
capacidad de las dislocaciones para
moverse.
La dureza del material aumenta
cuando se restringe o impide el
movimiento de las dislocaciones, es
decir, se requiere aplicar una mayor
cantidad de fuerza para que la
deformación plástica continúe.
La resistencia mecánica también se
ve influenciada.
El objetivo principal de los procesos
de endurecimiento es detener o
restringir el movimiento de
dislocaciones.

En metalurgia, el endurecimiento se
refiere a técnicas para incrementar la
dureza de un material. Los cuatro
principales mecanismos con los que se
consigue endurecimiento son:
 Por reducción de tamaño de grano.
 Por solución sólida.
 Por dispersión.
 Por deformación.
Todos los mecanismos de
endurecimiento, excepto las
transformaciones martensíticas,
introducen dislocaciones o defectos en
la estructura cristalina, las cuales actúan
como barreras para los deslizamientos.
moverse.

Endurecimiento por Reducción de Tamaño de Grano
Es conveniente recordar dos términos importantes
1. Grano: zona coherente en orientación cristalográfica, es decir, dentro del
material se tienen pequeñas zonas donde los planos atómicos están acomodados
en la misma dirección cristalográfica, cuando está dirección es diferente se tiene
otro grano. Los materiales con muchos granos se denominan policristalinos.
a) Representación de un grano y los límites de grano
b) Microfotografía de un material policristalino.

Es conveniente recordar dos términos importantes
2. Límite de grano: es un defecto cristalino
superficial y se caracteriza por ser la zona donde
se tienen dos diferentes direcciones
cristalográficas de los planos atómicos, es decir,
es la frontera que divide a dos granos. Esta zona
se caracteriza por ser reactiva y con alto desorden
atómico, pues se tiene una concentración de
energía debido a que los átomos no utilizan toda
su energía de enlace disponible.
El tamaño de grano tiene influencia en las
propiedades mecánicas. Granos contiguos tienen
diferentes orientaciones cristalinas y un límite de
grano común. Durante la deformación plástica el
movimiento de dislocaciones debe ocurrir a través
de este límite de grano.

El límite de grano actúa como barrera al movimiento de
las dislocaciones debido a que los granos contiguos
tienen diferentes orientaciones cristalinas, para que la
dislocación continúe su movimiento requiere cambiar la
dirección de su movimiento, ya que en los límites de
granos se presenta un desorden atómico que produce
una discontinuidad en los planos de deslizamiento de un
grano a otro.
En los materiales de grano fino hay una mayor área total
de límites de granos por lo que hay más impedimentos
para el movimiento de las dislocaciones, así que un
material de grano fino es más duro y resistente
mecánicamente que uno de grano grueso.
El tamaño se puede controlar con diferentes procesamientos. Por ejemplo, durante la
solidificación de un metal fundido, si se utiliza una velocidad de enfriamiento rápida, los
átomos tienen tiempo suficiente para ordenarse mientras que con velocidades altas los
átomos no pueden hacerlo del todo.

En la siguiente figura se muestran diferentes tamaños de grano de un acero
inoxidable. De antemano, se sabe que la dureza del material representado en el
primer esquema es menor que la del último esquema.
Material con diferentes tamaños de grano

Endurecimiento por Solución Sólida
Primero es necesario recordar algo:
Una solución sólida se caracteriza porque,
tanto el soluto y como el solvente, son sólidos.
El soluto es el componente que se encuentra
en menor cantidad presente en una solución,
mientras que el soluvente es el que está en
mayor cantidad.
Las soluciones sólidas más conocidas son las
aleaciones. El solvente es lo que se conoce
como metal base de la aleación y los solutos
se conocen como aleantes, y pueden ser más
de uno.
Por ejemplo, si se piensa en un acero, se
sabe que el metal base es el hierro y el
aleante que todos los aceros contienen es el
carbono, pero dependiendo del tipo de acero
puede contener otros aleantes como níquel,
silicio, cromo, vanadio, fósforo, molibdeno,
aluminio, etc.
Si los solutos o aleantes están presentes en
muy baja concentración en las aleaciones, se
pueden considerar como impurezas.
La técnica de endurecimiento por solución
sólida consiste principalmente en formar
aleaciones con átomos de impurezas, que
pueden ser intersticiales o sustitucionales.
Los metales puros tienen menor dureza que
las aleaciones con el mismo metal base (o
solvente), debido a que los átomos de las
impurezas (o solutos) producen una
distorsión de la red en los átomos del
solvente que dificulta el movimiento de
dislocaciones.

Soluciones sólidas
Para disminuir la distorsión de los átomos del soluto, estos tienden a
segregarse alrededor de las dislocaciones para eliminar parte de la
energía almacenada en la red alrededor de una dislocación

Efecto de la presencia
de solutos en la red del
solvente
De acuerdo con esto, un soluto con átomos más pequeños que los
del solvente, genera tensión a su alrededor, mientras que uno más
grande genera compresión.

En las soluciones sólidas se necesita aplicar un mayor esfuerzo para primero
iniciar una deformación plástica y después continuarla, con lo que aumenta la
resistencia mecánica y la dureza.
El grado de endurecimiento por solución sólida depende de dos factores:
a) Una diferencia importante en el
tamaño atómico entre el átomo original
(solvente) y el átomo agregado (soluto)
incrementa el efecto de endurecimiento.
Una mayor diferencia en tamaños
produce una mayor distorsión inicial en la
red, haciendo aún más difícil el
deslizamiento.
b) Cuanta más cantidad de aleante se
agregue, mayor es el efecto de
endurecimiento. Pero está cantidad no
debe exceder el límite de solubilidad,
pues se tendría un mecanismo de
endurecimiento diferente.

Efecto del endurecimiento por solución sólida en las propiedades.
1. El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y la dureza de la aleación,
son mayores que las de los materiales puros.
2. Generalmente, la ductilidad de la aleación es mejor que la del material puro. Un
caso raro son las aleaciones de Cu-Zn, donde la resistencia y la ductilidad
aumentan con el endurecimiento por solución sólida.
3. La conductividad eléctrica de la aleación es menor que la de los materiales
puros. Así que este proceso de endurecimiento no se recomienda para la
fabricación de alambres conductores, como de aluminio o cobre.
4. La resistencia a la termofluencia (o pérdida de propiedades mecánicas, a
temperaturas elevadas), mejora con el endurecimiento por solución sólida. Un
ejemplo de aplicación es en las aleaciones para altas temperaturas son las
utilizadas en las turbinas de los motores a reacción.

Endurecimiento por Dispersión
En una solución líquida, se observan dos
fases cuando se rebasa el límite de
solubilidad del soluto. Por ejemplo, cuando se
prepara una solución de sal común en agua,
se sabe que se rebaso el límite de solubilidad
cuando los cristales de sal se depositan en el
fondo del recipiente, y aunque se continúe
agitando la solución los cristales permanecen
como tales. Las dos fases presentes son la
sólida de la sal y la líquida del agua, y se
pueden observar claramente.
Cuando se rebasa el límite de solubilidad del
soluto en una solución sólida, se forma una
segunda fase, pero como ambas son sólidas
no se observa la diferencia a simple vista. La
diferencia está en la estructura cristalina del
soluto y del solvente, pues cada uno de ellos
tiene la propia.
Por ejemplo, si tenemos una aleación de
aluminio con cobre, al rebasar el límite de
solubilidad del cobre en el aluminio, los
átomos de cobre se empiezan a conglomerar,
la estructura cristalina del cobre es diferente
a la del aluminio, así que dentro del aluminio
se observaran pequeños conglomerados
formados por muchos átomos de cobre
unidos entre ellos con su propia estructura
cristalina; entonces se tienen presentes dos
estructuras en el mismo material, es decir, se
tienen presentes dos fases: una del cobre y
una del aluminio.

Endurecimiento por dispersión
Una fase significa que se tiene una cierta estructura presente en el material.
La fase continua y en mayor cantidad (que corresponde al solvente) se conoce
como matriz, la segunda fase y generalmente en menor cantidad (correspondiente
al soluto) se conoce como precipitado.
Un precipitado tiene características especiales:
1. Está formado por un gran número de partículas pequeñas
2. Es discontinuo mientras que la matriz es continua
3. Tiene mayor dureza que la matriz
4. Deben ser esféricos para no concentrar esfuerzos, pues se podrían generar
grietas
5. Grandes cantidades de precipitado favorecen la dureza y la resistencia
mecánica de la aleación.

Endurecimiento por dispersión
Representación del endurecimiento por dispersión
El límite entre las dos fases presenta un arreglo atómico que no es
perfecto, y en los metales esto produce un endurecimiento pues el
deslizamiento de las dislocaciones se ve entorpecido. Para continuar
con la deformación plástica, es necesario aplicar un esfuerzo mayor.

Endurecimiento por Deformación
La dureza y la resistencia mecánica de un
material aumentan cuando se deforma
plásticamente. También se conoce como
endurecimiento por trabajo en frío. La
mayoría de los metales se endurecen por
deformación a temperatura ambiente.
El grado de deformación se puede
expresar como el porcentaje del trabajo en
frío de acuerdo con la siguiente expresión
A0 es el área original del material
Ad es el área después de la deformación
Al aumentar la dureza y la resistencia
mecánica del material, la ductilidad
disminuye.
Efecto de la deformación en la estructura
cristalina de un material

Endurecimiento por Deformación
El endurecimiento por deformación se
explica con base en las interacciones entre
los campos de distorsión que se producen
alrededor de las dislocaciones. La densidad
de las dislocaciones aumenta con la
deformación, la distancia entre dislocaciones
disminuye, es decir, las dislocaciones se
encuentran más cercanas y, generalmente,
las interacciones dislocación-dislocación son
repulsivas, es decir, cada dislocación trata de
estar lo más alejada posible de otra. Como
consecuencia, el movimiento de una
dislocación se ve limitado por la presencia
de otras dislocaciones. Cuando aumenta la
densidad de dislocaciones, también aumenta
la resistencia al movimiento de éstas. El
esfuerzo necesario para deformar el metal
también aumenta.
Representación del comportamiento
de las dislocaciones durante la
deformación
El efecto del endurecimiento por
deformación se puede eliminar por
medio de tratamientos térmicos.

Procesos de Trabajo en Frío y Caliente
Proceso de Trabajo en Caliente
El trabajo en caliente se realiza operando a
temperaturas superiores a la de
recristalización. Conforme elevamos la
temperatura de un metal, deformándolo a la
vez, aumenta la agitación térmica y
disminuye la tensión critica de cizallamiento,
aumentando así la capacidad de
deformación de los granos.
Simultáneamente se produce también una
disminución de la resistencia de los bordes
de grano. Aparecen, pues, dos factores,
ambos dependientes de la temperatura: la
resistencia de los bordes de grano y la
resistencia de los cristales, los cuales varían
de la forma indicada en la imagen. Ambas
curvas se cortan en un punto al que
corresponde una temperatura llamada de
equicohesión, en la que se igualan las
resistencias.
Resistencia de los bordes de
grano y de los cristales en función
de la temperatura.

Cuando el material se trabaja a temperaturas inferiores a la de equicohesión las
deformaciones se producen en el interior de los granos (transcristalina) y se origina
acritud; por el contrario, a temperaturas superiores, la deformación es intergranular,
de tipo fluido y no se origina acritud.
En el trabajo en caliente hay que
mantener, pues, la temperatura siempre
por encima de la de recristalización.
Ahora bien, como durante el tratamiento
tienen lugar simultáneamente las
deformaciones plásticas y la
recristalización de los granos
deformados, para que el metal no tenga
acritud después de deformado, se
requiere que la velocidad de
recristalización sea suficientemente
elevada, para que todos los granos
hayan recristalizado al terminar el
proceso.
Por tanto, no basta con efectuar el
trabajo por encima de la temperatura de
recristalización; hay que mantener al
metal con esa temperatura el tiempo
suficiente para que la recristalización
haya sido completada. La temperatura
de trabajo tiene también un tope
superior. Ha de ser inferior a la
temperatura de fusión del metal y de las
impurezas; y en caso de que haya
eutéctico, por debajo de la temperatura
de formación de este.

Efectos de la Deformación en Caliente
Las ventajas de los procesos de conformado en caliente son las siguientes:
 Permite obtener la misma deformación que en frío con menores esfuerzos.
 Puesto que se producen simultáneamente la deformación y la recristalización, es
posible obtener:
a) un grano más fino
b) materiales más blandos y dúctiles
c) aumenta la resistencia al impacto
d) ausencia de tensiones residuales
e) estructura más uniforme (las impurezas se eliminan fluyendo al exterior del
material)
f) se pueden obtener grandes deformaciones
 Mayor densidad
 Estructura fibrosa y, por tanto, una mejor resistencia mecánica en la dirección de
la fibra.

Efectos de la Deformación en Caliente
Las desventajas del conformado en caliente son
 Oxidación rápida (esto es, formación de escamas, dando por resultado
superficies rugosas).
 Tolerancias relativamente amplias (2-5 %) debido a las superficies rugosas y
dilataciones térmicas.
 La maquinaria de trabajo en caliente es costosa y requiere mantenimiento
considerable.

Proceso de Trabajo en Frío
La deformación en frío es la que se realiza a temperatura inferior a la de
recristalización. No quiere decir, por tanto, que no se pueda utilizar energía térmica
junto con la mecánica: basta con que su efecto no provoque cambios esenciales
en la estructura cristalina.
Cuando se somete al metal a tensiones superiores a su tensión critica, se produce
el desplazamiento de las dislocaciones y tiene lugar la deformación plástica. Ahora
bien, como consecuencia de la gran diversidad de orientaciones de los granos, no
todos estarán en ese momento en posición favorable para que se inicie el
desplazamiento de la dislocación, por lo que ´esta se producirá solo en algunos de
ellos, alcanzándose un cierto grado de deformación plástica. Para aumentar la
deformación debemos ahora producir el desplazamiento de la dislocación en
cristales que por su orientación o impedimentos de los adyacentes (la red se
desordena) requieren una mayor tensión critica, es decir debemos aumentar los
esfuerzos aplicados para seguir deformándolo.
En otras palabras: cuanto mayor sea la deformación producida, mayor ha de ser la
fuerza aplicada para que continúe deformándose. Este fenómeno se conoce con el
nombre de endurecimiento por deformación en frío y es utilizado en la práctica para
aumentar la resistencia de los metales a base de una perdida de ductilidad.

Efectos de la Deformación en frío
Las distintas orientaciones de los cristales y la baja movilidad atómica a las
temperaturas de conformado, hacen que no haya homogeneización y por tanto las
diferentes zonas del cristal pueden soportar distintas tensiones.
El desequilibrio de ´estas dará origen a tensiones de largo alcance, también
llamadas macrotensiones o tensiones de Heyn, cuyos efectos se manifiestan de las
siguientes maneras:
 Produciendo deformaciones en las piezas mecanizadas, haciendo imposible su
acabado final cuando las tolerancias son estrechas.
 Haciendo surgir esfuerzos superficiales de tracción que tienden a acentuar los
defectos superficiales y aumentan la sensibilidad de entallas, rebajando la
resistencia a la fatiga y favoreciendo la corrosión.
 Aumento de la dureza y fragilidad (acritud).

Las ventajas de estos procesos frente a los de conformado en caliente son:
 mejores superficies y tolerancias dimensionales
 mejores propiedades mecánicas (resistencia)
 mejor reproducibilidad
 confieren al material anisotropía (en caso de que esta característica suponga
una ventaja para la aplicación de que se trate).
Las desventajas de estos procesos son:
 mayor necesidades de fuerza y energía debido al endurecimiento por
deformación (equipo más pesado y potente).
 menor ductilidad
 se produce anisotropía en el material (en caso de que sea una circunstancia
desfavorable)
 y es necesario que la pieza de partida presente unas superficies limpias.
Para producir grandes deformaciones es necesario realizar el proceso en varias
etapas y someter el material, al final de cada etapa, a un tratamiento de recocido
para eliminar las tensiones residuales.

Efectos del Calentamiento en la Deformación Plástica
Al deformar un metal en frío se le comunica una energía y, por lo tanto, pasa a un
estado de inestabilidad, puesto que su energía interna es ahora mayor que la que
tenía sin deformar. A la temperatura ambiente la velocidad con que se pasa a la
forma estructural estable es muy lenta, siendo posible aumentarla elevando su
temperatura. Con ello se incrementa la agitación térmica y, en consecuencia, la
movilidad atómica, dando lugar a la aparición de tres etapas: restauración,
recristalización y crecimiento de grano.
a) Restauración: Caracterizada por la tendencia de los átomos a pasar a sus
posiciones de equilibrio estable, sin que haya movimiento aparente de los
contornos de los granos. Durante esta etapa se contrarresta la consolidación,
desaparecen en el metal las tensiones internas, disminuye ligeramente la dureza y
el límite elástico.

Efectos del Trabajo en Frío sobre el Metal
El trabajo en frio se refiere al trabajo a temperatura
ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un
esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original del
metal, produciendo a la vez una deformación.
El concepto del conformado en frío comprende todos los métodos de fabricación
que permiten deformar plásticamente (a temperatura ambiente y ejerciendo una
presión elevada) metales o aleaciones de metales tales como cobre, aluminio o
latón, pero sin modificar el volumen, el peso o las propiedades esenciales del
material. Durante el conformado en frío la materia prima recibe su nueva forma
mediante un proceso que consta de diferentes etapas de deformación. De tal
manera se evita que se exceda la capacidad de deformación del material y por lo
tanto su rotura.

Las principales ventajas del trabajo en frío son:
 Mejor precisión,
 Menores tolerancias,
 Mejores acabados superficiales,
 Posibilidades de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto
final y mayor dureza de las partes.
Sin embargo, el trabajo en frío tiene algunas desventajas ya que requiere
mayores fuerzas porque los metales aumentan su resistencia debido al
endurecimiento por deformación, produciendo que el esfuerzo requerido para
continuar la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la
resistencia, la reducción de la ductilidad y el aumento de la resistencia a la
tensión limitan la cantidad de operaciones de formado que se puedan realizar a
las partes.

Técnicas de conformado y endurecimiento
Se utilizan muchas técnicas para conformar y endurecer un material por trabajo en frío:
1. Laminado: el material se hace pasar entre dos
rodillos que giran en sentido contrario,
separados por una distancia menor que el
espesor inicial del material. Se producen placas,
hojas o láminas. El material no se comprime
cuando pasa entre los rodillos de laminado, sino
que las capas superiores son desplazadas hacia
atrás. De un bloque de material con un cierto
espesor inicial, se obtienen varios metros de
lámina con espesor mucho menor.
2. Forjado: se deforma el material al introducirlo en
moldes, para producir formas relativamente
complejas. La deformación se produce cuando
se aplica un esfuerzo sobre el material y éste
toma la forma del molde.

3. Trefilado: el material se estira, pero haciéndolo pasar a
través de la abertura de un dado con una forma específica
y constante, por ejemplo, para fabricar alambres.
4. Extrusión: el material es empujado y forzado a pasar a
través de la abertura de un dado para darle forma a su
sección transversal.
5. Estampado profundo o embutido: consiste en empujar
dentro de una matriz hueca una lámina del material.

6. Estirado: una lámina del material se estira sobre una
horma con una forma determinada.
7. Doblado: se aplica un esfuerzo sobre una lámina del
material, haciendo que se doble en el ángulo y forma
deseada

Características del trabajo en frío
El endurecimiento de un metal por deformación (o trabajo en frío) presenta ventajas y
desventajas:
1. Se puede endurecer y conformar el material al mismo tiempo.
2. Es posible obtener tolerancias dimensionales y terminados superficiales excelentes.
3. Es un proceso económico para producir grandes cantidades de piezas pequeñas, no
requiere de fuerzas elevadas ni de equipo de conformado costoso.
4. Es una buena forma de endurecer materiales para conductores eléctricos porque
reduce, en menor grado la conductividad eléctrica que otros procesos de
endurecimiento.
5. Los esfuerzos residuales y el comportamiento anisotrópico pueden ser de utilidad si
se controlan adecuadamente.
6. Algunas técnicas de procesamiento por deformación sólo se pueden utilizar si se
aplica un trabajo en frío. Como es el caso del trefilado. El esfuerzo en el alambre
original debe ser mayor que el límite elástico para que se produzca la deformación
plástica; el esfuerzo en el alambre final debe ser menor que su límite elástico para
evitar la fractura. Esto sólo se consigue si el alambre se endurece por la deformación
durante el trefilado.

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