Endurecimiento de trabajo

En ciencia de materiales, el endurecimiento por trabajo, también conocido como endurecimiento por deformación, es el fortalecimiento de un metal o polímero mediante deformación plástica. El endurecimiento laboral 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. De esta manera se pueden reforzar muchos metales no frágiles con un punto de fusión razonablemente alto, así como varios polímeros. Las aleaciones que no son susceptibles de tratamiento térmico, incluido el acero con bajo contenido de carbono, suelen endurecerse por trabajo. Algunos materiales no se pueden endurecer a bajas temperaturas, como el indio, sin embargo, otros solo se pueden reforzar mediante endurecimiento, como el cobre puro y el aluminio.

Endurecimiento laboral indeseable

Un ejemplo de endurecimiento por trabajo indeseable es durante el mecanizado, cuando las primeras pasadas de una fresa endurecen inadvertidamente la superficie de la pieza de trabajo, provocando daños a la fresa durante las últimas pasadas. Ciertas aleaciones son más propensas a esto que otras; Las superaleaciones como el Inconel requieren estrategias de mecanizado que lo tengan en cuenta.

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

Endurecimiento laboral intencional

Un ejemplo de endurecimiento por trabajo deseable es el que ocurre en procesos de trabajo de metales que inducen intencionalmente deformación plástica para exigir un cambio de forma. Estos procesos se conocen como procesos de trabajo en frío o de conformado en frío. Se caracterizan por dar forma a la pieza a una temperatura inferior a su temperatura de recristalización, normalmente a temperatura ambiente. Las técnicas de conformado en frío generalmente se clasifican en cuatro grupos principales: exprimido, doblado, estirado y cizallado. Las aplicaciones incluyen el encabezado de pernos y tornillos 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 matrices de carburo. El trabajo en frío del metal aumenta la dureza, el límite elástico y la resistencia a la tracción.

Teoría

Antes del endurecimiento por trabajo, la red del material exhibe un patrón regular, casi libre de defectos (casi sin dislocaciones). La red libre de 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 más dislocaciones se nucleen (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 mediante defectos llamados dislocaciones, que se crean por fluctuaciones en los campos de tensión locales dentro del material que culminan en una reorganización de la red a medida que las dislocaciones se propagan a través de la red. . A temperaturas normales, las dislocaciones no se anulan mediante el recocido. Más bien, 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 en el límite elástico del material y una posterior disminución de la ductilidad.

Tal deformación aumenta la concentración de dislocaciones que posteriormente pueden formar límites de grano de ángulo bajo que rodean 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 la recristalización reducen la densidad de dislocación.

La templabilidad por trabajo de un material se puede predecir analizando una curva tensión-deformación o estudiarse en contexto realizando pruebas de dureza antes y después de un proceso.

Deformación elástica y plástica

El endurecimiento por trabajo es 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 presentan sólo uno u otro, sino más bien una combinación de ambos. La siguiente discusión se aplica principalmente a los metales, especialmente a los aceros, que están bien estudiados. El endurecimiento por trabajo ocurre más notablemente 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 finalmente romperse).

El ensayo 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 la red) y no triviales (pandeo) antes de que ocurra una deformación plástica o una fractura. Por lo tanto, los procesos intermedios que ocurren en el material bajo compresión uniaxial antes de que ocurra la deformación plástica hacen que el ensayo de compresión esté lleno 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 deformante. Este fenómeno se llama deformación elástica. Este comportamiento de los materiales se describe mediante la ley de Hooke. Los materiales se comportan elásticamente hasta que la fuerza de deformación aumenta más allá del límite elástico, que también se conoce como límite elástico. En ese punto, el material se deforma permanentemente y no vuelve a su forma original cuando se retira la fuerza. Este fenómeno se llama deformación plástica. Por ejemplo, si se estira un resorte helicoidal hasta cierto punto, volverá a su forma original, pero una vez que se estira más allá del límite elástico, permanecerá deformado y no volverá a su estado original.

La deformación elástica estira los enlaces entre átomos alejándolos de su radio de separación de equilibrio, 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

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 elásticos debido al defecto en comparación con los enlaces entre los constituyentes de la red cristalina regular. Por lo tanto, estos enlaces se rompen ante tensiones relativamente menores, lo que provoca deformación plástica.

Los enlaces tensos alrededor de una dislocación se caracterizan por campos de tensión reticular. Por ejemplo, hay enlaces deformados por compresión directamente al lado de una dislocación de borde y enlaces deformados por tracción más allá del final de una dislocación de borde. Estos forman campos de deformaciones de compresión y campos de deformaciones de tracción, respectivamente. Los campos de tensión 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 de compresión son atraídas por las de tracción, y viceversa.

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

Aumento de luxaciones y endurecimiento laboral

El aumento en el número de luxaciones es una cuantificación del endurecimiento laboral. La deformación plástica ocurre como consecuencia del trabajo que se realiza sobre un material; Se añade energía al material. Además, la energía casi siempre se aplica lo suficientemente rápido y en magnitud suficiente para no sólo mover 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. Utilizando 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 bajo tensiones 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 del campo de deformación y se reanuda la deformación plástica.

Sin embargo, la ductilidad de un material endurecido por trabajo disminuye. La ductilidad es el grado en que un material puede sufrir deformación plástica, es decir, hasta qué punto un material puede deformarse plásticamente antes de fracturarse. Un material trabajado en frío es, en efecto, un material normal (quebradizo) que ya ha alcanzado parte de su deformación plástica permitida. Si el movimiento de las dislocaciones y la deformación plástica se han visto suficientemente obstaculizados 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 laboral

La fuerza, τ τ {displaystyle tau }, de la dislocación depende del módulo de esquila, G, la magnitud del vector Burgers, b, y la densidad de dislocación, *** *** ⊥ ⊥ {displaystyle rho _{perp }:

τ τ =τ τ 0+Gα α b*** *** ⊥ ⊥ 1/2 {displaystyle tau =tau ¿Por qué? }{1/2} }

Donde τ τ 0{displaystyle tau _{0} es la fuerza intrínseca del material con baja densidad de dislocación y α α {displaystyle alpha } es un factor de corrección específico para el material.

Como se muestra en la Figura 1 y la ecuación anterior, el endurecimiento del trabajo tiene una dependencia de media raíz del número de dislocaciones. El material exhibe alta resistencia si hay o bien altos niveles de dislocaciones (más allá de 10¹⁴ dislocaciones por m²) o no dislocaciones. Un número moderado de dislocaciones (entre 10)⁷ y 10⁹ dislocaciones por m²) normalmente resulta en baja fuerza.

Ejemplo

Por ejemplo extremo, en una prueba de tensil una barra de acero es tensada hasta justo antes de la longitud a la que suele fracturarse. La carga se libera sin problemas y el material alivia parte de su tensión disminuyendo su longitud. La disminución de la longitud se llama la recuperación elástica, y el resultado es una barra de acero endurecida por el trabajo. La fracción de longitud recuperada (longitud de longitud recuperada/original) es igual a la tensión de rendimiento dividida por el módulo de elasticidad. (Aquí discutimos el estrés verdadero para dar cuenta de la disminución drástica del diámetro en esta prueba de tracción). La longitud recuperada después de la eliminación de una carga de un material justo antes de que se rompa es igual a la longitud recuperada después de la eliminación de una carga justo antes de entrar en la deformación plástica.

La barra de acero endurecido tiene un número suficientemente grande de dislocaciones como 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 tensión versus deformación es el módulo de elasticidad, como es habitual.

La barra de acero endurecida por el trabajo se fractura cuando el estrés aplicado supera el estrés de fractura habitual y la cepa supera la cepa habitual de fractura. Esto puede considerarse como el límite elástico y el estrés del rendimiento es ahora igual a la dureza de la fractura, que es mucho más alto que un estrés del rendimiento del acero no endurecido por el trabajo.

La cantidad de deformación de plástico posible es cero, que es menos que la cantidad de deformación de plástico posible para un material no endurecido. Así, la ductilidad de la barra fría se reduce.

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 potencial entre la tensión y la cantidad de deformación plástica:

σ σ =Kε ε pn{displaystyle sigma =Kepsilon ¡No!

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

σ σ =σ σ Sí.+Kε ε pn{displaystyle sigma =sigma ¿Qué? ¡No!

Si un material ha sido sometido a una deformación previa (a baja temperatura), el límite elástico se incrementará en un factor que depende de la cantidad de deformación plástica previa ε₀:

σ σ =σ σ Sí.+K()ε ε 0+ε ε p)n{displaystyle sigma =sigma ¿Qué? ¿Por qué?

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:

n=dlog⁡ ⁡ ()σ σ )dlog⁡ ⁡ ()ε ε )=ε ε σ σ dσ σ dε ε {displaystyle n={frac {log(sigma)}{dlog(epsilon)}={frac {epsilon }{sigma }{frac {dsigma }{depsilon },!

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

dσ σ dε ε =nσ σ ε ε {displaystyle {frac {sigma} }{depsilon }=n{frac {sigma }{epsilon },!

Endurecimiento por mecanización 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 y que no requiere la fundición de un mineral. El cobre se ablanda fácilmente calentándolo y luego enfriándolo (no se endurece enfriándolo, por ejemplo, en agua fría). En este estado recocido, se puede martillar, estirar y darle otra forma, 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 su forma. El recocido se detiene cuando la pieza de trabajo está cerca de su forma final deseada, por lo que el producto final tendrá la resistencia y dureza deseadas. La técnica del repujado aprovecha estas propiedades del cobre, permitiendo la construcción de artículos de joyería y esculturas duraderos (como la Estatua de la Libertad).

Oro y otros metales preciosos

Muchas joyas de oro se producen mediante fundición, con poco o ningún trabajo en frío; que, 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 objetos portátiles que están expuestos a tensión, como los anillos.

Aluminio

Los dispositivos fabricados con aluminio y sus aleaciones, como los aviones, deben diseñarse cuidadosamente para minimizar o distribuir uniformemente la flexión, lo que puede provocar endurecimiento por trabajo y, a su vez, agrietamiento por tensión, lo que posiblemente cause fallas catastróficas. Por esta razón, a los aviones modernos de aluminio se les impone una vida útil (que depende del tipo de cargas encontradas), después de la cual el avión debe retirarse.