Conceptos Fundamentales de Deformación en Materiales
La comprensión de cómo los materiales responden a las fuerzas es crucial en la ciencia de los materiales y la ingeniería. A continuación, se detallan los principales tipos de deformación:
Deformación
La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo, o por la ocurrencia de dilatación térmica.
Deformación Plástica
La deformación plástica ocurre cuando un material se tensa más allá de su límite elástico y no regresará a su forma original tras la sola aplicación de una fuerza. La capacidad de un metal para sufrir deformación plástica es, probablemente, su característica más relevante en comparación con otros materiales. Todas las operaciones de conformado, como el troquelado, prensado, hilado, laminado o rolado, forjado, estirado y extrusión, se relacionan directamente con la deformación plástica de los metales.
Deformación Elástica
En la deformación elástica, el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica, solo experimenta cambios termodinámicos reversibles.
Deformación por Deslizamiento
Si el monocristal de un metal es sometido a un esfuerzo de tracción más allá de su límite elástico, se alarga de forma ligera, y aparece un escalón sobre la superficie indicando un desplazamiento relativo de una parte del cristal con respecto al resto; la elongación se detiene. Al aumentar la carga, se producirá movimiento en otro plano paralelo, resultando en otro escalón. Es como si delgadas secciones vecinas del cristal se hubieran deslizado una sobre otra, similar a las cartas de una baraja.
Deformación por Maclaje
El maclado es un mecanismo de deformación dúctil que opera cambiando la orientación de partes enteras de un cristal, formando maclas. Un cristal maclado se considera un solo elemento cristalino con varios elementos.
Fractura de Materiales: Dúctil y Frágil
La fractura es un fenómeno crítico en la ingeniería de materiales, clasificándose principalmente en dos tipos:
Fractura
La fractura es la separación de un sólido bajo tensión en dos o más piezas. En general, la fractura metálica puede clasificarse en dúctil y frágil.
Fractura Dúctil
La fractura dúctil de un metal tiene lugar después de una intensa deformación plástica. Si se considera una probeta redonda y se le aplica un esfuerzo que exceda su resistencia máxima a la tensión, y se mantiene por suficiente tiempo, la probeta se fracturará.
Fractura Frágil
La fractura frágil ocurre sin una apreciable deformación plástica y se debe a una rápida propagación de una grieta. Normalmente, sucede a lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura, que son perpendiculares a la tensión aplicada.
Propiedades y Procesos Clave en Metalurgia
Tamaño de Grano
El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
Temperatura de Recristalización
La temperatura de recristalización es la menor temperatura a la cual se obtienen granos equiaxiales de menor tamaño, libres de esfuerzo interno, en un material metálico que previamente ha sido deformado en frío. Marca el límite entre el trabajo en frío y el trabajo en caliente.
Trabajo en Frío
El trabajo en frío es el proceso de esfuerzo o deformación de un material en la región plástica del diagrama esfuerzo-deformación, sin la aplicación deliberada de calor.
El trabajo en frío implica la conformación de un metal a baja temperatura (por lo general, la temperatura ambiente). En contraste con las piezas producidas por el trabajo en caliente, las que se labran en frío tienen un acabado más brillante, son más exactas y requieren menos maquinado.
Trabajo en Caliente
Por trabajo en caliente se entienden aquellos procesos como el laminado o rolado en caliente, forja, extrusión en caliente y prensado en caliente, en los cuales el metal se calienta lo suficiente para que alcance una condición plástica y sea fácil de trabajar.
El laminado en caliente se usa, por lo general, para obtener una barra de material con forma y dimensiones particulares.
Diferencias entre Trabajo en Frío y Trabajo en Caliente
Es importante destacar el factor central que diferencia a ambos trabajos: la temperatura de recristalización. Esta se define como el límite de un material donde puede afinar sus granos, creando una nueva cristalización. Esta temperatura es distinta para cada material, pero para el acero (el material comúnmente utilizado en estos procesos) se encuentra en un límite de 600 a 700 grados centígrados. Recuerde que por debajo de esta temperatura se denomina trabajo en frío y por encima, trabajo en caliente. Aunque hay textos que definen ciertos procesos para trabajo en frío y caliente, la mejor forma de determinar si un proceso se denomina frío o caliente es en función de lo que sucede en la estructura cristalina respecto a la temperatura.
Tratamientos Térmicos en Metalurgia
Los tratamientos térmicos son procesos controlados de calentamiento y enfriamiento que modifican las propiedades de los materiales, especialmente los metales.
Recocido
El recocido es un tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal ablandar el acero u otros metales, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío.
Recocido de Homogeneización
En el recocido de homogeneización, propio de los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento es la correspondiente a A3+200ºC sin llegar en ningún caso a la curva de sólidos. El posterior enfriamiento lento se realiza en el propio horno, siendo su objetivo principal eliminar las heterogeneidades producidas durante la solidificación.
Recocido de Regeneración (También llamado Normalizado)
El recocido de regeneración, también llamado normalizado, tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor porcentaje de C solo se les aplica para afinar y ordenar su estructura.
Temple
El temple es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido, con una velocidad mínima llamada «crítica».
Revenido
El revenido es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a este para reducir la fragilidad y mejorar la tenacidad.
Normalizado
El normalizado es un tratamiento térmico en el cual las aleaciones porosas se calientan hasta aproximadamente 100°F sobre el rango crítico, manteniendo esa temperatura por el tiempo requerido, y enfriándolas a la temperatura del medio ambiente.
Recocido Isotérmico
El recocido isotérmico consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica y enfriarlo rápidamente. Se emplea mucho para herramientas de alta aleación, y se introducen a un arreglo de sales.
Martempering
Este tratamiento se efectúa calentando el material y manteniéndolo a una temperatura superior a la crítica durante el tiempo suficiente para su completa austenización y enfriándolo a continuación en un baño de sal fundida, y que debe ser superior al punto Ms de comienzo.
Austempering
El austempering consiste en calentar el material a una temperatura ligeramente superior a la crítica y enfriando luego en un baño en caliente que se mantiene a temperatura constante, durante el tiempo suficiente para que se verifique la total transformación de la austenita en bainita.