Endurecimiento de los metales

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
SEDE; CARACAS
PROCESO MECÁNICO DE ENDURECIMIENTO
Autor:
Carreño Pedro C.I. 17.269.082
Profesor: Ing. Henry Ramírez
CARACAS, FEBRERO DEL 2018

ENDURECIMIENTO
En metalurgia, endurecimiento se refiere a técnicas para incrementar la dureza de un
material.
Existen cinco técnicas principales para hacer esto:
• Endurecimiento por límite de grano.
• Endurecimiento por deformación.
• Endurecimiento por Solución Sólida.
• Endurecimiento por precipitación.
• Transformaciones martensíticas.
Todos los mecanismos de endurecimiento, a excepto las transformaciones martensíticas,
introducen dislocaciones o defectos en la estructura cristalina, las cuales actúan como barreras para
los deslizamientos.

PROCESO DE ENDURECIMIENTO DE MECANIZADO DE LOS METALES
ENDURECIMIENTO POR LÍMITE DE GRANO
Endurecimiento por tamaño de grano. Las imperfecciones de la superficie tales como los
límites de grano, perturban el arreglo de los átomos en los materiales cristalinos. Al aumentar la
cantidad de granos o reducir el tamaño del grano, se produce un endurecimiento por tamaño de
grano en los materiales metálicos.
Las fronteras de los granos son barreras que dificultan el movimiento de las dislocaciones del
metal. Una dislocación encuentra difícil pasar de un grano a otro a través de las fronteras debido al
desorden relativo en que se encuentran los átomos en esta zona.
Los metales que tienen granos pequeños presentan mayor resistencia que los metales con
granos grandes, o en otras palabras, los metales con granos grandes son más suaves y menos
resistentes que los metales con granos pequeños.
ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN
El endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento en frío o por acritud)
es el endurecimiento de un material por una deformación plástica a nivel macroscópico que tiene el
efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida que el material se satura
con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formación de nuevas dislocaciones y a su
movimiento. Esta resistencia a la formación y movimiento de las dislocaciones se manifiesta a nivel
macroscópico como una resistencia a la deformación plástica.

En cristales metálicos, el movimiento de las dislocaciones es lo que produce la deformación
plástica (irreversible) a medida que se propagan por la estructura del cristal. A temperaturas normales
cuando se deforma un material también se crean dislocaciones, en mayor número de las que se
aniquilan, y provocan tensiones en el material, que impiden a otras dislocaciones el libre movimiento
de estas. Esto lleva a un incremento en la resistencia del material y a la consecuente disminución en la
ductilidad.
ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
Cualquiera de los defectos puntales también interrumpe la perfección de la estructura cristalina.
Cuando la estructura cristalina del material anfitrión asimila por completo los átomos y los iones de un
elemento o compuesto huésped, se forma una solución sólida. Esto ocurre de forma parecida a la
forma en que la sal o el azúcar se disuelven en agua, en bajas concentraciones.
Si en forma intencional se introducen átomos sustitucionales o intersticiales se produce un
endurecimiento por solución sólida. Este mecanismo explica por qué el acero al carbón es más
resistente que el Fe puro o por que las aleaciones de cobre con pequeñas concentraciones de Be son
mucho más resistentes que el Cu puro. El oro y la plata puros que son metales FCC con mucho
sistema de deslizamiento activo, son demasiados suaves mecánicamente.
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un
tratamiento térmico para endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se
basa en la deposición de fases meta estables en forma finamente dividida, de modo que forma una
barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia a la fluencia de las
aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.1

El endurecimiento por precipitación, se basa en los cambios de la solubilidad de sólido con la
temperatura para producir partículas finas de una impureza de fase, que impiden el movimiento de
dislocaciones o defectos a través de la estructura del cristal. Dado que las dislocaciones son a menudo
los operadores dominantes de la plasticidad, esto sirve para endurecer el material. Las impurezas
desempeñan la misma función que los refuerzos en los materiales compuestos reforzados. Así como la
formación de hielo en el aire puede producir nubes, nieve o granizo, dependiendo de la historia térmica
de una porción dada de la atmósfera, la precipitación de los sólidos puede producir diferentes tamaños
de partículas, que tienen propiedades radicalmente diferentes. A diferencia del temple ordinario, las
aleaciones deben mantenerse a temperatura elevada durante horas para permitir que la precipitación
tenga lugar. Este retardo de tiempo se denomina envejecimiento.
Dos tratamientos térmicos diferentes que implican precipitados pueden alterar la fuerza de un
material: tratamiento térmico por solución sólida y el tratamiento térmico de precipitación.
Endurecimiento por solución sólida implica la formación de una solución sólida de una sola fase a
través de temple. El tratamiento térmico por precipitaciones implica la adición de partículas de
impurezas para aumentar la resistencia de un material.2 El endurecimiento por precipitación por medio
de tratamiento térmico de precipitación es el principal tema de discusión en este artículo.

TRANSFORMACIONES MARTENSÍTICAS
Martensita, es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se
genera a partir de una transformación de fases sin difusión (infiltración de partículas ajenas al material
procesado), a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material.
Por extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una
transformación sin difusión de materiales metálicos.
Se llama martensita en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914).
La transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se
caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión.
Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los
granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la velocidad del sonido dentro de la
matriz austenítica. De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es
independiente del tiempo.
La estructura de la martensita tiene la apariencia de láminas o de agujas (variantes). La fase
blanca es austenita que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también puede
coexistir con otros constituyentes, como la perlita.
El enfriamiento rápido (o temple) del acero austenizado, hasta temperatura próxima a la
ambiental, origina otro micro constituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de
no equilibrio de la transformación sin difusión de la austenita. Se puede considerar un producto de
transformación competitivo con la perlita o la vainita. La transformación martensítica tiene lugar a
velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera difusión se
formarían las fases ferrita y cementita.

La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se
mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños desplazamientos de un átomo respecto a
sus vecinos. Esta transformación significa que la austenita FCC experimenta una transformación
polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo (TCC). La celdilla unidad de esta
estructura cristalina es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones, centrado en el cuerpo BCC;
esta estructura es diferente de la ferrita BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos
intersticiales en la martensita y constituyen una disolución sólida sobresaturada capaz de
transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que implican una
apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura martensítica casi
indefinidamente a temperatura ambiente.
Con un tratamiento mecánico adecuado la estructura puede presentar una sola variante. Un
caso particular son las aleaciones martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al
aplicarles un campo magnético (magnetoestricción, Villary effect).

PROCESOS DE TRABAJO EN FRÍO Y CALIENTE
Procesos de trabajo en frio: Se refiere al
trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo
ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia
de cedencia original de metal, produciendo a la vez
una deformación.
El conformado en frío es empleado a nivel mundial para fabricar los productos más diversos.
Clavos, tornillos, bulones, tubos de cobre, botellas de aluminio, cord metálico para neumáticos etc.
También la mayoría de los objetos metálicos de uso doméstico se producen mediante este método:
mangos, bisagras, elementos de unión, listones y utensilios de cocina.
El concepto del conformado en frío comprende todos los métodos de fabricación que permiten
deformar plásticamente (a temperatura ambiente y ejerciendo una presión elevada) metales o
aleaciones de metales tales como cobre, aluminio o latón, pero sin modificar el volumen, el peso o las
propiedades esenciales del material. Durante el conformado en frío la materia prima recibe su nueva
forma mediante un proceso que consta de diferentes etapas de deformación. De tal manera se evita que
se exceda la capacidad de deformación del material y por lo tanto su rotura.

Las principales ventajas del trabajo en frío son: mejor precisión, menores tolerancias, mejores
acabados superficiales, posibilidades de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final
y mayor dureza de las partes.
Sin embargo, el trabajo en frío tiene algunas desventajas, ya que requiere mayores fuerzas porque
los metales aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación, produciendo que el
esfuerzo requerido para continuar la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la
resistencia, la reducción de la ductilidad y el aumento de la resistencia a la tensión limitan la cantidad de
operaciones de formado que se puedan realizar a las partes.
Características:
• Mejor precisión.
• Menores tolerancias.
• Mejores acabados superficiales.
• Mayor dureza de las partes.
• Requiere mayor esfuerzo.

Procesos de trabajo en Caliente: Se define como la
deformación plástica del material metálico a una temperatura
mayor que la de recristalización. La ventaja principal del
trabajo en caliente consiste en la obtención de una
deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada
para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja
resistencia de cedencia y una alta ductilidad.
Por trabajo (o labrado) en caliente, se entienden aquellos procesos como laminado o rolado en
caliente, forja, extrusión en caliente y prensado en caliente, en los cuales el metal se caldea en el
grado suficiente para que alcance una condición plástica y fácil de trabajar. El laminado en caliente
se usa por lo general para obtener una barra de material con forma y dimensiones particulares. El
extrusionado, es el proceso por el cual se aplica una gran presión un lingote metálico caliente,
haciendo que fluya en estado plástico a través de un orificio restringido.
El forjado o forja, es el trabajo en caliente de metales mediante martinetes, prensas o
máquinas de forja. En común con otros procesos de labrado en caliente, la forja produce una
estructura de grano refinado que da por resultado una mayor resistencia y ductilidad. Las piezas
forjadas tienen mayor resistencia por el mismo peso.
Se define como la deformación plástica del material metálico a una temperatura mayor que la
de recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente, consiste en la obtención de una
deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes grandes porque el
metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad.

Los beneficios obtenidos con el trabajo en caliente son: mayores modificaciones a la forma de la
pieza de trabajo, menores fuerzas y esfuerzos requeridos para deformar el material, opción de trabajar
con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío, propiedades de fuerza generalmente
isotrópicas y, finalmente, no ocurren endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo.
Características:
• Mayores modificaciones a la forma de la pieza de trabajo.
• Menores esfuerzos.
• Opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío.
Desventajas:
Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie
con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden
mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son
altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE CONFORMADO
Proceso de
conformado
Operaciones de
Formado o
Preformado
Doblado
Corte
Embutido
Cizallado
Troquelado
Operación de
deformación
volumétrica
Laminado
Forjado
Extrusión

PROCESO DE CIZALLADO: El proceso de cizallado es una operación de corte de láminas que
consiste en disminuir la lámina a un menor tamaño. Para hacerlo el metal es sometido a dos bordes
cortantes.
PROCESO DE TROQUELADO: El proceso de troquelado es una operación en la cual se cortan
láminas sometiéndolas a esfuerzos cortantes, desarrollados entre un punzón y una matriz, se diferencia
del cizallado ya que este último solo disminuye el tamaño de lámina sin darle forma alguna. El producto
terminado del troquelado puede ser la lámina perforada o las piezas recortadas.
PROCESO DE DOBLADO: El doblado de metales es la deformación de láminas alrededor de un
determinado ángulo. Los ángulos pueden ser clasificados como abiertos (si son mayores a 90 grados),
cerrados (menores a 90°) o rectos. Durante la operación, las fibras externas del material están en tensión,
mientras que las interiores están en compresión. El doblado no produce cambios significativos en el
espesor de la lámina metálica.

TIPOS DE DOBLADO
DOBLADO ENTRE FORMAS: En este tipo de doblado, la lámina metálica es deformada entre
un punzón en forma de V u otra forma y un dado. Se pueden doblar con este punzón desde ángulos muy
obtusos hasta ángulos muy agudos. Esta operación se utiliza generalmente para operaciones de bajo
volumen de producción.
DOBLADO DESLIZANTE: En el doblado deslizante, una placa presiona la lámina metálica a la
matriz o dado mientras el punzón le ejerce una fuerza que la dobla alrededor del borde del dado. Este
tipo de doblado está limitado para ángulos de 90°.
CÁLCULO DE LA FUERZA PARA DOBLADO DE LÁMINAS
La fuerza de doblado es función de la resistencia del material, la longitud L de la lámina, el
espesor T de la lámina, y el tamaño W de la abertura del dado. Para un dado en V, se suele aproximar la
fuerza máxima de doblado, FD.

PROCESO DE EMBUTIDO: El proceso de embutido consiste en colocar la lámina de metal
sobre un dado y luego presionándolo hacia la cavidad con ayuda de un punzón que tiene la forma en la
cual quedará formada la lámina.
El número de etapas de embutición depende de la relación que exista entre la magnitud del
disco y de las dimensiones de la pieza embutida, de la facilidad de embutición, del material y del
espesor de la chapa. Es decir, cuanto más complicadas las formas y más profundidad sea necesaria,
tantas más etapas serán incluidas en dicho proceso.
PROCESO DE LAMINADO: El laminado es un proceso en el que se reduce el espesor de una
pieza larga a través de fuerzas de compresión ejercidas por un juego de rodillos, que giran apretando y
halando la pieza entre ellos.
El resultado del laminado puede ser la pieza terminada (por ejemplo, el papel aluminio utilizado
para la envoltura de alimentos y cigarrillos), y en otras, es la materia prima de procesos posteriores,
como el troquelado, el doblado y la embutición.
PROCESO DE FORJADO: El proceso de forjado fue el primero de los procesos del tipo de
compresión indirecta y es probablemente el método más antiguo de formado de metales. Involucra la
aplicación de esfuerzos de compresión que exceden la resistencia de fluencia del metal. En este
proceso de formado se comprime el material entre dos dados, para que tome la forma deseada.
La mayoría de operaciones de forjado se realiza en caliente, dada la deformación demandada en
el proceso y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal. Sin embargo
este proceso se puede realizar en frío, la ventaja es la mayor resistencia del componente, que resulta
del endurecimiento por deformación.

PROCESO DE EXTRUSIÓN: La extrusión es un proceso por compresión en el cual el metal de
trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal.
Ejemplos de este proceso son secciones huecas, como tubos.
Existe el proceso de extrusión directa, extrusión indirecta, y para ambos casos la extrusión en
caliente para metales (a alta temperatura).
TIPOS DE EXTRUSIÓN
EXTRUSIÓN DIRECTA: En la extrusión directa, se deposita en un recipiente un lingote en bruto
llamado tocho, que será comprimido por un pistón. Al ser comprimido, el material se forzará a fluir por
el otro extremo adoptando la forma que tenga la geometría del dado.
EXTRUSIÓN INDIRECTA: La extrusión indirecta o inversa consiste en un dado impresor que
está montado directamente sobre el émbolo. La presión ejercida por el émbolo se aplica en sentido
contrario al flujo del material. El tocho se coloca en el fondo del dado contenedor.

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