UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFACULTAD DE QUÍMICA

REPORTE DE PRÁCTICA 2: “ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN”

ALUMNO: FRANCISCO GARCÍA TENA

N° DE CUENTA: 310190189

MATERIA: LABORATORIO DE INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

PROFESOR: EDGAR LÓPEZ MARTÍNEZ

HORARIO: MARTES 13:00 A 15:00 PM

SEMESTRE LECTIVO: 2014-2

INTRODUCCIÓN

En la industria metal-mecánica se busca fabricar piezas de óptimas condiciones y de bajo costo de producción, y si se desea manufacturar una pieza de alguna geometría en particular pero que al mismo tiempo tenga propiedades mecánicas como la dureza, es necesario implementar un proceso como el de endurecimiento por deformación o trabajo en frio el cual además dar la forma de la pieza le otorga un dureza al deformarlo plásticamente, existen varios procesos de trabajo en frio o endurecimiento por deformación, como la forja, el laminado, la extrusión, el trefilado por mencionar algunos.

Los materiales pueden experimentar dos tipos de deformación: deformación elástica y plástica. La resistencia y la dureza son medidas de la resistencia del material a la deformación plástica, la cual es una deformación permanente. A escala microscópica, la deformación plástica se debe al movimiento neto de un gran número de átomos en respuesta a una tensión aplicada. Durante este proceso, los enlaces interatómicos deben ser rotos y formados de nuevo. En los sólidos cristalinos, la deformación plástica involucra normalmente el movimiento de dislocaciones, defectos lineales cristalinos.

Los causantes de dicho fenómeno de endurecimiento son los defectos lineales en la microestructura de los metales, estos pueden ser también benignos o atenuantes de las propiedades mecánicas, dependiendo para que se use el material.Las dislocaciones son estos defectos lineales, existen dos tipos: dislocación de cuña y helicoidal. En una dislocación de cuña, existen distorsiones localizadas de la red alrededor del borde de un semiplano adicional de átomos, el cual también define la dislocación.Una dislocación helicoidal puede ser visualizada como el resultado de una distorsión de cizalladura; la línea de la dislocación pasa atreves del centro de una espiral, formadas por rampas de planos atómicos.

Un concepto importante para la realización de esta práctica es el mecanismo de endurecimiento, este un fenómeno por el cual un metal se vuelve más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente, a veces se le denomina acritud o bien trabajo en frio, debido a que la temperatura a la cual ocurre es fría en relación a la de fusión del metal. La mayoría de los metales se endurecen por deformación a temperatura ambiente.

A veces es conveniente expresar el grado de deformación plástica como el porcentaje de trabajo en frio más que como deformación. El porcentaje de trabajo en frio (%CW) se define así:

%CW =( t o−tft o )×100Dónde:

to = Espesor inicial de la probeta (antes de la deformación)tf = Espesor final de la probeta (después de la deformación)

El fenómeno de endurecimiento por deformación explica en base a las interacciones entre

los campos de deformación de las dislocaciones. La densidad de dislocaciones en un metal aumenta con la deformación (trabajo en frio) tal como antes ha sido mencionado. En consecuencia, la distancia media entre las dislocaciones disminuye, las dislocaciones se posicionan mucho mas juntas. En promedio las interacciones dislocación-dislocación son repulsivas. El resultado neto es que el movimiento de una dislocación es limitado debido a la presencia de otros defectos lineales.

A medida que la densidad de dislocaciones aumenta, la resistencia al movimiento de estas es debido a otras dislocaciones se hace más pronunciada. Así, la tensión necesaria para deformar el metal aumenta con la acritud.El esfuerzo por deformación se utiliza a menudo en la práctica para aumentar las propiedades mecánicas de los metales durante los procesos de conformación, el efecto de endurecimiento por deformación puede ser eliminado mediante tratamiento térmico.

OBJETIVO

Se pretende observar el fenómeno de endurecimiento por deformación e interpretar la tendencia del aumento de la dureza con respecto a la deformación plástica ejercida sobre dos tipos de material, 3 probetas de Cobre (Cu 100%) y otra de una aleación de aluminio 6063 (aleación base aluminio con magnesio y silicio como principales elementos aleantes).Con base a los cálculos de %CW se determinara el grosor final (tf) al que se deformara por medio de laminación, para cada tf se tomara la dureza y se observará si existe acritud.

HIPÓTESIS

La habilidad de un metal depende de la habilidad para moverse de sus dislocaciones. Virtualmente todas las técnicas de endurecimiento se basan en un principio básico:“Restringiendo o dificultando el movimiento de las dislocaciones resulta en una mejora en las propiedades mecánicas del material”.De tal forma que al deformar plásticamente al material, este caso material metálico, este aumentara su densidad de dislocaciones y el movimiento de los planos de deslizamiento será obstruido por lo que ganará resistencia a la deformación plástica, es decir aumentara su dureza.Al laminar nuestras “probetas” estas experimentaran una deformación plástica y también una breve recuperación elástica, obtendremos un %CW (porcentaje de trabajo en frio en español) que será una medida directa de la cantidad de deformación plástica, y con ello la determinación de una tendencia de tipo deformación-dureza que se espera fuera proporcional.

Figura 1: Grafica esfuerzo-deformación ingenieriles.

En la figura 1 se aprecia que a medida que se genera una deformación el esfuerzo para seguir deformando al materiales en este caso un metal es mayor, solo en la región elástica es proporcional pero pasando el esfuerzo de fluencia esta varia. Esta deformación fue hecha aplicando fuerzas axiales a una probeta de tracción, pero hubo una deformación apreciable y en la zona del “necking” la dureza aumentó con respecto a la cuerda por ejemplo.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se tenían 4 probetas, 3 de Cu y otra de Al, se decidió empezar arbitrariamente por la de aluminio. Se propusieron porcentajes de trabajo en frio para estimar el grosor final al que se llevó la probeta, teniendo como referencia to = 10 mm. Para la probeta de aluminio se calcularon 4 tf o bien 4 % CW.Primeramente se procedió a tomar la dureza con la máquina de hardness test para poder corroborar si dicha dureza aumentaba, al tratarse de aluminio la escala a utilizar fue HRB, con una carga primaria de 100 kg y un identador de bola de 1/16”. Tomada la primera dureza se laminó la probeta, ajustando los rodillos para alcanzar el tf. La laminadora usada era automática que trabajo a 19.60 rpm.

Figura 2: Laminadora trabajando con la probeta de aluminio

En la figura 2 se muestra como los rodillo reducen el grosor de la probeta, los rodillos fueron ajustado por medio de engranes, los cuales se ajustaban al dar 1 vuelta a la manivela lo que se trasmite en 1 mm de adelgazamiento de la pieza a laminar.

Cuando la probeta la sido laminada para un %CW cualquiera esta experimentara una recuperación elástica por lo que el tf no será con toda precisión el calculado teórico, de manera que para el primer evento se tomó la dureza.

Figura 3: Toma de la dureza de la probeta de aluminio con la primea deformación.

De la misma manera se repitió la metodología para los % CW. Para medir la dureza de los últimos trabajos en frio fue necesario cortar la probeta para evitar falsos negativos, debido a que la probeta se pandeo y esto provocaría un mal contacto entre el identador y la superficie de la probeta.Para observar el fenómeno de acritud sobre el cobre, se trabajó con 3 probetas, para cada una se le asignó un %CW, aunque para la última se continuó con un porcentaje en frio para tener una mayor variabilidad de datos.Por la geometría de la probeta (circular) no se le pudo tomar la dureza inicial, por lo que se procedió directamente a defórmalo, de manera similar se habían calculado previamente los tf.

Figura 4: Toma de la dureza del Cu una vez deformado.

La figura muestra cómo se tomó la medida a la probeta para el cobre, es apreciable que tiene restos de que fue cortada, debido a que las dimensiones de la probeta eran pequeña y se pandeo, por lo que se cortó transversalmente y fue lijada para una toma óptima de la dureza, se utilizó el mismo identador de 1/16” y una carga inicial de 100 kg, después de haber recopilado datos de tf, %CW y dureza, la parte experimental concluyo.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIÓN

A continuación se muestra un ejemplo de cálculo para tf, con un %CW propuesto para la probeta de aluminio.Despejando tf de la ecuación de %CW tenemos que:

tf =¿(1−%CW100 )

Para to = 10 mm y %CW = 10 %, sustituyendo tenemos:

tf =10 mm(1− 10100 )=9mm

Con ello tenemos el tf, es decir el grosor al que tenemos que llegar sin considerar la recuperación elástica del material, con este mismo cálculo se llenó la siguiente tabla.}

Tabla 1: %CW propuestos y grosor final de trabajo en frio (tf) para el aluminio.

%CW propuesto (%) Tf calculado (mm)10 920 8.130 7.340 6.5

Tabla 2: %CW, Tf experimental promedio de durezas obtenidas para el aluminio.

Tf real (mm) %CW propuesto (%) Dureza promedio (HRB)10 0 53

9.85 10 51.768.15 20 55.537.25 30 56.936.20 40 57.53

Se tomaron 3 medidas para la dureza, de tal forma que a dispersión de los datos no superara las 3 unidades, y el tf fue medido con vernier.

Es importante resaltar que la pieza ya había sido deformada desde la manufactura para obtener la probeta, del tal forma que la dureza es mayor que una pieza del mismo material pero con otra geometría.Si observamos la tendencia de la tabla 2 al aumentar el %CW es decir a medida que aumentamos la deformación en el material la dureza va aumentando esto corrobora la hipótesis planteada, algo interesante es que aumenta de manera proporcional, alrededor de 1.5 unidades (HRB) por cada 10% de trabajo en frio.Según datos teóricos el Cu presenta una mayor dureza que el Al, pero hay que recordar que trabajamos con un aleación, esta mejoró las propiedades mecánicas, aun así el Al deformado llegó a registrar una dureza similar al Cu, con lo que podemos afirmar que como proceso ingenieril es bastante eficiente. Otro evento que se predecía en la hipótesis era la recuperación elástica del material, ya por citar algún caso, para 40 %CW el tf teórico fue de 6.5 mm pero experimentalmente registramos un grosor de 6.2 mm, 0.3 mm de recuperación, a pesar de ello y si se considerara el coeficiente de elasticidad del metal se podrían obtener una tolerancias dimensionales precisas, por ejemplo para crear un material metal-mecánico como autopartes.

Tabla 3: %CW propuestos y grosor final de trabajo en frio (tf) para el Cu, para to = 12.25 mm.

%CW propuesto (%) Tf calculado (mm)20 9.840 7.3560 4.980 2.45

Tabla 4: %CW, Tf experimental promedio de durezas obtenidas para el cobre.

Tf real (mm) %CW propuesto (%) Dureza promedio (HRB)11.25 20 38.437.35 40 46

5 60 52.32.7 80 60

La primera impresión al interpretar los datos es cierta disparidad entre el tf calculado y el tf real, pero al tratarse de Cu un metal que se caracteriza por ser muy dúctil, era de esperarse que la recuperación elástica fuera detectable.

En esta experiencia la tendencia de aumento de dureza en función del trabajo en frio es claramente proporcional, incluso se puede hacer una relación de que por cada 20% de CW aumentan 10 unidades HRB la dureza, para hacer más evidente dicha proporcionalidad se mostrará una gráfica de dureza contra %CW.

Gráfico 1: Relación de proporcionalidad entre aumento dureza y trabajo en frio aplicado a probeta de Cu.

35 40 45 50 55 60 650

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f(x) = 2.81248134146765 x − 88.3248635767329R² = 0.99857150028809

Dureza vs %CW

Dureza (HRB)

% C

W

En la gráfica se muestra que la proporcional es casi lineal.

Por ultimo daré un veredicto de las ventajas y desventajas del trabajo en frio o del endurecimiento por deformación.

REFERENCIAS

Askeland, D. R., La ciencia y la ingeniería de los materiales, México, Grupo Editorial Iberoamérica, 1994. Pags consultadas (292-306)

-Superficies con acabado especular.-Es un método económico.-Se pueden reforzar materiales conductores.-Se puede endurecer y producir la forma final del material.-Excelentes tolerancias dimensionales.

-Se pierde la acritud con tratamientos térmicos.-Si no se controlan los esfuerzos residuales las propiedades de los materiales se ven afectadas.-La conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión disminuyen.

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