Deformación en frío y en caliente

DEFORMACIÓN EN FRÍO Y EN CALIENTE

La conformación por deformación plástica puede realizarse en caliente o en frío, según que la temperatura de trabajo se halle por encima o por debajo de la temperatura de recristalización, respectivamente; sin que ello deba significar una estricta separación, ya que casi todos los procesos pueden tener lugar de una forma u otra.

   

 En frío           En caliente

Conformación en frío

La conformación 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 conformación 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.

b)  Recristalización: En esta etapa se forman cristales nuevos de entre los antiguos deformados. Comienza a partir de una determinada temperatura, con la formación de gérmenes que aparecen en los lugares de mayor acritud, en los límites de grano y en los planos de deslizamiento y maclado. Estos gérmenes crecen a expensas de los átomos que les rodean y finalmente, sustituyen al edificio cristalino deformado. Paralelamente a estos cambios estructurales el metal recupera su plasticidad y las propiedades físicas tienden a alcanzar los valores que tenían antes de producirse la deformación.

c)   Crecimiento de grano: Si continúa el calentamiento por encima de la temperatura de recristalización θr, comienza otra etapa, durante la cual el grano recristalizado continúa creciendo a medida que aumenta la temperatura. El crecimiento de grano (llamado también coalescencia) por encima de la temperatura de recristalización depende de la temperatura y del tiempo de calentamiento, siendo estos dos factores favorables para el aumento de grano.

Conformación en caliente

Según se ha dicho anteriormente la conformación 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.

imagen. 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 conformación 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.

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.