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Deformación en caliente

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Deformación en caliente
Deformación en Caliente
TEMA 5
DEFORMACIÓN EN CALIENTE
1. INTRODUCCIÓN
La deformación plástica de un metal da lugar a dos efectos, una variación de las
propiedades y un cambio de forma permanente. Aunque ambos efectos van siempre unidos y
generalmente son buscados, su estudio no obstante se realiza separadamente. Si lo que se
pretende es el estudio del proceso de deformación desde el punto de vista del cálculo del
esfuerzo necesario y fundamentalmente del proceso operativo, entra dentro del campo de la
Tecnología Mecánica. Si por el contrario lo que se pretende fundamentalmente es estudiar la
variación en las propiedades y el origen de este cambio, a el proceso se le denomina
Tratamiento Mecánico. En general recibe el nombre de Tratamiento todo proceso que cambie
las propiedades de un material.
Se vio en un capítulo anterior que los metales y aleaciones al solidificar dan lugar a una
estructura granular primaria. Esta estructura podía ser observada bajo dos aspectos distintos:
uno microscópico, que quedaba definido por el tamaño, forma y orientación de los granos
cristalinos, y otro macroscópico en el cual eran preponderantes las segregaciones, impurezas y
defectos existentes en el material.
Mediante los tratamientos térmicos se modifica la microestructura del material, pero
apenas cambia su macroestructura. Excepto algunas segregaciones que pueden ser eliminadas o
aliviadas, los demás defectos inherentes a los procesos de fusión y solidificación persisten. La
calidad del material sufre pequeña variación, y si se aumenta su dureza es a costa de perder
ductilidad. Podemos decir hablando en términos generales, que los tratamientos térmicos
modifican las características del material haciéndolo más útil para una aplicación determinada,
pero no modifican su calidad.
Aparte de las mejoras en los procesos de fusión y solidificación, como por ejemplo la
colada continua, los defectos pueden ser, unos eliminados, otros acomodados a una forma
menos perjudicial, mediante la deformación plástica.
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2. TRATAMIENTOS MECÁNICOS
Los tratamientos mecánicos pueden ser:
a)
En frío
b)
En caliente.
En el capitulo anterior se estudio los efectos que la deformación plástica en frío
producía en un metal. Ahora se verá que ocurre cuando al deformar un metal éste se encuentra
en un nivel energético elevado, esto se conoce como deformación en caliente.
Los términos caliente y frío no tienen aquí exactamente el mismo sentido que el usado
vulgarmente. La deformación será en caliente o en frío según que se produzca por encima o por
debajo de la temperatura de recristalización del material. No obstante, esta definición no tiene
en cuenta la velocidad de deformación de la pieza, siendo esta muy importante para definir la
temperatura de separación entre los términos caliente y frío.
Como la temperatura de recristalización depende del grado de acritud del material,
conviene establecer una delimitación más concreta entre ambos tipos de deformaciones.
Cuando el material se deforma se produce en él una acritud, pero si la temperatura es lo
suficientemente alta, esta acritud producirá la recristalización, con lo cual desaparece la acritud.
Para una velocidad de deformación determinada habrá una temperatura mínima, para la cual la
acritud originada por la deformación se elimina totalmente mediante la recristalización. Por
encima de esa temperatura la deformación será en caliente y por debajo en frío. El aumento de
la velocidad de deformación, hace que la temperatura límite entre ambos campos se eleve. Una
velocidad de deformación alta, necesita una temperatura de trabajo elevada para que la
recristalización pueda ocurrir al mismo tiempo que se produce la acritud.
La deformación en caliente se diferencia fundamentalmente de la deformación en frío,
en que en la primera no se produce acritud, y por consiguiente la deformación puede continuar
sin aumento de esfuerzo. Así mismo el riesgo de grietas es mucho menor, pues aquellas que se
pudieran formar sueldan mediante la recristalización del material, excepto algunas veces que se
pueden oxidar las superficiales.
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Como vemos, la deformación en caliente presenta ciertas ventajas sobre la deformación
en frío. El esfuerzo aplicado es mucho menor y además constante, tanto por la ausencia de
acritud como por la disminución del límite elástico, la operación es más rápida pues no son
precisos recocidos intermedios, y finalmente las características obtenidas son mejores por la
mayor mejora sobre la estructura como veremos más adelante, y por la ausencia de tensiones
residuales.
Las desventajas es la obtención de acabados más bastos, ya que la superficie exterior se
oxida formándose una cascarilla, además las contracciones del material son mayores. En
algunos casos en que se pretende obtener un material de gran dureza es también preferible la
deformación en frío. Es difícil conseguir unas dimensiones precisas debido a los cambios
dimensionales que tienen lugar durante el enfriamiento.
3. FORJA
Reciben el nombre general de forja los diversos procedimientos de deformación en
caliente. Estos procedimientos pueden variar profundamente según la forma de aplicación de
los esfuerzos. De acuerdo con la forma en que se produce la deformación, toma la forja también
distintos nombres: estampado, laminado, extrusión, trefilado etc.
La temperatura de trabajo de la forja esta limitada fundamentalmente por el peligro de
fusión u oxidación, principalmente en los límites de grano y por el posible crecimiento de grano
durante el período de calentamiento. Para evitar estos fenómenos, lo normal es que se produzca
la primera deformación a temperatura relativamente elevada y vaya descendiendo la
temperatura conforme la deformación prosigue. Tecnológicamente, la operación se realiza
calentando el material en un horno antes de la forja, y enfriamiento al aire mientras esta se
produce. Son factores a fijar la temperatura de calentamiento y la velocidad de deformación.
4. EFECTOS DE LA FORJA, AFINO DEL GRANO Y FORMACIÓN DE LA FIBRA
La deformación en caliente afecta tanto a la microestructura como a la macroestructura.
Veamos primeramente los efectos producidos sobre la microestructura. Normalmente la forja
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supone un afino del grano, este se hace más pequeño debido a dos causas: La primera de ellas
es la rotura del mismo durante la deformación. El grano se va alargando y al final parte. La
segunda causa es la recristalización que se produce constantemente debido a la temperatura
existente y la acritud introducida. Por el contrario la permanencia del material en ausencia de
forja a temperaturas superiores a las de recristalización, es causa de que el grano crezca mucho,
de ahí la conveniencia común para afinar el grano de que el proceso termine a temperaturas
ligeramente inferiores a la de recristalización. En la Fig.1, se muestra el efecto que tiene esta
temperatura en el tamaño final del grano.
Figura 1
El grano es tanto más pequeño cuánto más baja sea la temperatura de recristalización y
cuanto más violento (por golpes) sea el proceso de forja. Esto último es así porque la
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deformación continua permite preferentemente la deformación intergranular, mientras la
producida por golpes tienden a ser más transcristalina.
Aparte de su efecto sobre el tamaño de grano, la forja hace variar la forma y orientación
de los granos cristalinos, alargándolos en la dirección de la deformación principal y tendiendo a
producir la textura apropiada. La deformación transgranular influye principalmente sobre la
forma, mientras la intergranular sobre la orientación. Debemos subrayar que la textura será
mayor cuando la forja sea más severa y más marcada direccionalmente. Veamos a continuación
el efecto de la forja sobre la macroestructura.
Los poros, concavidades y grietas del material desaparecen al llegar a hacer contacto las
superficies opuestas, y como al mismo tiempo se va produciendo la recristalización llegan a
soldar perfectamente mejorando la calidad.
El alargamiento de los granos hace que haya un gradiente de concentraciones mayor.
Como la forja se realiza generalmente a altas temperaturas, la difusión se ve favorecida por los
dos factores. Se facilita por consiguiente la homogeneización de las segregaciones dendríticas.
Como el desplazamiento del material es a veces importante, también se mitiga la segregación
principal.
Las impurezas también se alargan en la dirección de la deformación, y si no son grandes
se descomponen en partículas de impurezas más pequeñas. Como vemos, las impurezas
resultan orientadas, así como las heterogeneidades aún existentes, dando lugar a lo que se
conoce con el nombre de fibra. Cortando el material una vez forjado, puede observarse a simple
vista la fibra por una familia de líneas de igual brillo en la dirección de la deformación. La fibra
es tanto más pronunciada cuanto mayores son las heterogeneidades o impurezas del material de
partida y cuanto mayor es el grado de deformación existente. Este grado, cantidad o intensidad
de la deformación se mide por la relación S0 / S1, entre la sección inicial y final de forja.
La existencia de la fibra confiere un carácter típicamente direccional al material, ya que
las imperfecciones existentes tendrán después de la forja mayor sección longitudinal que
transversal. En consecuencia las características del material en sentido longitudinal, es decir en
la dirección de la deformación, mejoran notablemente, pero las transversales pueden empeorar.
Conviene por lo tanto que los esfuerzos se produzcan en la dirección de la fibra.
Cuando se conoce el trabajo posterior del material en su utilización, y los esfuerzos tiene en
cada punto una sola dirección, se puede actuar durante la forja de tal forma de que exista la
condición antedicha de paralelismo.
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Cuando los esfuerzos son transversales y longitudinales, conviene eliminar en la medida
de lo posible la fibra, y tener muy en cuenta la calidad del material de partida.
5. CONDICIÓN DE FORJABILIDAD
Dado que la forja tiene su base en la recristalización del material, es necesario que el
material tenga un carácter metálico para que esta se produzca. Así mismo, es un factor
favorable de importancia, la ductilidad del material para que le permita fácilmente la
deformación plástica. Estas dos razones son las que hacen que las aleaciones con metales y
soluciones sólidas presenten una buena forjabilidad, mientras que aquellas en las que existen
fases intermedias o compuestos químicos sean escasamente forjables. Un ejemplo conocido son
los aceros, forjables en su mayoría en tanto que las fundiciones compuestas a la temperatura de
forja por austenita y cementita o grafito no son forjables.
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