Endurecimiento de trabajo

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Curva fenomenológica tensión-deformación uniaxial que muestra el comportamiento plástico de endurecimiento por trabajo típico de los materiales en compresión uniaxial. Para los materiales de endurecimiento por trabajo, el límite elástico aumenta al aumentar la deformación plástica. La deformación se puede descomponer en una deformación elástica recuperable ( ) y una deformación inelástica ( ). La tensión en el rendimiento inicial es .${\displaystyle \varepsilon _{e}}$${\displaystyle \varepsilon _{p}}$${\displaystyle \sigma _{0}}$

El endurecimiento por trabajo , también conocido como endurecimiento por deformación , es el refuerzo de un metal o polímero por deformación plástica . El endurecimiento por trabajo puede ser deseable, indeseable o intrascendente, según el contexto.

Este fortalecimiento se produce debido a los movimientos de dislocación y la generación de dislocaciones dentro de la estructura cristalina del material. ^[1] Muchos metales no frágiles con un punto de fusión razonablemente alto , así como varios polímeros, pueden fortalecerse de esta manera. ^[2] Las aleaciones que no se pueden someter a tratamiento térmico , incluido el acero con bajo contenido de carbono, a menudo se endurecen por trabajo. Algunos materiales no se pueden endurecer por trabajo a bajas temperaturas, como el indio , ^[3] sin embargo, otros solo pueden reforzarse mediante endurecimiento por trabajo, como el cobre puro y el aluminio. ^[4]

Endurecimiento indeseable del trabajo

Un ejemplo de endurecimiento por trabajo indeseable es durante el mecanizado cuando las primeras pasadas de un cortador endurecen inadvertidamente la superficie de la pieza de trabajo, causando daños al cortador durante los últimos pases. Algunas aleaciones son más propensas a esto que otras; Las superaleaciones como Inconel requieren estrategias de mecanizado que lo tengan en cuenta.

Para los objetos metálicos diseñados para flexionarse, como los resortes , se suelen emplear aleaciones especializadas para evitar el endurecimiento por trabajo (resultado de la deformación plástica ) y la fatiga del metal , requiriéndose tratamientos térmicos específicos para obtener las características necesarias.

Endurecimiento intencional del trabajo

Un ejemplo de endurecimiento por trabajo deseable es el que ocurre en los procesos de trabajo de metales que inducen intencionalmente la deformación plástica para exigir un cambio de forma. Estos procesos se conocen como procesos de trabajo en frío o conformado en frío. Se caracterizan por dar forma a la pieza de trabajo a una temperatura por debajo de su temperatura de recristalización , generalmente a temperatura ambiente . ^[5] Las técnicas de conformado en frío generalmente se clasifican en cuatro grupos principales: apretar , doblar , estirar y cortar . Las aplicaciones incluyen el encabezado de pernos y tornillos de cabeza y el acabado de acero laminado en frío. En el conformado en frío, el metal se forma a alta velocidad y alta presión utilizando acero para herramientas o troqueles de carburo. El trabajo en frío del metal aumenta la dureza, el límite elástico y la resistencia a la tracción. ^[6]

Teoría

Antes del endurecimiento por trabajo, la celosía del material exhibe un patrón regular, casi libre de defectos (casi sin dislocaciones). La celosía sin defectos se puede crear o restaurar en cualquier momento mediante recocido . A medida que el material se endurece, se satura cada vez más con nuevas dislocaciones y se evita que se nucleen más dislocaciones (se desarrolla una resistencia a la formación de dislocaciones). Esta resistencia a la formación de dislocaciones se manifiesta como una resistencia a la deformación plástica; de ahí el fortalecimiento observado.

En los cristales metálicos, este es un proceso reversible y generalmente se lleva a cabo a escala microscópica por defectos llamados dislocaciones, que se crean por fluctuaciones en los campos de tensión locales dentro del material que culminan en una reordenación de la red a medida que las dislocaciones se propagan a través de la red. A temperaturas normales, las dislocaciones no se aniquilan por recocido. En cambio, las dislocaciones se acumulan, interactúan entre sí y sirven como puntos de fijación u obstáculos que impiden significativamente su movimiento. Esto conduce a un aumento del límite elástico del material y una consiguiente disminución de la ductilidad.

Dicha deformación aumenta la concentración de dislocaciones que posteriormente pueden formar límites de grano de ángulo bajo que rodean a los subgranos. El trabajo en frío generalmente da como resultado un mayor límite elástico como resultado del mayor número de dislocaciones y el efecto Hall-Petch de los subgranos, y una disminución de la ductilidad. Los efectos del trabajo en frío pueden revertirse recociendo el material a altas temperaturas donde la recuperación y recristalización reducen la densidad de dislocación.

La templabilidad por trabajo de un material puede predecirse analizando una curva de tensión-deformación o estudiarse en contexto realizando pruebas de dureza antes y después de un proceso. ^{[7] [8]}

Deformación elástica y plástica

Artículo principal: Deformación (ingeniería)

El endurecimiento por trabajo es una consecuencia de la deformación plástica, un cambio permanente de forma. Esto es distinto de la deformación elástica, que es reversible. La mayoría de los materiales no exhiben solo uno u otro, sino una combinación de los dos. La siguiente discusión se aplica principalmente a los metales, especialmente a los aceros, que están bien estudiados. El endurecimiento por trabajo se produce sobre todo en materiales dúctiles como los metales. La ductilidad es la capacidad de un material de sufrir deformaciones plásticas antes de fracturarse (por ejemplo, doblar una varilla de acero hasta que finalmente se rompe).

La prueba de tracción se utiliza ampliamente para estudiar los mecanismos de deformación. Esto se debe a que, bajo compresión, la mayoría de los materiales experimentarán eventos triviales (desajuste de celosía) y no triviales (pandeo) antes de que ocurra la deformación plástica o la fractura. Por lo tanto, los procesos intermedios que ocurren en el material bajo compresión uniaxial antes de la incidencia de la deformación plástica hacen que la prueba de compresión esté llena de dificultades.

Un material generalmente se deforma elásticamente bajo la influencia de pequeñas fuerzas ; el material vuelve rápidamente a su forma original cuando se elimina la fuerza de deformación. Este fenómeno se llama deformación elástica . Este comportamiento en los materiales está descrito por la Ley de Hooke . Los materiales se comportan elásticamente hasta que la fuerza de deformación aumenta más allá del límite elástico , lo que también se conoce como límite elástico. En ese punto, el material se deforma permanentemente y no vuelve a su forma original cuando se elimina la fuerza. Este fenómeno se llama deformación plástica . Por ejemplo, si uno estira un resorte helicoidal hasta cierto punto, volverá a su forma original, pero una vez que se estire más allá del límite elástico, permanecerá deformado y no volverá a su estado original.

La deformación elástica estira los enlaces entre átomos lejos de su radio de equilibrio de separación, sin aplicar suficiente energía para romper los enlaces interatómicos. La deformación plástica, por otro lado, rompe los enlaces interatómicos y, por lo tanto, implica la reordenación de los átomos en un material sólido.

Dislocaciones y campos de deformación reticular

Artículo principal: Dislocación

En el lenguaje de la ciencia de los materiales, las dislocaciones se definen como defectos lineales en la estructura cristalina de un material. Los enlaces que rodean la dislocación ya están tensos elásticamente por el defecto en comparación con los enlaces entre los componentes de la red cristalina regular. Por lo tanto, estos enlaces se rompen con tensiones relativamente menores, lo que conduce a una deformación plástica.

Los enlaces tensos alrededor de una dislocación se caracterizan por campos de tensión reticular . Por ejemplo, hay uniones tensas por compresión directamente al lado de una dislocación del borde y uniones tensas por tracción más allá del final de una dislocación del borde. Estos forman campos de deformación por compresión y campos de deformación por tracción, respectivamente. Los campos de deformación son análogos a los campos eléctricos en ciertos aspectos. Específicamente, los campos de tensión de las dislocaciones obedecen a leyes similares de atracción y repulsión; Para reducir la deformación general, las deformaciones por compresión se ven atraídas por las deformaciones por tracción y viceversa.

Los resultados visibles ( macroscópicos ) de la deformación plástica son el resultado del movimiento microscópico de dislocación. Por ejemplo, el estiramiento de una varilla de acero en un probador de tracción se acomoda mediante un movimiento de dislocación en la escala atómica.

Aumento de dislocaciones y endurecimiento por trabajo

Figura 1: El límite elástico de un material ordenado tiene una dependencia de media raíz del número de dislocaciones presentes.

El aumento del número de dislocaciones es una cuantificación del endurecimiento por trabajo. La deformación plástica se produce como consecuencia del trabajo realizado sobre un material; se agrega energía al material. Además, la energía casi siempre se aplica lo suficientemente rápido y en una magnitud lo suficientemente grande como para mover no solo las dislocaciones existentes, sino también para producir una gran cantidad de nuevas dislocaciones sacudiendo o trabajando el material lo suficiente. Se generan nuevas dislocaciones en las proximidades de una fuente Frank-Read .

El límite elástico aumenta en un material trabajado en frío. Usando campos de deformación reticular, se puede demostrar que un entorno lleno de dislocaciones obstaculizará el movimiento de cualquier dislocación. Debido a que el movimiento de dislocación se ve obstaculizado, la deformación plástica no puede ocurrir con esfuerzos normales . Tras la aplicación de tensiones un poco más allá del límite elástico del material no trabajado en frío, un material trabajado en frío continuará deformándose utilizando el único mecanismo disponible: deformación elástica, el esquema regular de estiramiento o compresión de enlaces eléctricos (sin movimiento de dislocación ) continúa ocurriendo y el módulo de elasticidad no cambia. Finalmente, la tensión es lo suficientemente grande como para superar las interacciones de campo de deformación y se reanuda la deformación plástica.

Sin embargo, disminuye la ductilidad de un material endurecido. La ductilidad es la medida en que un material puede sufrir una deformación plástica, es decir, es la medida en que un material puede deformarse plásticamente antes de fracturarse. Un material trabajado en frío es, en efecto, un material normal (quebradizo) que ya se ha extendido a través de parte de su deformación plástica permitida. Si el movimiento de dislocación y la deformación plástica se han visto obstaculizados lo suficiente por la acumulación de dislocaciones, y el estiramiento de los enlaces electrónicos y la deformación elástica han alcanzado su límite, se produce un tercer modo de deformación: la fractura.

Cuantificación del endurecimiento del trabajo

La fuerza, la , de la dislocación es dependiente del módulo de cizallamiento, G, la magnitud de la vector de Burgers , b, y la densidad de dislocación, :${\displaystyle \tau }$${\displaystyle \rho _{\perp }}$

${\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }$

donde es la resistencia intrínseca del material con baja densidad de dislocación y es un factor de corrección específico del material.${\displaystyle \tau _{0}}$${\displaystyle \alpha }$

Como se muestra en la Figura 1 y la ecuación anterior, el endurecimiento por trabajo tiene una dependencia de la mitad de la raíz del número de dislocaciones. El material exhibe una alta resistencia si hay altos niveles de dislocaciones (más de 10 ¹⁴ dislocaciones por m ² ) o no hay dislocaciones. Un número moderado de dislocaciones (entre 10 ⁷ y 10 ⁹ dislocaciones por m ² ) normalmente da como resultado una fuerza baja.

Ejemplo

Para un ejemplo extremo, en una prueba de tracción, una barra de acero se deforma justo antes de la longitud a la que generalmente se fractura. La carga se libera suavemente y el material alivia algo de su tensión al disminuir su longitud. La disminución de la longitud se denomina recuperación elástica y el resultado final es una barra de acero endurecida. La fracción de longitud recuperada (longitud recuperada / longitud original) es igual al límite elástico dividido por el módulo de elasticidad. (Aquí discutimos la tensión verdadera para tener en cuenta la disminución drástica del diámetro en esta prueba de tracción). La longitud recuperada después de quitar una carga de un material justo antes de que se rompa es igual a la longitud recuperada después de quitar una carga justo antes de que entre deformación plastica.

La barra de acero templado tiene un número suficientemente grande de dislocaciones para que la interacción del campo de deformación evite toda deformación plástica. La deformación posterior requiere una tensión que varía linealmente con la deformación observada, la pendiente de la gráfica de la tensión frente a la deformación es el módulo de elasticidad, como es habitual.

La barra de acero endurecido por trabajo se fractura cuando la tensión aplicada excede la tensión de fractura habitual y la deformación supera la deformación de fractura habitual. Esto puede ser considerado como el límite elástico y la tensión de fluencia ahora es igual a la resistencia a la fractura , que es mucho mayor que una tensión de fluencia de acero sin trabajo-endurecido.

La cantidad de deformación plástica posible es cero, que es menor que la cantidad de deformación plástica posible para un material no endurecido. Por tanto, se reduce la ductilidad de la barra trabajada en frío.

La cavitación sustancial y prolongada también puede producir endurecimiento por deformación.

Relaciones empíricas

Hay dos descripciones matemáticas comunes del fenómeno del endurecimiento por trabajo. La ecuación de Hollomon es una relación de ley de potencia entre la tensión y la cantidad de deformación plástica: ^[9]

${\displaystyle \sigma =K\epsilon _{p}^{n}\,\!}$

donde σ es la tensión, K es el índice de resistencia o coeficiente de resistencia, ε _p es la deformación plástica yn es el exponente de endurecimiento por deformación . La ecuación de Ludwik es similar pero incluye el límite elástico:

${\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K\epsilon _{p}^{n}\,\!}$

Si un material ha sido sometido a una deformación previa (a baja temperatura), el límite elástico se incrementará en un factor dependiendo de la cantidad de deformación plástica previa ε ₀ :

${\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K(\epsilon _{0}+\epsilon _{p})^{n}\,\!}$

La constante K depende de la estructura y está influenciada por el procesamiento, mientras que n es una propiedad del material que normalmente se encuentra en el rango de 0,2 a 0,5. El índice de endurecimiento por deformación se puede describir mediante:

${\displaystyle n={\frac {d\log(\sigma )}{d\log(\epsilon )}}={\frac {\epsilon }{\sigma }}{\frac {d\sigma }{d\epsilon }}\,\!}$

Esta ecuación se puede evaluar a partir de la pendiente de una gráfica log (σ) - log (ε). El reordenamiento permite determinar la tasa de endurecimiento por deformación a una tensión y deformación determinadas:

${\displaystyle {\frac {d\sigma }{d\epsilon }}=n{\frac {\sigma }{\epsilon }}\,\!}$

Endurecimiento por trabajo en materiales específicos

Cobre

El cobre fue el primer metal de uso común para herramientas y contenedores, ya que es uno de los pocos metales disponibles en forma no oxidada, que no requiere la fundición de un mineral . El cobre se ablanda fácilmente al calentarlo y luego enfriarlo (no se endurece al enfriarlo, por ejemplo, enfriarlo en agua fría). En este estado recocido , puede martillarse, estirarse y formarse de otra manera, progresando hacia la forma final deseada pero volviéndose más duro y menos dúctil.a medida que avanza el trabajo. Si el trabajo continúa más allá de cierta dureza, el metal tenderá a fracturarse cuando se trabaje y, por lo tanto, puede volver a recocerse periódicamente a medida que continúa el modelado. El recocido se detiene cuando la pieza de trabajo está cerca de su forma final deseada, por lo que el producto final tendrá la rigidez y dureza deseadas. La técnica del repujado explota estas propiedades del cobre, lo que permite la construcción de esculturas y artículos de joyería duraderos (como la Estatua de la Libertad ).

Oro y otros metales preciosos

Gran parte de las joyas de oro se producen por fundición, con poco o ningún trabajo en frío; lo cual, dependiendo del grado de aleación, puede dejar el metal relativamente blando y flexible. Sin embargo, un joyero puede utilizar intencionalmente el endurecimiento por trabajo para fortalecer los objetos portátiles que están expuestos al estrés, como los anillos .

Aluminio

Los dispositivos hechos de aluminio y sus aleaciones, como los aviones, deben diseñarse cuidadosamente para minimizar o distribuir uniformemente la flexión, que puede conducir al endurecimiento por trabajo y, a su vez, al agrietamiento por tensión, lo que posiblemente cause fallas catastróficas. Por esta razón, las aeronaves modernas de aluminio tendrán una vida útil impuesta (dependiendo del tipo de cargas encontradas), después de la cual la aeronave debe retirarse.

Referencias

1. Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 60.
2. Van Melick, HGH; Govaert, LE; Meijer, HEH (2003), "Sobre el origen del endurecimiento por deformación en polímeros vítreos", Polymer , 44 (8): 2493–2502, doi : 10.1016 / s0032-3861 (03) 00112-5
3. Swenson, CA (1955), "Propiedades del indio y el talio a bajas temperaturas", Physical Review , 100 (6): 1607-1614, doi : 10.1103 / physrev.100.1607
4. Smith y Hashemi , 2006 , p. 246.
5. Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 375.
6. Deringer-Ney, "Proceso de formación en frío y encabezado en frío" , 29 de abril de 2014
7. Cheng, YT; Cheng, CM (1998), "Enfoque de escala para la indentación cónica en sólidos elásticos-plásticos con endurecimiento por trabajo" (PDF) , Journal of Applied Physics , 84 (3): 1284-1291, doi : 10.1063 / 1.368196
8. Prawoto, Yunan (2013). Integración de la mecánica en la investigación en ciencia de materiales: una guía para investigadores de materiales en métodos analíticos, computacionales y experimentales . Lulu.com. ISBN 978-1-300-71235-0.
9. Hollomon, JR (1945). "Deformación por tracción". Transacciones de AIME . 162 : 268-277.

Bibliografía

• Degarmo, E. Paul; Black, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9a ed.), Wiley, ISBN 978-0-471-65653-1.
• Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de los materiales (4a ed.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.