ASOCIACIÓN ARGENTINA PARA EL PROGRESO DE LAS …a la comprensión de los fenómenos que ocurren...

Ciencia e Investigación

CIeASOCIACIÓN ARGENTINA PARA EL PROGRESO DE LAS CIENCIAS


CIeASOCIACIÓN ARGENTINA PARA EL PROGRESO DE LAS CIENCIAS

Primera revista argentina de información científica / Fundada en enero de 1945


TOMO 69 N°3 - 2019

MECÁNICA DEL CONTINUO APLICADAS AL CONFORMADO DE CHAPAS.

Lucio Iurman

METALURGIA FÍSICA DE LOS ACEROS PARA CONFORMADO.

Lucio Iurman

PROPIEDADES MECÁNICAS, ENSAYOS Y ESCENARIOS DE CONFORMABILIDAD DE CHAPAS.

Wadi Chiapparoli

… La revista aspira a ser un vínculo de unión entre los trabajadores científicos que cultivan disciplinas diversas y órgano de expresión de todos aquellos que sientan la inquietud del progreso científico y de su aplicación para el bien.

Bernardo A. Houssay

La figura pertenece a un documento que proporciona

una guía de aplicación sobre zonas de interés en el choque de un vehículo. Word Steel Association y

WordAutoSteel.

SUMARIOEDITORIAL

ARTÍCULOS

70 años de desarrollo sostenido en el estampado de chapas de acero.Lucio Iurman ............................................................................ 3

Metalurgia física de los aceros para conformado.Lucio Iurman ........................................................................... 5

Mecánica del continuo aplicada al conformado de chapas.Lucio Iurman .......................................................................... 31

Propiedades mecánicas, ensayos y escenarios de conformabilidad de chapas.Wadi Chiapparoli ................................................................... 46

INSTRUCCIONES PARA AUTORES ........................................ 55

TOMO 69 Nº32019

EdITOR RESPONSAbLEAsociación Argentina para el Progreso de las Ciencias (AAPC)

COMITÉ EdITORIALEditoraDra. Nidia BassoEditores asociadosDr. Gerardo Castro Dra. Lidia HerreraDr. Roberto MercaderDra. Alicia SarceDr. Juan R. de Xammar OroDr. Norberto Zwirner

CIENCIA EINVESTIGACIÓNPrimera Revista Argentinade información científica.Fundada en Enero de 1945.Es el órgano oficial de difusión deLa Asociación Argentina para el Progreso de las Ciencias.A partir de 2012 se publica en dos series, Ciencia e Investigación y Ciencia e Investigación Reseñas.

Av. Alvear 1711, 4º piso, (C1014AAE) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.Teléfono: (+54) (11) 4811-2998Registro Nacional de la Propiedad Intelectual Nº 82.657. ISSN-0009-6733.

Lo expresado por los autores o anunciantes, en los artículos o en los avisos publicados es de exclusiva responsabilidad de los mismos.

Ciencia e Investigación se edita on line en la página web

de la Asociación Argentina para el Progreso de las

Ciencias (AAPC) www.aargentinapciencias.org

Asociación Argentina para el Progreso de las Ciencias


COLEGIAdO dIRECTIVO

Presidentedra. Ester Susana Hernández

Vicepresidentedra. Ursula Maria Molter

Secretariadra. Alicia María Sarce

Tesorerodr. Alberto Antonio Pochettino

Protesorerodra. Graciela Noemí balerio

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dra Nidia bassodr. Miguel blesa

dra. María Cristina Cambiaggiodra. Alicia Fernández Cirellidra. Susana María Gallardo

dra. Lidia Herreradr. Mario A.J. Mariscotti

dr. Luis Alberto Quesada Alluédr. Juan Roberto de Xammar Oro

Miembros Institucionales:Asociación Argentina de Microscopía (SAMIC):

Francisco CapaniAsociación Argentina de Ensayos No destructivos y Estructurales (AAENdE):

Héctor EspejoAsociación Argentina de Energías Renovables y Ambiente (ASAdES):

Jaime b. A. MoraguesSociedad Argentina de Hipertensión Arterial (SAHA):

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Ángela Rosaria Solano (Ok Rosaria)

Miembros Fundadoresdr. bernardo A. Houssay – dr. Juan bacigalupo – Ing. Enrique butty

dr. Horacio damianovich – dr. Venancio deulofeu – dr. Pedro I. ElizaldeIng. Lorenzo Parodi – Sr. Carlos A. Silva – dr. Alfredo Sordelli – dr. Juan C. Vignaux –

dr. Adolfo T. Williams – dr. Enrique V. Zappi

AAPCAvenida Alvear 1711 – 4º Piso

(C1014AAE) Ciudad Autónoma de buenos Aires – Argentinawww.aargentinapciencias.org


EDITORIAL

Aprovechando una amable invitación de los responsables de la edición de Ciencia e Investigación, que agrade-cemos, presentamos en este número tres artículos con un tema central: el conformado de chapas de acero.

Con este nombre, conformado de chapas de acero, nos referimos a un sinnúmero de operaciones industriales de cuya importancia estoy seguro nadie duda. Vivimos rodeados de objetos obtenidos mediante estas operaciones, desde la cocina o la heladera, pasando por el automóvil, para recalcar en las latas de nuestros alimentos y bebidas. Y así, sin parar…

Pero no es eso quizás lo más importante, sobre todo para quienes, de un modo u otro, estamos involucrados en estos procesos, empezando por los autores de los artículos incluidos en este número. Sucede que detrás de esa chapa doblada, de esa olla o de la puerta del automóvil, hay mucha tecnología, hay mucha ciencia, muchas personas que han dedicado – y dedican – sus vidas profesionales a que todo eso sea posible. Hay mucho trabajo, enormes esfuerzos y también, sobre todo, mucha pasión, un gran placer cuando se ve a la chapa deslizarse por el herramental y tomar la forma que uno proyectó. Es nuestro objetivo que quienes lean esta publicación se asomen a la comprensión de los fenómenos que ocurren cuando se da forma a una chapa y en consecuencia los valoren y disfruten.

Para ello, los dos primeros artículos reseñan los avances que se han producido sobre todo en los últimos setenta – ochenta años en los campos de la Metalurgia Física y de la Mecánica del Continuo. Es una revisión de material que hemos producido tiempo atrás y que requería mayor profundidad mostrando la respuesta de la investigación a las demandas tecnológicas de este mundo que cambia en forma vertiginosa. La primera, Metalurgia Física, se ocu-pa de analizar los aspectos internos del metal, acero en este caso. La Mecánica del Continuo centra su actuación en cómo reacciona este metal cuando es solicitado por fuerzas externas y cuánto puede variar su comportamiento si cambia la naturaleza de las fuerzas externas. La conjunción de esas dos miradas permite tener la visión global necesaria para diseñar y controlar todos los procesos que nos harán llegar a una pieza metálica con forma y pro-piedades aptas para el servicio al cual será destinada.

Las aproximaciones señaladas hacen necesaria la cooperación de técnicos y científicos. En metalurgia, en ge-neral, los progresos vinieron casi siempre en el pasado primero de la mano de los técnicos, que pudieron hacer cosas porque tenían, fruto de experiencias acumuladas durante años, el “saber cómo”, conocido generalmente

70 AñOS DE DESARROLLO SOSTENIDO EN EL ESTAMPADO DE CHAPAS DE ACERO

Lucio Iurman

Laboratorio de Metalurgia de la Universidad Nacional del Sur.Cargo: Profesor Consulto.

E-mail: [email protected]

CIENCIA E INVESTIGACIÓN - TOMO 69 Nº 3 - 20194

por su versión en inglés “know how”. Más tarde venían las (no todas, no siempre) explicaciones de los científicos, ocupados en “saber por qué”, o “know why”.

En la actualidad, con la vertiginosidad en la cual se vive todo, los tiempos se han acortado. El saber por qué fue exigido y – hay que decirlo – estuvo y está a la altura de lo que se le pidió. Y ocurrieron los grandes avances tecnológicos de los que todos nos enorgullecemos y disfrutamos. Así la ciencia entró en la fábrica. Científicos y tecnólogos aprendimos a respetarnos y valorarnos, más aún, a trabajar juntos.

Nuestro último artículo fue preparado por el Ing. Wadi Chiapparoli, de amplia trayectoria en el campo del asesoramiento a productores y usuarios de chapas de acero en el país. En este artículo se describe claramente la interacción indicada y se pueden apreciar todas las ventajas que ello implica.

Lamentablemente, por exigencias debidas a compromisos en tiempos productivos, no pudimos contar con una participación más amplia de colegas del sector productivo. Teníamos dos artículos más en programación sobre el tema del desarrollo de nuevos tipos de aceros , que esperamos poder ofrecer en algún momento futuro.

Hemos hablado de profesionales, de colegas mancomunados en una tarea compartida. Esto fue posible también porque hubo instituciones que ofrecieron el marco propicio para el logro de los avances reseñados. En nuestro país, hay que mencionar a la Asociación Argentina de Materiales SAM, al Instituto Argentino de Siderurgia, al Departamento de Materiales de la Comisión Nacional de Energía Atómica, a las Universidades Nacionales. Las instituciones también aprendieron a valorarse y a sumar sus potencialidades. Falta mucho en este ámbito, como en tantos otros.

Pero estamos haciendo camino al andar, como dicen los poetas. La tecnología no sólo es útil. También es bella, tiene su encanto. Para disfrutarlo, el primer paso es conocerla. Fue nuestro objetivo al escribir el contenido de este número de Ciencia e Investigación.

METALURGIA FÍSICA DE LOS ACEROS PARA CONFORMADO.

Lucio Iurman

Laboratorio de Metalurgia de la Universidad Nacional del Sur.Cargo: Profesor Consulto.


Palabras clave: conformado de chapas metálicas, aceros para estampado, metalurgia física.Key words: sheet-metal forming, press-working steels, physical metallurgy.

INTROdUCCIÓN

La producción mundial de ace-ros en los últimos años fue de al-rededor de mil seiscientos millones de toneladas. Aproximadamente la mitad correspondió a productos planos, distribuidos entre lo que se conoce como chapas (sheets) y pla-cas (plates), según el espesor de los mismos. Desde el punto de vista del conformado, las chapas ocupan el lugar exclusivo de este universo. Se-rán el objeto de este trabajo.

En otro artículo de este número de C e I se muestran algunas opera-ciones industriales de conformado. Los productos de mayor relevancia de estas operaciones están dirigidos a la industria automotriz y a la de electrodomésticos. La variedad de exigencias, formas y tamaños de las piezas obliga a un conocimiento exhaustivo del comportamiento del material involucrado en el proceso para que el mismo sea exitoso. Este conocimiento ha ido avanzando a medida que se iba adquiriendo ex-periencia en la planta industrial. El

usuario de la chapa se hizo cada vez más exigente y el productor del acero debió suministrar un material acorde al proceso al que iba a ser sometido. El proceso de fabricación del acero se fue mejorando, sin per-der de vista la ecuación de calidad y su costo de producción.

Los progresos realizados en la tecnología del estampado de chapas de acero fueron posibles gracias, en-tre otros factores, al avance de co-nocimientos de la metalurgia física aplicados en particular a los aceros.

Es lo que trataremos de reseñar en este trabajo.

1. LA METALURGIA FíSICA y EL CONFORMAdO dE CHAPAS dE ACERO EN 1969

En un artículo publicado en oca-sión del centenario del Iron and Steel Institute, Duckworth y Baird (1969), se hacían la siguiente re-flexión: “Uno de los hechos sorpren-dentes de los aceros de bajo conte-nido en carbono (“mild steels”, nota

del autor) es la extensión en que su desarrollo ha sido ignorado por los metalurgistas físicos hasta años re-cientes. Cuando se recuerda que los productos de hierro y acero consti-tuyen el 94% de todos los metales usados en el mundo y que el ace-ro no aleado es el 85% de todo el acero manufacturado, esta falta de consideración del acero blando por parte de los metalurgistas físicos es muy destacable”.

Proseguían los autores mencio-nados: “Uno de los principales avan-ces en el desarrollo de la compren-sión de la chapa de acero utilizada para el conformado en frío ha sido el descubrimiento de cómo clasifi-car los diferentes tipos de procesos de conformado y definir las propie-dades mecánicas particulares reque-ridas para la óptima performance en cada tipo de proceso. Los principa-les tipos de deformación involucra-dos en el estampado de chapas de acero son el embutido profundo, el estirado, y el doblado.” En la Figura 1 se muestra el esquema que acom-pañaban en su trabajo. Si bien en la

En este artículo se identifican diferentes procesos de conformado de chapas, solicitaciones a las que está expuesto su material, mecanismos básicos de deformación de metales y aportes que brinda la Metalurgia Física a su mejor comprensión y control. Con este fin se pasa revista a aspectos de esa disciplina que hacen al endurecimiento, ablandamiento y la anisotropía del material a ser procesado industrialmente.

In this paper different types of sheet-metal forming and the stresses experienced by the deforming material are identified. After that, the main deforming mechanisms of metals and the contribution given by the Physical Metallurgy to their better understanding and control are reviewed. To do this, the strengthening and softening mechanisms acting in steel sheet-metal working are summarized.


misma no se muestra en forma espe-cífica el doblado, además de ser esta operación típica del conformado de estanterías y muebles por ejemplo, está presente incluso en las dos mos-tradas.

Hay que mencionar, de todas maneras, que los metalurgistas físi-cos habían hecho ya contribuciones de utilidad en el campo del confor-mado, quizás todavía sin un pedido especifico de los productores, y en-tre las cuales destacamos:

- Parámetro de anisotropía R, Lankford y otros (1950)

- Influencia del tamaño de gra-no en la tensión de fluencia de los metales, Hall (1951), Petch (1953)

- Comprensión del envejeci-miento por deformación (strain aging), Cottrell (1956)

Por otra parte, Zackay (1969), mostraba en un gráfico resistencia – alargamiento, el campo de los ace-ros desarrollados hasta esa fecha, y las posibilidades predichas por la

teoría. Es lo que se muestra en la Fi-gura 2. Se ve que el campo de desa-

rrollo posible era muy amplio.

Figura 1. Operaciones básicas de conformado de chapas. Duckworth y Baird (1969). Pure deep drawing – Em-butido profundo puro. Pure stretch forming – Estirado puro.

Figura 2. Relación entre la tensión de fluencia y el alargamiento en dife-rentes tipos de aceros. Zackay (1969). Yield strength – Tensión de fluencia. Total elongation – Alargamiento total. Commercial steels – Aceros comer-ciales. TRIP steels – Aceros TRIP. Unexplored región – Región no explorada. Known upper limit of strength and ductility – Límite superior conocido de resistencia y ductilidad.

7Metalurgia física de los aceros para conformado

temperatura ambiente, por otro tipo de arreglo, ferrita, con estructura cúbica centrada en el cuerpo.

El conformado implica la presen-cia de una deformación plástica o irreversible. En los cristales metáli-cos esta deformación se produce por deslizamiento de los planos cristali-nos, como se muestra en la Figura 4 (Iurman, 1986).

Los modelos teóricos de la físi-ca de los cristales, pensados como estructuras perfectas, predecían es-fuerzos o tensiones necesarios para desplazar un plano cristalino sobre otro y producir de este modo una deformación plástica, entre diez y cien veces superior a los experimen-tales. Era obvio que los modelos no respondían a la realidad (Courtney, 1990). Para explicarlo se pensó en-tonces en defectos presentes en la estructura cristalina, cuya existencia pudieron revelar los avances en la tecnología de los rayos X. Estos de-fectos se conocen como dislocacio-

Afortunadamente, los metalurgis-tas físicos recogieron el guante y los requerimientos productivos, econó-micos y de calidad que emergieron de la industria fueron logrados con el aporte del conocimiento de la metalurgia moderna. Se puede decir que actualmente el “contenido” de metalurgia física que hay en el seno de una chapa de acero para estam-pado de piezas exigidas en cuanto a conformabilidad, resistencia mecá-nica, o tenacidad es impresionante.

2. ASPECTOS GENERALES dE METALURGIA FíSICA APLICAdOS A LOS ACEROS PARA CONFOR-MAdO

La naturaleza especial del en-lace entre los átomos de los meta-les origina, entre otros aspectos, su agregación en forma ordenada en el espacio, conocida como estructura cristalina. En este esquema, se deno-mina cristal (o grano) a una porción de metal con la misma orientación en el espacio, diferente de la de los

cristales adyacentes. En cada cristal se reconocen planos y direcciones, como quedan en evidencia cuando se talla un diamante, por ejemplo. Que no es un metal pero tiene el mismo tipo de organización espacial de los átomos. En los aceros encon-tramos básicamente dos estructuras cristalinas: el sistema cúbico centra-do en el cuerpo y el cúbico centrado en las caras.

La denominación proviene de la celda básica que forma estas redes cristalinas y se ilustra en la Figura 3. El hierro y, por extensión, los aceros que son aleaciones de este elemento con otros, tiene una cualidad llama-da alotropía, que implica la transfor-mación de una estructura cristalina en otra diferente cuando cambia la temperatura. Por encima de una temperatura dada, los aceros están constituidos por un arreglo atómico llamado austenita, que pertenece a la estructura cristalina cúbica cen-trada en las caras y, por debajo de esta temperatura, que incluye a la

Figura 3. (a) Estructura cúbica centrada en las caras: (b) Estructura cúbica centrada en el cuerpo. Iurman (1986).


nes y explican muchos fenómenos relacionados con el comportamien-to mecánico de los metales. En la Figura 5 se muestra una versión sim-plificada de este tipo de defectos y la forma en que su desplazamiento es responsable de que la deformación plástica se produzca a esfuerzos mucho menores que los necesarios según la teoría de un cristal perfecto: En éste, para deformar al cristal sería necesario romper simultáneamente todas las ligaduras atómicas entre el plano superior y el inferior. El des-plazamiento del defecto se hace rompiendo una a la vez (Callister Jr., 1994).

De lo visto hasta aquí surge una premisa básica que regula el com-portamiento mecánico de los me-tales en general y del acero en par-ticular: Todo aquello que facilite el desplazamiento de las dislocaciones hará que sea más fácil deformar al

Figura 4. Bandas y líneas de deslizamiento en la superficie de un cristal deformado. Iurman (1986).

Figura 5. Diferencia en el comportamiento de un cristal perfecto (a) y de uno con dislocaciones (b) y (c) para producir un escalón superficial (d) por deslizamiento. Iurman (1986).


metal. Y recíprocamente, todo lo que dificulte el movimiento de las dislocaciones, hará que sea más di-fícil deformarlo. En un cristal no de-formado existe un defecto de este tipo cada 10.000 espaciados atómi-cos aproximadamente. Cuando el metal se va deformando, opera en su seno un mecanismo de generación de nuevos defectos. Son las que se conocen como Fuentes de Frank y Read (Chalmers, 1962).

La multiplicación de defectos hace que los mismos interfieran en sus respectivos movimientos y el metal endurece. Es lo que se conoce como endurecimiento por trabaja-do en frío. Esto pone un límite a la deformación que se puede llevar a cabo en tales condiciones. Bien sea porque el metal está presentando una resistencia mayor a las posibi-lidades de los equipos de trabaja-do o porque se fragiliza y corre el peligro de romperse. Se recurre en estos casos a un tratamiento térmico de ablandamiento conocido como recocido. En este tratamiento, apa-recen cristales nuevos, “limpios”

de defectos, que reemplazan a los anteriores. Hemos puesto intencio-nalmente entre comillas el término “limpios”, por cuanto ya vimos que en un cristal no deformado hay una dislocación cada 10.000 espacia-dos atómicos aproximadamente, lo que hace que en una superficie de 1 cm2 afloren 106 - 108 dislocaciones! (Courtney, 1990).

3. PROPIEdAdES MECÁNICAS. EL ENSAyO dE TRACCIÓN

En los procesos de conformado, el material es sometido a esfuerzos externos que así lo deforman.

A los efectos de calcular la mag-nitud de los esfuerzos necesarios para ejercer la deformación es ne-cesario conocer las propiedades mecánicas del material a trabajar. Usando un ensayo conocido como de tracción que se tratará en forma más exhaustiva en otro artículo de esta revista, se pueden determinar esos esfuerzos. En la Figura 6 se presenta lo que sucede cuando una muestra del material es sometida a

una fuerza de tracción creciente F. La muestra se estirará y aumentará su longitud.

A los efectos de independizar los datos obtenidos en el ensayo de las dimensiones de la muestra se divide la fuerza por la sección transversal y el alargamiento por la longitud ini-cial de referencia de la misma, se obtiene de este modo un diagrama llamado de tensión – deformación. Al principio, la deformación es pro-porcional a la tensión aplicada. La deformación es elástica, o sea al qui-tar la carga, el material recupera sus dimensiones originales. Superado un determinado valor de la tensión, llamado tensión de fluencia, la de-formación deja de ser proporcional y elástica y se entra en el llamado campo de deformación plástica. Se trata de una deformación irreversi-ble, o sea, no desaparece al descar-gar la probeta. La transición de un rango al otro, o tensión de fluencia, puede presentar características dife-rentes. En algunos metales la tran-sición es suave, en otros está clara-mente marcada.

Figura 6. Esquema de un ensayo de tracción de una chapa metálica. Iurman (1986).


estructuras. La ferrita es más blanda que la austenita y tiene un compor-tamiento muy diferente en lo que a deformación se refiere (Ginzburg, 1989).

Sin embargo, aunque no existan variaciones alotrópicas en un metal dado se puede decir en general que una disminución de temperatura conlleva un aumento en su resisten-cia mecánica. En algunos, como el hierro, esto es más pronunciado que en otros cuando está presente con una estructura cúbica centrada en el cuerpo. En algunos casos de confor-mado de piezas difíciles, el enfria-miento de partes de la chapa ha sido fructífero gracias a este efecto de la temperatura (Lucaioli y otros, 2000).

Disminución del tamaño de grano.

Los bordes de grano son dis-continuidades en la red cristalina. El ordenamiento de los átomos allí no tiene la regularidad característica del interior de los cristales. Constitu-yen por lo tanto los bordes de grano barreras para el movimiento de las dislocaciones y, como tales, endure-cen al metal. Cuanto más pequeño es el tamaño de grano, más bordes hay en un volumen dado y, por lo tanto, más resistente es el metal. Esto ha sido estudiado por Hall y Petch, como ya se ha indicado al principio de este trabajo, y ha dado lugar a la ecuación que se ha hecho famo-sa como la ley de Hall y Petch que vincula la tensión de fluencia de un metal con el tamaño de grano del mismo: σy = σ0 + k .d -1/2

Donde:

σy = tensión de fluencia del metal

σ0 = resistencia de la red al des-plazamiento de las dislocaciones

k = factor que depende del metal

En muchos aceros de bajo carbo-no hay una tercera posibilidad co-nocida como fluencia discontinua.

Los datos que provee el ensayo de tracción del material investiga-do bajo un simple esfuerzo uniaxial da un amplio panorama de las pro-piedades del mismo. Con ellos se puede caracterizarlo y obtener in-formación válida para el diseño de herramientas y del proceso para el conformado de las piezas.

Al alargarse el material, la sec-ción transversal del mismo dismi-nuye. O sea, la fuerza se está apli-cando sobre una sección transversal cada vez más pequeña. Este efecto se conoce como ablandamiento geométrico. Quiere decir que en el estirado de una chapa, existen dos fenómenos contrapuestos: Endu-recimiento físico y ablandamiento geométrico. Al principio, el endu-recimiento supera al ablandamien-to, poco a poco se van igualando y cuando esto sucede, se produce lo que se llama una inestabilidad plás-tica. Varía el estado de tensiones, hasta ese momento uniaxial, cam-bia el sistema de deformación, que de general pasa a ser localizado, se produce lo que se conoce como la estricción, la carga empieza a caer y la estricción a ser cada vez más pronunciada hasta que tiene lugar la rotura de la probeta. La tensión máxima se denomina resistencia a la tracción.

Hasta aquí, los hechos. Es impor-tante analizar la contribución que puede hacer la metalurgia física en la comprensión de los mismos para poder controlarlos y, eventualmen-te, modificarlos. Para ello, analiza-remos dos de los temas en los que la metalurgia física ha contribuido, ya que hacen a características im-portantes del material de partida, la chapa a ser conformada: los me-canismos de endurecimiento y de

ablandamiento de los metales.

4. MECANISMOS dE ENdURE-CIMIENTO dE LOS METALES

Analizaremos en este punto las distintas posibilidades que existen para aumentar la resistencia me-cánica de los metales no aleados y de las aleaciones metálicas que son necesarias por razones estructurales, de reducción de peso, o cuando se necesita una alta capacidad de esti-ramiento, donde es conveniente un buen grado de relación de endureci-miento. Algunas de estas posibilida-des se pueden encontrar en los me-tales a los que no se han agregado elementos aleantes, llamados “pu-ros” aunque no lo son estrictamente hablando. En la mayor parte de los casos, sin embargo, se recurre a la adición de otros elementos, con los que se forman las llamadas “alea-ciones metálicas”, que amplían las posibilidades de mejorar las propie-dades mecánicas.

Cabe señalar que los mecanis-mos que se analizan a continua-ción para endurecer los metales no aleados son también aplicables a las aleaciones metálicas.

a) Metales no aleados.

Hay básicamente tres mecanis-mos a los que se puede acudir para endurecer un metal no aleado (Iur-man, 1986).

- Variación de temperatura

- Disminución de tamaño de gra-no

- Deformación en frío

Variación de temperatura.

Ya hemos visto que algunos me-tales presentan variaciones alotrópi-cas, o sea cristalizan con diferentes


d = diámetro medio de los granos (se entiende como tamaño medio)

La relación de Hall y Petch ha dado lugar a muchos desarrollos. Esto se debe a que, lamentablemen-te, en los metales existe una relación inversa entre resistencia mecánica y ductilidad (incluida la tenacidad). A mayor resistencia, menor ductilidad y tenacidad, y viceversa. Este me-canismo de endurecimiento, la dis-minución del tamaño de grano, es el único que aumenta la resistencia mecánica sin sacrificar ductilidad y aumenta también la tenacidad. Ha constituido por lo tanto la base del desarrollo de los aceros microalea-dos de alta resistencia y baja alea-ción, conocidos por su sigla en in-glés, HSLA Steels (“High Strength Low Alloy Steels”).

El tamaño de grano influye sobre

la tensión de fluencia pero no altera significativamente la resistencia a la tracción. Un tamaño de grano re-lativamente grande (no demasiado) resultará en una tensión de fluencia menor y por lo tanto es preferible en aceros para estampado. Existe un límite en este caso: Si el grano es demasiado grande, al deformarse la pieza presentará una rugosidad superficial, conocida como “piel de naranja”, totalmente indeseable.

Por lo visto hasta aquí, el tamaño de grano de un acero para confor-mado deberá ubicarse entre ciertos límites. En los aceros, de acuerdo con la Norma ASTM E-112, elabora-da por la asociación norteamericana de estandarización de ensayos de materiales conocida como ASTM, se suele identificar el tamaño de grano mediante un número N que resulta de la relación siguiente, en la cual

los aumentos son la amplificación de la imagen cuando la observación se hace con un microscopio:

Cantidad de granos por pulgada cuadrada a 100 aumentos = 2N – 1

O sea, el número N es mayor cuanto menor es el tamaño de gra-no. Los tamaños de grano usuales en los aceros van de 1 a 8 y el ideal para los aceros aptos para conforma-do está entre 6 y 7. Se ve claramente como los principios de metalurgia física van delineando los parámetros en los cuales se encuentran las ca-racterísticas de estos aceros, ver Fi-gura 7 (Krauss, 2005).

Deformación en frío.

Ya se ha señalado que durante la deformación en frío aumenta la can-tidad de dislocaciones, lo que difi-

Figura 7. Contribución de diferentes mecanismos de endurecimiento en la tensión de fluencia de los aceros. Krauss (2005). Yield strength – Tensión de fluencia. ASTM grain size number – Número ASTM de tamaño de gra-no. Matrix strength – Resistencia de la matriz. Solid solution – Solución sólida. Ferritic grain-size – Tamaño de grano ferrítico. Mild steels – Aceros blandos. HSLA steels – Aceros de alta resistencia y baja aleación.


culta su desplazamiento y así endu-rece al metal. En forma simultánea, disminuye su capacidad para ser de-formado sin romperse. Es lo que se muestra en la Figura 8.

Al mismo tiempo que esto ocu-rre, en el interior de los granos me-tálicos, la multiplicación y agrupa-miento de las dislocaciones provoca una segmentación en la red cristali-na y se generan subgranos, de orien-taciones levemente distintas entre vecinos, separados por regiones de

alta concentración de dislocaciones conocidas como “marañas”. Es lo que se muestra en la Figura 9 y tiene mucho interés en el estudio de los mecanismos de ablandamiento que se analizarán más adelante.

Los metales no aleados son en general relativamente blandos. Los mecanismos de endurecimiento vis-tos hasta aquí presentan limitaciones en cuanto a la resistencia mecánica posible de alcanzar y como se men-cionó en la introducción estaban re-

feridos a la fabricación de productos de la industria automotriz previa a las modernas exigencias de dismi-nución del peso de los vehículos y seguridad de los pasajeros y la de electrodomésticos. En ellos se usan fundamentalmente aceros no alea-dos. Pero además, el conformado y sus leyes son aplicados en un campo metálico mucho más amplio, no tan voluminoso pero importante y nece-sario. Los aceros inoxidables tienen cada vez más aplicaciones generales siendo muchas de ellas piezas es-tampadas. Las aleaciones especiales como las de titanio de la industria aeronáutica también requieren del conformado como proceso de fa-bricación. Es por ello que se recu-rre a las aleaciones metálicas, que son aleaciones de metales con otros elementos, pero conservando las características de uniones atómicas propias de los metales.

Se pueden distinguir dos grandes grupos de aleaciones metálicas, en-tre otros:

- Soluciones sólidas

- Aleaciones de dos o más fases

Antes de proseguir, y puesto que ya aparece el término, conviene

Figura 8. Comportamiento de los metales en función de la cantidad de deformación en frío. Iurman (1986).

Figura 9. Estructura de un metal deformado en frío. Iurman (1986).


aclarar el concepto de fase. En Física se entiende por fase a toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es físicamente ho-mogénea dentro de sí misma y limi-tada por una superficie, de tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción (Askeland, 2004).

b) Aleaciones por solución sóli-da.

Es posible introducir átomos di-ferentes en la red cristalina de un elemento puro. Se habla de solucio-nes sólidas por similitud de lo que ocurre cuando se disuelve un sólido en un líquido. Una solución sólida constituye una fase, puesto que una vez que el átomo B está en una red de átomos A, ya no es posible me-talúrgicamente volver a separarlos y se considera a esa solución como físicamente homogénea.

Los átomos B (soluto) pueden entrar en la red de los A (solvente) de dos maneras distintas: ocupando lugares de la red correspondientes a los átomos A o bien ocupando los intersticios o “huecos” de esa red. En el primer caso se habla de solu-ciones sólidas sustitucionales. En el segundo, se forman lo que se cono-

ce como soluciones sólidas intersti-ciales.

Existen leyes que regulan una situación o la otra, pero en general podemos decir que átomos de so-luto mucho más pequeños que los del solvente formarán soluciones sólidas intersticiales (carbono y ni-trógeno en los aceros), mientras que los de tamaños similares darán lugar a soluciones sólidas sustitucionales (manganeso, silicio, níquel, cromo, etc.). En la Figura 10 se ilustran en forma esquemática redes cristalinas con solutos intersticiales y sustitu-cionales.

En general, las soluciones sólidas son más duras (o sea más resisten-tes) que los metales puros. Si bien el tema es bastante más complejo, en principio esto se explica por el hecho de que los átomos de soluto, tanto sustitucionales como inters-ticiales, deforman la red cristalina en la que están disueltos. En el caso de los sustitucionales, el lugar que ocupan es o más grande o más pe-queño que el del átomo del solven-te. En cuanto a los intersticiales, por lo común el intersticio en la red es más pequeño que el radio atómico del soluto. La deformación de la red, en ambos casos, genera tensiones

alrededor del soluto que dificultan el desplazamiento de las disloca-ciones, y por lo tanto endurecen al metal. Como es de prever, el endu-recimiento será función del tipo de soluto (por los tamaños relativos, entre otras cosas) y de la concentra-ción de soluto. Es lo que muestra en la Figura 11.

Los solutos intersticiales endure-cen más que los sustitucionales Es el caso del carbono y del nitrógeno en los aceros. Además de la razón mencionada, en este caso existe un efecto adicional. Los solutos distor-sionan siempre a la red del solvente. Esta distorsión es menor si la red ya está distorsionada. Es lo que ocurre en proximidades de las dislocacio-nes. Por este motivo y volviendo a los aceros, el carbono y el nitrógeno no aleados presentes en el acero se ubican en cercanías del núcleo de la dislocación, como se muestra en la Figura 12. Y se produce un efecto de “anclaje” de la dislocación que obliga a ejercer un esfuerzo mayor para moverla y deformar al metal. Este posicionamiento de los solutos se conoce como “atmósferas de Co-ttrell” y tiene una gran importancia tecnológica por dar lugar al enveje-cimiento por deformación, que ha sido y es un dolor de cabeza muy

Figura 10. Átomos sustitucionales (a) e intersticiales (b) en una red cristalina. Iurman (1986).


elemento aleante. Hablamos de sis-temas bi o multifásicos. En el caso de los aceros para conformado, los compuestos más comunes son los carburos, nitruros y carbonitruros. Por semejanza con el ejemplo de la sal y el azúcar, que cuando se sobre-pasa la solubilidad van al fondo del recipiente que contiene la solución, se dice que las nuevas fases precipi-tan en el seno de la fase madre.

Al igual que los solutos, las se-gundas fases constituyen obstáculos para el desplazamiento de las dislo-caciones y por lo tanto endurecen al metal (Reed-Hill, Abbaschian, 1994). Pero además, las segundas fases pueden formar en el interior de la aleación regiones con propieda-des mecánicas diferentes a las ori-ginales. Por este motivo, el compor-tamiento mecánico de una aleación metálica formada por dos o más fa-ses depende de:

- La naturaleza dúctil o frágil y la cantidad de las fases presentes

- La distribución de las mismas

- El tamaño y la forma de las fases

En la Figura 13 se muestran las distintas configuraciones que puede adoptar una aleación bifásica (Sa-chs, 1954).

Como ejemplo de la influencia de la cantidad y forma de las fases presentes, en la Figura 14 se muestra la resistencia mecánica de un acero que contiene carburos en forma de láminas con diferentes espaciados y/ o globulares (Sachs, 1954).

En cuanto a la influencia del ta-maño de las partículas de precipi-tado en la resistencia mecánica de un acero, la Figura 15 ilustra este aspecto. Por esto se suele decir que cuando una partícula de precipitado es visible en el microscopio óptico, Figura 12. Formación de atmósferas de Cottrell. Pero Sanz (2000).

Figura 11. Influencia de los elementos en solución sólida sobre los cam-bios en la tensión de fluencia de los aceros ferríticos de bajo carbono. Bramfitt (1997). Change in yield stress – Cambio en la tensión de fluencia. Alloy content – Contenido de la aleación.

grande para los involucrados en la fabricación y uso de las chapas de acero para conformado. Lo analiza-remos más adelante.

b) Aleaciones con segundas fases.

Al igual que el azúcar en el café y la sal en el agua, la solubilidad de un elemento en otro está en general limitada en las aleaciones metálicas. El soluto distorsiona la red, esto re-quiere una cierta energía y en algún momento el sistema opta por formar compuestos entre el metal base y el


su efecto dista de ser el más efectivo (Ginzburg, 1989).

5. FLUENCIA dISCONTINUA y ENVEJECIMIENTO POR dEFOR-MACIÓN

En los aceros de bajo carbono utilizados para operaciones de con-formado se presenta un fenómeno, conocido como fluencia discon-tinua, que ha sido y es, un verda-dero problema para productores y usuarios de este material, como ya indicáramos en su momento. Se trata de la fluencia discontinua, que se produce durante el estirado de una chapa. Como se muestra en la Figura 16, la tensión aumenta en

Figura 13. Estructuras representativas de aleaciones metálicas bifásicas. Sachs (1954).(a) Estructura heterogénea básica: Cristales separados de cada fase(b) Segunda fase dispersa en la matriz de la primera(c) Segunda fase sobre borde de grano de la primera(d) Segunda fase en ristras(e) Mezcla de ambas fases en colonias granulares (eutécticos, eutectoides)(f) Granos de una fase y colonias de ambas fases

Figura 14. Resistencia a la deformación en función del logaritmo del cami-no medio de ferrita en aceros con distribución de carburos laminares y del tamaño de los carburos esferoidales. Iurman (1986).

Perlita eutectoide

Esferoidita

Perlita hipoeutectoide

Log. del camno medio libre de ferrita

Tens

ión

a 0,

2 de

def

orm

ació

n, k

gf/m

m2


rango elástico hasta un cierto valor, llamado punto de fluencia superior, luego cae y oscila alrededor de un valor menor que se conoce como punto de fluencia inferior, en el cual tiene lugar una cierta cantidad de deformación, para retomar después la curva normal de endurecimiento (Iurman, 1986). Mientras la carga os-cila alrededor del punto de fluencia inferior, en la superficie de la cha-

pa aparecen unas bandas, llamadas bandas de Luders, que se muestran en la parte izquierda de la figura.

Las bandas de Luders no alteran las características mecánicas de la chapa, pero sí afean su superficie. Son por lo tanto inaceptables si esa superficie estará expuesta en el producto conformado. Se pueden corregir si, previo al estampado del

producto final, la chapa es deforma-da entre rodillos que aplanan esos defectos. El problema es que si pasa un tiempo no demasiado prolonga-do entre esa operación y el confor-mado, las bandas vuelven a apare-cer. Por este motivo, al fenómeno se lo conoce como “envejecimiento por deformación” (strain aging). Es lo que se puede ver en la Figura 16. Si se descarga la probeta ensayada y se vuelve a cargar inmediatamente, no aparece la fluencia discontinua en esta recarga. Pero si se descarga y se espera un cierto tiempo (algunos días), el fenómeno reaparece, y las bandas también.

¿A qué se debe este fenómeno y cómo evitarlo? Uno de los primeros logros de la Metalurgia Física fue, justamente, explicarlo y por ende brindar los elementos para resolver-lo.

Se ha visto que los solutos, y es-pecialmente los intersticiales, tienen predilección por ubicarse en las proximidades de las dislocaciones y anclarlas. En el caso del acero de bajo carbono, los dos elementos más activos en este sentido son el carbo-no y el nitrógeno (Rigaut, G., 1996). Los dos se encuentran normalmente disueltos en estos aceros, provenien-

Figura 15. Influencia de la fracción y del tamaño de las partículas de pre-cipitado sobre el endurecimiento por precipitación, según el modelo de Ashby-Orowan, comparado con observaciones experimentales para cier-tas adiciones de microaleación (Microalloying ’75). (Ginzburg, 1989).

Figura 16. Efecto del envejecimiento por deformación sobre la curva Carga – Alargamiento en el ensayo de trac-ción de un metal con fluencia discontinua (izquierda); Bandas de Luders en una probeta de acero (derecha). Iurman (1986).

Alargamiento

Carga


tes de su proceso de elaboración. Al anclar las dislocaciones, hacen que sean necesarios esfuerzos mayo-res para moverlas. Una vez que se ha alcanzado ese esfuerzo mayor y se desbloquean, se pueden mover bajo la acción de esfuerzos meno-res, y por eso la carga disminuye. Se produce la oscilación de tensiones alrededor de la tensión de fluencia inferior y allí es cuando aparecen las bandas. Cada banda nueva produce una leve disminución de la tensión y poco a poco las bandas cubren toda la superficie de la probeta. A partir de allí, se retoma el endurecimiento sostenido habitual y desaparece el defecto superficial. La explicación de la formación de las bandas es un tanto más compleja, pero está vinculada con lo que acabamos de indicar. La deformación que sigue a la que se produce en el rango de la fluencia discontinua hace que las dislocaciones estén alejadas de los solutos. Pero si se descarga la probe-ta y se deja un cierto tiempo, los so-lutos se moverán en el interior de la red cristalina mediante un proceso conocido como difusión para volver a ubicarse en cercanías de las dislo-caciones y las volverán a anclar. La causa de esta difusión es que con la nueva configuración de proximidad soluto-dislocación, la energía del sistema es menor. En Física, todos los sistemas tienden a evolucionar a niveles de menores energías, siem-pre que se les dé tiempo y tempera-tura suficientes para hacerlo. En este caso, el tiempo es de algunos días a temperatura ambiente, o menos a temperaturas mayores. A 100 °C, por ejemplo, con media hora es sufi-ciente para que los solutos vuelvan a anclar a las dislocaciones (Cusmins-ky y otros, 1973).

Las soluciones para este proble-ma son entonces dos: Se eliminan los solutos o se los combina con al-

gún otro elemento para formar com-puestos, a los que les resulte prácti-camente imposible difundir a través de la red.

La primera solución apuntó a dis-minuir el contenido de solutos. Dio lugar a aceros cada vez más bajos en contenido de estos elementos. Esta solución presenta dos proble-mas: Es muy difícil y costoso obte-ner aleaciones con elevados grados de pureza. En lo que respecta al carbono, se desarrollaron aceros de bajo y de ultra bajo carbono. En el caso del nitrógeno, se necesitan ins-talaciones especiales en la sección acería para bajar su contenido en el acero. El segundo problema ya se ha mencionado: que los metales puros son relativamente blandos. Por lo tanto, para obtener la necesaria re-sistencia mecánica en un producto de acero de muy bajo carbono es necesario aumentar el espesor de la chapa, con ello el peso y por ende el consumo de combustible en el caso de vehículos. De todas maneras, hay productos en los que esta solución es válida.

La segunda solución, combinar el soluto con algún otro elemento, se logró, entre otras tecnologías, me-diante el aluminio. En alguna parte del proceso de fabricación del acero se desoxida el metal líquido, para que no se produzcan efervescencias durante la solidificación. Se llama calmado del acero (killing en inglés). Cuando este calmado se lleva a cabo con aluminio, se forma nitruro de aluminio y esto quita parte de ese soluto que actuaría como lo descri-to en la fluencia discontinua si es-tuviera en estado atómico. También se están utilizando otros elementos para formar compuestos con el car-bono y con el nitrógeno, entre ellos el titanio.

6. PROCESOS dE AbLANdA-MIENTO. RECUPERACIÓN. RE-CRISTALIZACIÓN

En el Punto anterior hemos se-ñalado que la deformación plástica endurece los metales y los fragiliza. La causa principal es la multiplica-ción de defectos cristalinos, como son las dislocaciones. Dado que las dislocaciones son defectos térmica-mente inestables, su multiplicación aumenta la energía interna del sis-tema. Para ablandar al metal endu-recido por trabajado, se lo somete a un tratamiento térmico conocido como recocido contra acritud o de recristalización.

Antes de seguir, es necesario aclarar que existen muchos trata-mientos conocidos como de recoci-do en los aceros. En general, son tra-tamientos con cambios de fase, en los que mediante un calentamiento se provoca el cambio de la ferrita en austenita. Ésta es luego enfriada en diferentes condiciones y en el reco-cido esas condiciones hacen que el acero se ablande y recupere total o parcialmente la ductilidad perdida.

El caso del recocido de recrista-lización es diferente, por cuanto el ablandamiento se consigue sin cam-bio de fase, o sea sin superar la tem-peratura de transformación ferrita-austenita.

En la Figura 17 se muestra lo que ocurre con ciertas propiedades y con la estructura de un metal de-formado en frío cuando el mismo es calentado a temperaturas crecientes por debajo de la crítica de transfor-mación ferrita-austenita (Callister Jr., 1984).

El metal deformado tiene una alta resistencia mecánica, poca ductili-dad, elevada energía interna y una


estructura de granos alargados en la dirección de la deformación previa. En el calentamiento de ese metal, se distinguen tres etapas: Recuperación – Recristalización – Crecimiento de grano. Analizaremos brevemente lo que ocurre en cada una.

a) Recuperación.

El nombre de recuperación de esta etapa se debe a que, al calentar el metal, algunas propiedades, tales como la resistencia eléctrica y la

corrosividad, recuperan sus valores originales. Ni la resistencia mecáni-ca ni la ductilidad se alteran sensi-blemente. Mediciones de energía interna indican que la misma dismi-nuye. La microestructura de granos alargados no sufre modificaciones de forma.

¿Qué ha pasado? Las redes crista-linas, además de defectos como las dislocaciones ya vistas, presentan otros, entre ellos las vacancias, que son sitios de la red no ocupados por

átomos. Se demuestra en Metalurgia Física que las vacancias son defec-tos que están en equilibrio termodi-námico y que aumentan en cantidad con la temperatura. La presencia de vacancias permite que la disloca-ción se mueva de un plano a otro mediante un movimiento no conser-vativo conocido como trepado. Al cambiar de plano, una dislocación se puede combinar con otra de signo opuesto. Se distinguen dislocacio-nes de signo opuesto cuando el pla-no extra (Ver Figura 5) de una está en la parte superior y el de la otra, en la inferior. Al combinarse, se anulan los dos defectos puesto que ahora la red está completa. Por esa razón se atraen dislocaciones de signos distintos. Pues bien, al anularse de este modo una cantidad considera-ble de dislocaciones (Figura 18), los planos deformados recuperan parte de su configuración (Iurman, 1986). Un análisis con microscopía óptica no detecta cambios importantes en la microestructura, que sigue siendo de granos alargados.

b) Recristalización.

A temperaturas más elevadas se produce un fenómeno diferente. La resistencia mecánica baja con tem-peraturas crecientes y la ductilidad aumenta. Al mismo tiempo, si se observa la microestructura se nota la aparición de granos nuevos, aproxi-madamente equiaxiales, que tienen un aspecto más “limpio” desde el punto de vista metalográfico Esto se debe a que tienen muchas me-nos dislocaciones y se restauraron las propiedades mecánicas previas a la deformación en frío. Este fenó-meno se denominó recristalización, porque se creía que la deformación plástica había deteriorado tanto los cristales metálicos que los mismos ya no se podían definir como cris-tales ordenados. Con temperaturas crecientes, la recristalización se va completando hasta que todos los

Figura 17. Fenómenos que se producen al calentar un metal deformado en frío. Callister (1994). Annealing temperature - Temperatura de recocido. Tensile Strength – Resistencia a la tracción. Ductility (% El) – Ductilidad (% Alargamiento). Recovery – Recuperación. Recrystallization – Recris-talización. Grain growth – Crecimiento de grano. Cold worked and re-covered grains – Granos deformados en frío y recuperados. New grains – Granos nuevos. Grain size – Tamaño de grano.


granos son nuevos. El mecanismo que opera durante la recristaliza-ción es el siguiente. Habíamos visto que durante la deformación plástica el interior de los granos se va frag-mentando entre zonas de muy alta concentración de dislocaciones, que llamamos “marañas”, y otras más “limpias” que dan lugar a los subgranos. Si alguna de estas zonas más limpias tiene un límite con la

adyacente plena de defectos y ese límite se puede desplazar sobre esta última, dará lugar a una región con mucha menos energía. Esta región se convierte en un embrión o nú-cleo del nuevo grano recristalizado (Jonas y otro, 1976). La diferencia con la recuperación es que ya no se aniquilan las dislocaciones una a una. El barrido es total y tiene como efecto producir una estructura com-

pletamente nueva (Figura 19). Se trata de un fenómeno de los que en Metalurgia Física se denominan tér-micamente activados porque depen-den de la temperatura y del tiempo.

Los parámetros que intervienen en la recristalización, y que es con-veniente conocer para poder contro-larlos, son:

Figura 18. Recuperación y poligonización. Iurman (1986).

Figura 19. Mecanismo de recristalización. Jonas (1976). High misorientation boundary formed by deformation – Borde de gran diferencia de orientación formado por la deformación. Boundary migrates – El borde migra. Re-crystallization nucleus – Núcleo de recristalización.


- Cantidad de deformación en frío previa

- Composición química

- Temperatura

- Tiempo

Cantidad de deformación en frío previa.

La fuerza impulsora para que se produzca la recristalización es la energía interna proveniente de la deformación plástica sufrida por el metal. Cuanta más energía interna almacenada exista en el seno de los cristales deformados, más fácilmen-te se producirá la recristalización.

Composición química.

Los metales puros recristalizan a temperaturas más bajas que los aleados. Esto se debe a que la recris-talización tiene lugar por desplaza-miento de bordes de granos. Tanto los solutos como los compuestos precipitados tienen preferencia por alojarse en proximidades de los bor-des de granos, dificultando así su movimiento.

Temperatura.

Al ser la recristalización un fenó-meno térmicamente activado, a ma-yor temperatura será más fácil tanto la nucleación como el crecimiento de los nuevos granos.

Tiempo.

Todos los fenómenos que invo-lucran difusión, como la recristali-zación, requieren un cierto tiempo para iniciar y para completarse. El tiempo necesario para iniciar su aparición se conoce como tiempo de incubación.

Temperatura de recristalización.

Puesto que existen tantos pará-metros que intervienen en este fe-nómeno, resulta difícil definir una temperatura de recristalización. Se ha elegido la siguiente:

Se define como temperatura de recristalización a aquélla en la cual un metal severamente deformado en frío recristaliza en una hora.

Cabe aclarar que de las dos va-riables mencionadas, temperatura y tiempo, la primera es mucho más importante que la segunda. En efec-to, aumentar la temperatura en diez grados centígrados equivale a dismi-nuir a la mitad el tiempo necesario para completar la recristalización, a igualdad de los otros parámetros.

En general, la temperatura de re-cristalización de los metales está en el orden de la mitad de su tempe-ratura de fusión, expresadas ambas en grados absolutos. Esto hace que en los aceros esta temperaturas esté ubicada alrededor de los 600 – 650 °C. Por esto se habla de un trata-miento subcrítico, o sea se produce sin cambio de fase de ferrita a aus-tenita.

En la fabricación de aceros para conformado, esto da lugar a que, luego de la etapa de laminación en frío, se proceda a un recocido del material en atmósfera protectora para evitar su oxidación, en hornos llamados de campana, a temperatu-ras comprendidas entre 600 y 700 °C.

7. ORIENTACIONES PREFERI-dAS O TEXTURAS CRISTALOGRÁ-FICAS

En el Punto 3 se ha indicado que los metales deforman plásticamente por deslizamiento de unos planos sobre otros. De aquí resulta inmedia-tamente que será más fácil que des-licen los planos que están más aleja-

dos entre sí. Suelen ser los más com-pactos en una estructura cristalina. Falta decir que, además, estos pla-nos deslizan preferentemente según determinadas direcciones, también las más compactas. La existencia de planos y direcciones preferenciales de deslizamiento indica que la de-formación plástica no es isótropa, o sea no se produce del mismo modo en todas las direcciones del cuerpo. Para acomodar la deformación que se va produciendo, sin que se pro-duzcan discontinuidades en la pie-za, se demuestra que ciertos planos y direcciones cristalinas deben rotar y orientarse en algunas direcciones especiales, llamadas orientaciones preferidas.

Se identifican las orientaciones preferidas, que dan lugar a lo que se conoce como textura, a aquéllas direcciones en las cuales es posible encontrar una densidad de determi-nados planos y/o direcciones crista-lográficas mayor a la que correspon-dería a una distribución al azar. Las orientaciones preferidas hacen que el metal se deforme más fácilmen-te en determinadas direcciones que en otras, o sea, que sus propiedades mecánicas no sean isótropas, como se postula en un primer análisis sim-plificado de la Mecánica del Conti-nuo (Figura 20).

Es ahora el momento para expli-car la aparición y la importancia del factor de anisotropía R o parámetro de Lankford, mencionado al princi-pio de este trabajo y que constituyó un avance importante en el desa-rrollo de la producción y uso de los aceros para estampado.

En un ensayo de tracción de una tira metálica, la tensión es uniaxial (hasta la estricción). Tomemos ésa como la dirección longitudinal. En las dos direcciones, transversal y se-gún el espesor, los esfuerzos aplica-dos son nulos. A pesar de ello, en


esas dos direcciones sí habrá defor-mación. Y dado que en las direccio-nes transversal y en el espesor los es-tados de tensiones son iguales (cero), en un material isótropo las deforma-ciones también deberán ser iguales. Si no lo son, es porque el material no es isótropo. Es lo que se indica con el factor R (Hosford, 1993). Durante el ensayo (esto está normalizado), se miden las deformaciones en ancho y en espesor de la probeta y se re-lacionan entre sí: R = deformación en ancho/deformación en espesor. Cuanto mayor es el valor de R, más difícil será que el espesor de la cha-pa disminuya para una deformación en ancho dada. Es justamente lo que se necesita para que en el embuti-do profundo la pared del recipiente que se va formando no adelgace y rompa (Figura 21). Por eso, un buen acero para embutido profundo será aquél que tenga un alto valor de R. El acero de embutido extra profundo EDD tiene un valor de R = 1,7 – 2.

Lo anterior da una pista para fa-bricar chapas de acero aptas para el embutido profundo. En estas chapas, la aparición de una determinada textura está influenciada por la de-formación del metal y por su com-posición química. Las etapas del proceso de fabricación de chapas de

Figura 21. Probeta usada en la determinación del parámetro de anisotropía R (izquierda); Copa embutida en el ensayo Swift (Laboratorio de Metalurgia UNS). Izquierda, (Hosford 1993).

Figura 20. Efecto de la dirección cristalográfica sobre la resistencia de un cristal y ejemplo de una orientación preferida en una chapa metálica. Zu-liani (1988). Direction of Least strength – Dirección de resistencia mínima. Direction of Intermediate Strength – Dirección de resistencia intermedia. Direction of Greatest Strength – Dirección de resistencia máxima. Effect of Orientation on the Strength of a Crystal – Efecto de la orientación sobre la resistencia de un cristal. Cube on Corner orientation (Cube diagonal nor-mal to plane of strip surface – Orientación cubo de canto (Diagonal del cubo normal al plano de la superficie de la chapa.


acero comprenden básicamente:

Fusión y colada – laminación en caliente –laminación en frío – reco-cido

Se ha encontrado que si en el re-cocido de la chapa laminada en frío, el nitruro de aluminio, un compues-to formado por el nitrógeno presen-te en el acero en su estado líquido y por el aluminio que se le agrega para mejorar sus propiedades mecá-nicas, precipita durante el recocido del metal deformado antes o por lo menos en forma simultánea con la recristalización, el acero resultante tendrá una textura favorable. Todo el proceso de fabricación de la chapa, entonces, desde este punto de vis-ta, debe estar orientado a este fin. Se empieza por desoxidar el acero fundido con suficiente cantidad de aluminio, que debe mantenerse en solución sólida durante todo el pro-ceso hasta precipitar en la etapa de recocido. Ha sido éste un logro im-portante de la Metalurgia Física en la fabricación de chapas de acero con buena conformabilidad. Los proce-sos de fabricación más modernos han incorporado otros parámetros,

como se analizará más adelante.

8. ASPECTOS MOdERNOS dE LA FAbRICACIÓN y USO dE LAS CHAPAS dE ACERO PARA CON-FORMAdO

En los últimos cuarenta años han surgido aspectos nuevos en el cam-po de los aceros para conformado.

En primer lugar, la economía de producción ha impuesto un cambio en el proceso de fabricación de estas chapas. El más significativo ha sido el recocido continuo. El tratamiento en hornos de campana, como se ha descrito anteriormente, es un proce-so muy lento, de poca productivi-dad. Se necesitan varios días para re-cocer las grandes bobinas laminadas en frío, que pueden pesar hasta diez toneladas. En el recocido continuo, en cambio, la chapa pasa por el pro-ceso a velocidades del orden de los metros por segundo.

En el Punto referente a la recris-talización, se ha visto que el fenó-meno depende de la temperatura y del tiempo. Para hacerlo tan rápido, fue necesario aumentar la tempe-

ratura, por encima de la crítica de transformación de la ferrita. Ya no hay tiempo entonces, entre otras cosas, de hacer precipitar al nitruro de aluminio para obtener una buena textura. Además, si ese nitruro pre-cipita después del recocido, induce un envejecimiento por deformación (strain aging) y fluencia discontinua, con todo lo que esto conlleva y que ha sido analizado.

De ahí que al principio los ace-ros de recocido continúo se consi-deraran como de segunda calidad. Investigaciones en el campo de la Metalurgia Física lograron mejorar este aspecto, y los conocimientos adquiridos fueron incorporados en las plantas siderúrgicas a través de instalaciones de alta complejidad tecnológica y por consiguiente muy costosos, que sólo se justifican para fabricar aceros de calidad en gran-des volúmenes.

En segundo lugar, la crisis ener-gética, las regulaciones referentes a las emisiones gaseosas de los vehí-culos y las concernientes a la seguri-dad de los pasajeros, han cambiado la concepción del diseño de los ve-

Figura 22. Zonas de interés para el choque de un vehículo. Keeler (2017). Crumple Zone – Zona de contracción. Safety cage – Caja de seguridad.


hículos, Figura 22 (Demeri, 2013). El acento ya no está puesto sólo en la conformabilidad de la chapa. Ahora se exige resistencia mecánica para disminuir el peso y tenacidad para absorber impactos como los que se producen en un choque (Keeler, 2017).

9. AVANCES dE LA METALUR-GIA FíSICA QUE CONdUJERON AL dESARROLLO dE LOS ACEROS MOdERNOS PARA ESTAMPAdO

Se pasará reseña a los concep-tos fundamentales que posibilitaron el desarrollo de diferentes tipos de aceros de alta resistencia y condi-ciones mejoradas de ductilidad y tenacidad. Se recuerda que lamen-tablemente los metales en general pierden ductilidad cuanta más alta es su resistencia mecánica.

a) Transformaciones de fase fue-ra de equilibrio en los aceros.

El conocimiento de las fases de equilibrio presentes en los aceros es muy familiar para quienes se in-teresan en la fabricación y/o uso de

los aceros (Chiaverini, 1985). El gran desarrollo de los últimos tiempos en el campo de los aceros para confor-mado fue, por el contrario, aplicar los conocimientos de las transfor-maciones y fases en condiciones de no-equilibrio que permiten obtener mejores piezas finales. Se revisarán brevemente en lo que sigue.

b) Curvas de precipitación de fases en el enfriamiento de la aus-tenita.

Antes de analizar lo que ocu-rre cuando se enfría la austenita en condiciones de no equilibrio, es conveniente distinguir dos tipos de transformaciones conocidas en me-talurgia:

- Transformaciones de fase con difusión atómica

- Transformaciones sin difusión

Las primeras son térmicamen-te activadas, y por lo tanto depen-den de la temperatura y del tiempo, mientras que las segundas son fun-ción de la temperatura, pero se pro-

ducen en forma instantánea.

En las primeras, las transforma-ciones de una fase en otra se produ-cen con una cierta inercia.

Es lo mismo que si enfriamos rá-pidamente un recipiente con agua por debajo de cero grados centígra-dos. El hielo tarda en aparecer. Hay una inercia a la transformación. De la misma forma, manteniendo el acero, inicialmente en fase austeni-ta, a la temperatura a la que se en-frió, con el tiempo empieza a produ-cirse la transformación de la austeni-ta, que va desapareciendo. El tiempo que tarda en comenzar la transfor-mación depende de la temperatura y puede graficarse en un diagrama temperatura-tiempo. También pue-de graficarse para cada temperatu-ra, el tiempo que transcurre hasta que finaliza la transformación y no queda más austenita (todo es hielo, no queda más agua en el símil del comportamiento del agua que usa-mos para facilitar la comprensión del fenómeno). Las curvas obtenidas se conocen como Curvas de preci-pitación o, por su forma, Curvas C.

Figura 23. Curvas de transformación de la austenita. Krauss (2005). Isothermal temperature – Temperatura isotér-mica. Time – Tiempo. Start – Comienzo. Finishes – Termina. Region of Incomplete Reaction – Región de reacción incompleta.


Entre ambas curvas coexisten la fase inicial y las fases finales. Estas cur-vas son características de todas las transformaciones de fase térmica-mente activadas. Figura 23.

Las formación de las nuevas fa-ses en estas transformaciones tienen dos etapas: Nucleación y crecimien-to (Valencia Giraldo, 1998), y esas dos etapas son las responsables de esa forma C de la curva de transfor-mación.

El fenómeno es complejo, pero a modo de resumen, se puede decir que a medida que las transformacio-nes se producen a menores tempe-raturas, dan lugar a estructuras más finas y más resistentes. Además, se-gún las condiciones del tratamiento, la austenita se puede transformar en lo que se conoce como perlita (Ver Glosario) estructura laminar de ferita y carburo de hierro o en una estruc-tura diferente de agujas de carburo de hierro, la bainita (Ver Glosario). Los elementos aleantes en los aceros desplazan de diferente modo hacia tiempos más prolongados tanto las transformaciones perlíticas como las bainíticas. Es por lo tanto posible,

mediante una adecuada selección de la composición química del ace-ro, obtener un tipo de estructura u otro. Es lo que se muestra en la parte derecha de la Figura 23.

La bainita es más resistente que la perlita y una de sus variedades, la bainita inferior, es más tenaz. La per-lita está formada por láminas para-lelas de ferrita (blanda) y cementita (carburo de hierro, duro y frágil). Las láminas de carburo frenan la posible deformación de la ferrita. La bainita, sobre todo la inferior, tiene en su es-tructura agujas muy finas de carbu-ro, entre las cuales la ferrita puede eventualmente moverse. Es, enton-ces, si bien más dura, más tenaz (Fi-gura 24) (Mc Gannon, 1964).

La otra transformación, esta vez sin difusión, que se puede producir al enfriar la austenita, es la marten-sítica. En la Figura 23 esta transfor-mación está indicada por las líneas horizontales Ms, que indican el co-mienzo del proceso. La martensita es un constituyente duro y muy frá-gil en que se transforma la austenita mediante un enfriamiento muy rápi-do. Es lo que se conoce como tem-

ple. Su dureza depende del conteni-do de carbono del acero. El temple puede ser total, o sea con 100% de martensita, o parcial, en cuyo caso la microestructura del acero contie-ne ferrita, perlita o bainita, y marten-sita. Las propiedades mecánicas en este último caso, dependerán de las proporciones relativas de las fases presentes y de su distribución en la microestructura. Se hace uso de esta circunstancia para obtener aceros con diferentes grados de resistencia mecánica y ductilidad.

c) Recocido intercrítico.

Cuando se calienta el acero a temperaturas comprendidas entre las comúnmente llamadas A1 y A3, (A1: depende de la composición del acero; va desde 912°C a 723°C; A3: 723°C) se habla de recocido inter-crítico (Figura 25). En cualquiera de esas temperaturas se tienen coexis-tiendo dos fases, austenita y ferrita. Si se enfría rápidamente el acero desde alguna de esas temperaturas, la ferrita no se modificará, y sí lo hará la austenita. Esto quiere decir que se puede tener, en el acero re-sultante:

Figura 24. Esquemas de tipos de bainitas (izquierda); Estructura metalográfica de una bainita inferior (derecha). (Thomas y otro, 1996, Izquierda – Mc Gannon, 1964, Derecha). Very low carbon bainite – Bainita de muy bajo carbono. Acicular ferrite – Ferrita acicular, en forma de agujas muy pequeñas. Upper bainite – Bainita superior. Las láminas de carburo (cementite) están ubicadas entre las agujas de ferrita. Lower bainite – Bainita inferior. Las láminas de carburo están ubicadas en el interior de las agujas de ferrita.


- Proporciones variables de ferrita

- Productos diferentes de la trans-formación de la austenita

Lo anterior constituye la base del uso del recocido intercrítico y la po-sibilidad de obtener aceros de muy diferentes propiedades mecánicas, como se analizará. Desde el punto de vista de la Metalurgia Física, los conceptos vertidos hasta aquí eran conocidos. Fue necesario un enor-me esfuerzo tecnológico para hacer-los una realidad productiva.

10. TRATAMIENTOS TERMO-MECÁNICOS

En el Punto 6, al analizar los fe-nómenos de ablandamiento de los metales, específicamente la recu-peración y la recristalización, he-mos visto que se trata de procesos térmicamente activados, o sea que dependen de la temperatura y del tiempo. En el caso específico de la recristalización, indicamos que au-mentar en 10 °C la temperatura im-plica disminuir a la mitad el tiempo necesario para completar el proce-so. Esto quiere decir que, a tempera-turas elevadas, la recristalización se producirá prácticamente en forma inmediatamente posterior a la de-formación. La consecuencia de este hecho es que el metal es deforma-do, pero no endurece. Es lo que se muestra en la Figura 26 (Rodríguez-Ibabe, 2006).

Se ve en la Figura que, con defor-maciones menores, la tensión crece, hasta llegar a un máximo. La estruc-tura resultante en esas condiciones sería de recristalización parcial. Hasta ese momento, la cantidad de deformación acumulada no era su-ficiente para inducir la recristaliza-ción. Después del punto máximo, la tensión sigue disminuyendo con mayores deformaciones, hasta llegar a un equilibrio entre endurecimien-

to y ablandamiento, y la estructura resultante a partir de allí será la de una ferrita (en el caso de los aceros) totalmente recristalizada.

En el gráfico se puede ver que el comportamiento mecánico del ace-ro es función de la temperatura y de la velocidad de deformación ε̇. Estas

dos variables se agrupan en el factor Z, conocido como parámetro de Ze-ner- Hollomon:

.

Este comportamiento ha dado lugar a lo que se conoce como lami-nación controlada. Las variables que

Figura 25. Condiciones de recocido intercrítico en un diagrama seudo-binario Fe(Mn)-C. Fonstein (2015).

Figura 26. Curvas tensión-deformación de un acero al niobio en función del parámetro de Zener. Rodríguez-Ibabe (2006). Stress – Tensión. Strain – Deformación.


se controlan y que permiten obtener la estructura (y por lo tanto las pro-piedades) deseada en este tipo de laminación son:

- Temperatura del proceso

- Cantidad de deformación

- Velocidad de deformación

- Composición química del acero

Existen muchas variantes de pro-cesos de laminación controlada. Básicamente, podríamos resumirlas como sigue. El acero se lamina en caliente, a temperaturas en que la austenita es estable. De este modo, se pueden tener deformaciones im-portantes partiendo del planchón de colada continua. La deformación, acompañada por la recristalización, modifica la estructura de colada del material, inhomogénea y frágil. Los granos grandes, direccionados, pro-pios de la solidificación del metal,

son reemplazados por otros más pe-queños, aproximadamente equiaxia-les, típicos de un metal trabajado en caliente. Cuando no están en juego propiedades especiales, se elige un proceso de laminación a tempera-turas relativamente elevadas, y así se economiza energía porque el material es blando y fácilmente de-formable. Al terminar de laminar en caliente, la chapa es enfriada y bo-binada, para seguir el proceso lami-nando en frío.

Cuando se requiere mayor re-sistencia mecánica, el proceso de laminación en caliente se modifica como se explica a continuación. Se ha visto anteriormente (en el Pun-to 4a) que uno de los mecanismos de endurecimiento de los metales puros y que se puede aplicar tam-bién a las aleaciones metálicas, es la disminución del tamaño de grano. Que tiene la ventaja de no afectar la ductilidad. En los procesos ante-riores, la solución era laminar con

el menor gasto posible (o sea a tem-peraturas elevadas) y luego someter el material a un tratamiento térmico llamado de normalizado para afi-nar el grano de ferrita. Los proce-sos modernos permiten obtener un acero con grano fino directamente en la fase de elaboración, mediante la laminación controlada. Por este motivo, por la combinación que re-presentan, son procesos conocidos como tratamientos termomecánicos.

El principio básico de estos nue-vos tratamientos se desprende de la Figura 27 (Zuliani, 1988). Si no se llega a la deformación suficiente como para que el acero recristalice, sólo tendrá lugar la recuperación y los granos de austenita se irán alar-gando durante la laminación. Cabe destacar que la laminación en plan-tas siderúrgicas, tanto en frío como en caliente, se produce en “cajas” de laminación sucesivas. En cada una el metal sufre una cierta defor-mación a una velocidad de defor-

Figura 27. Secuencia de laminación y posibles estructuras resultantes. Zuliani (1988).


mación dada. En una secuencia de laminación se pueden dar entonces las situaciones que se describen en la Figura 27. Según la deformación que tiene lugar en cada una de las cajas de laminación, dada una es-tructura micrográfica de entrada, puede haber diferentes microestruc-turas de salida. Hay que recordar, además que la composición quími-ca influye mucho en la posibilidad de que a una temperatura determi-nada se produzca o no recristaliza-ción. Si se frena ésta, el grano de austenita se irá alargando de caja en caja. El niobio ha resultado muy efectivo en este aspecto, así como otros elementos aleantes, aunque en menor grado.

El objetivo de impedir la recrista-lización es el de llegar a la etapa de enfriamiento con un grano austeníti-co alargado. Al enfriar esa austenita

se transforma en ferrita. Los granos de ferrita se nuclearán en los bor-de de grano de la austenita. Si hay una gran superficie de bordes, habrá muchos sitios de nucleación y, en definitiva, muchos granos de tama-ño pequeño. El acero resultante será más resistente, pero no por ello me-nos dúctil y tenaz. Todo lo contrario.

La secuencia descrita hasta aquí requiere de todo un control en el proceso de fabricación del acero. Se empieza por la composición química. Cuando se recalienta el planchón para empezar a laminarlo, hay que hacerlo a temperaturas sufi-cientemente altas para que los ele-mentos aleantes estén en solución sólida. Esto a veces puede requerir una temperatura demasiado eleva-da, con lo cual el tamaño de grano de la austenita inicial es demasiado grande y no será fácil achicarlo me-

diante deformación y recocido. Hay que elegir los pasos de laminación controlando la cantidad y velocidad de deformación, que también influ-yen en la temperatura a la cual se deforma el acero en cada caja. Por otra parte, si el acero recupera pero no recristaliza, tampoco se ablanda. Y puede ocurrir que las últimas cajas de laminación hayan sido diseñadas para trabajar con un acero que les llegaba recristalizado y por lo tan-to, blando. Con lo cual, no todos los trenes de laminación instalados podían hacer frente a estos nuevos requerimientos. Indicamos estos problemas para que se tenga una idea cabal del esfuerzo tecnológico que hubo que poner en juego para desarrollar los aceros modernos. Unos de los primeros productos que se fabricaron aplicando estos cono-cimientos fueron los aceros microa-leados, o HSLA como mencionados

Figura 28. Fenómenos metalúrgicos que ocurren en diferentes etapas de la laminación en caliente de un acero. Chiapparoli (2015).


anteriormente. En la Figura 28 se in-dican los procesos metalúrgicos que tienen lugar en una laminación en caliente (Chiapparoli, 2015).

11. CONCLUSIONES

En este artículo se han reseñado los avances en el conocimiento del comportamiento de los metales que han ido acompañando la produc-ción de chapas de acero que res-pondieran a los requerimientos de sus usuarios.

Fue un camino muy largo, muy fructífero, donde todos aprendieron de todos. Y, sobre todas las cosas, aprendieron a respetarse y a valorar-se mutuamente. Se ha dado la con-junción del saber por qué (“know why”) con el saber cómo (“know how”).

Valió la pena. Los resultados es-tán a la vista.

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GLOSARIO

Hierro y acero. En Metalurgia se distingue el hierro del acero por lo siguiente: Los aceros son aleaciones de hierro que se pueden deformar en estado sólido produciendo así piezas tales como perfiles, chapas, etc. Las fundiciones de hierro, en cambio, se usan fundamentalmente para elaborar piezas coladas. Cabe aclarar que, si bien se trata de ace-ros, en lenguaje popular se conocen como hierros también algunos ace-ros blandos tales como las varillas de construcción usadas en hormi-gón armado.

Conformado en frío. Se conocen así los procesos de deformación de metales que se llevan a cabo por de-bajo de la temperatura en la cual ac-túan ciertos mecanismos de ablan-damiento.

Tenacidad. Es la capacidad de los metales de soportar sin romperse esfuerzos dinámicos tales como gol-pes.

Aceros microaleados. Son aceros de desarrollo reciente en los cuales se mejoran sus características mecáni-cas mediante el agregado de muy

pequeñas cantidades de elementos de aleación.

Perlita. Es un constituyente de la microestructura de los aceros que se presenta al enfriar los aceros que han sido calentados a temperaturas por encima de setecientos grados. Se presenta en general en forma de lá-minas alternadas de hierro (blando) y carburo de hierro (duro y frágil).

bainita. Es un constituyente de la microestructura de los aceros que aparece al enfriar los aceros en con-diciones especiales. La estructura es más fina que en la perlita, más dura pero con características distintivas que en algunos casos la hacen más tenaz. Por lo señalado, es objeto de muchos desarrollos modernos.

Fase. Es una porción de materia fí-sicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción. Puede estar formada por una misma sustancia. Ejemplos: Agua y cubos de hielo en su seno son así dos fases. O puede formarse con más de una sustancia. Ejemplo: Café y azúcar son una fase en sí mismos cuando están separados. Al agregar azúcar al café se forma la nueva fase que es el café azucarado.

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Palabras clave: conformado de chapas metálicas, aceros para estampado, mecánica del continuo.Key words: sheet-metal forming, press-working steels, continuum mechanichs.

MECáNICA DEL CONTINUO APLICADA AL CONFORMADO DE CHAPAS

Lucio Iurman

Lugar de trabajo: Laboratorio de Metalurgia de la Universidad Nacional del SurCargo: Profesor Consulto


En este artículo se reseñan los aportes efectuados por la Mecánica del Continuo a los procesos de conformado de chapas metálicas. Se parte de la definición de algunos conceptos básicos para comprender el efecto de las fuerzas aplicadas en el material que se conforma. Se describen algunos ensayos mecánicos específicos y la metodología empleada para extender los resultados obtenidos en los mismos a los sistemas complejos de tensiones y deformaciones actuantes en los procesos industriales.

In this article, contributions made by the Continuum Mechanichs to sheet-metal working are reviewed. The starting point is the definition of some basic concepts of mechanics to understand the effect of external forces applied on forming material. Some specific mechanical tests and the methodology employed to extend the results obtained by them to complex systems of stresses and strains acting in industrial processes are described.

INTROdUCCIÓN

Para obtener una pieza a partir de una chapa plana por el método de conformado se debe someter la mis-ma a fuerzas externas de suficiente magnitud para deformar al material de partida. La determinación de es-tas fuerzas permitirá la selección del equipo apropiado y la construc-ción de las herramientas y proce-dimientos de su fabricación. Asi es que al recurrir al conocimiento de la deformación plástica de metales con herramientas de cálculo de la disciplina conocida como la Mecá-nica de Medios Continuos (o en su forma más usual y abreviada como Mecánica del Continuo) se puede en principio adelantar teóricamente qué ocurrirá y trabajar sobre la pla-nificación del proceso antes del ini-cio de la fabricación. Para no pecar de optimistas, conviene aclarar que los procesos de conformado que analizaremos son muy complejos y

que los presupuestos teóricos men-cionados están casi siempre sujetos a necesarios ajustes finales.

El estudio requiere conocer las tensiones y las deformaciones que resultan en cada paso de la transfor-mación y para ello una de las formas de agrupar los distintos procesos de fabricación puede ser la sugerida por Duckworth y Baird en 1969, ba-sada en el modo en que el material va adquiriendo su forma final:

Estirado

Embutido

Doblado

En el primero, figura 1, el mate-rial se encuentra sometido al esfuer-zo de tracción en una sola dirección (uniaxial) o, frecuentemente, en dos direcciones (biaxial), así la forma se

logra por su puro estirado. La chapa se sujeta completamente en su peri-feria y la nueva forma se desarrolla totalmente a costa del cambio de su espesor.

En el embutido Figura 2, la chapa es arrastrada por un punzón que la introduce en el interior del resto de la matriz. Nuestro ejemplo es una simplificación de casos más com-plejos que sin embargo representa muy bien lo que ocurre en la fabri-cación de muchos de los objetos que se encuentran habitualmente en el uso doméstico (Por ejemplo, una olla, el capuchón de una la-picera fuente, etc.). En la figura se puede observar los distintos estados de tensiones a que están sometidas las partes del material y por ende la dificultad de su estudio analítico. La porción de material ubicada en el ala de la copa, en una etapa del pro-ceso (figura izquierda), está someti-


da a una combinación de esfuerzos de tracción radial provocada por el punzón y de compresión circunfe-rencial, debidos al material que se va achicando a medida que penetra en la matriz. Estos últimos esfuerzos, los de compresión, son los que ver-daderamente deforman al material.

Por último el doblado, figu-ra 3, proceso que es usado para la fabricación de una gran cantidad de elementos en la industria metal mecánica, muestra las tensiones ac-

tuantes en la zona deformada de un doblado plástico. Hay dos caracte-rísticas especiales en este proceso: que las tensiones, y por lo tanto las deformaciones, son muy inhomogé-neas y están muy concentradas en una porción limitada del material (Schey, 2006).

La mayor parte de las operacio-nes industriales de conformado de chapas tienen combinaciones de embutido, estirado y doblado.

Para la comprensión de los fe-nómenos que sucederán durante el conformado de una pieza se re-quieren herramientas que provean los estados de tensión y de deforma-ción actuantes sobre el material de partida. Las herramientas de cálcu-lo actuales han avanzado mucho y están disponibles en programas que haciendo uso de características pro-pias del material, las que son obte-nidas de ensayos simples, permiten predecir cómo se comportará el mis-mo durante la fabricación. Uno de

Figura 1.Estirado. (Schey, 2006).

Figura 2. Embutido. (Iurman y otros, 1972).

33Mecánica del continuo aplicada al conformado de chapas

esos ensayos, bien conocido desde largo tiempo atrás, es el que a conti-nuación describiremos:

CARACTERíSTICAS dEL MATE-RIAL A CONFORMAR dERIVAdAS dE UN ENSAyO dE TRACCIÓN.

El ensayo consiste en la aplica-ción de una carga uniaxial de trac-ción sobre una probeta esbelta del material y la medición de las defor-maciones que resultan de ella hasta su rotura. Esas deformaciones son triaxiales y están constituidas de un alargamiento en la dirección en que

se aplica la carga y los acortamien-tos transversales a la misma, que si el material es isótropo serán de igual magnitud, tanto en ancho como en espesor. Los acortamientos están relacionados con el alargamiento mediante el módulo de Poisson (re-lación entre la deformación en la di-rección del alargamiento y las trans-versales dentro del límite elástico), propio de cada material. En la Figura 4 se representa un diagrama típico tensión nominal – deformación con-vencional.

Para cargas pequeñas las defor-

maciones son proporcionales a las tensiones que las provocan. Supe-rado un cierto valor de la tensión (punto A en el diagrama) las defor-maciones no desaparecen al quitar las cargas y se entra en el rango plástico. La transición de un rango al otro, o tensión de fluencia, puede presentar características diferentes. En algunos metales la transición es suave, en otros está claramente mar-cada.

El ensayo de tracción permite medir también la capacidad de de-formación del material ensayado, o sea su ductilidad. Para cuantificarla, se utilizan varios parámetros. Uno de ellos es el alargamiento porcen-tual uniforme, hasta la aparición de un fenómeno conocido como es-tricción. Este marca la deformación máxima que se puede alcanzar sin que en la chapa se produzca una dis-minución localizada en el espesor. Durante la etapa de la deformación plástica el material sufre un proce-so en su estructura que da lugar a lo que se conoce como endurecimien-to por trabajado en frio, fenómeno descripto en el anterior trabajo por la creación de dislocaciones.

Figura 3. Doblado. (Schey, 2006).

Figura 4. Ensayo de tracción. Iurman, L., 1986).


mación plástica. La dificultad estriba en que en el ensayo de tracción el material está sometido a una ten-sión unidireccional única (uniaxial), mientras que en los procesos indus-triales de conformado las tensiones se ejercen en más de una dirección, por eso en estos casos se habla de tensiones multiaxiales.

EL TRATAMIENTO dE LAS TEN-SIONES MULTIAXIALES.

Continuando con la Mecánica del Continuo, se sortea esa dificul-tad mediante los llamados criterios de fluencia que permiten comparar estados diferentes de tensiones en-tre sí y, de este modo, poder utilizar valores de la resistencia del mate-rial obtenido en ensayos simples de laboratorio, como el de tracción ya visto. Para una formulación más simple de los criterios de fluencia, se trabaja con las llamadas tensio-nes principales, o sea tensiones que actúan sobre planos en los que sola-mente hay esfuerzos perpendicula-res a los mismos.

Para los metales dúctiles, el cri-terio de fluencia más usado es el de Von Mises. El mismo postula que la fluencia en un metal sometido a esfuerzos múltiples comenzará cuando la suma de los cuadrados de las diferencias de las tensiones

Si bien las deformaciones que se producen en el conformado de cha-pas de acero son mucho más gran-des que las elásticas, la zona del comportamiento elástico también resulta importante, como se verá a continuación:

SOLICITACIONES dENTRO dEL CAMPO ELÁSTICO.

En el embutido.

Cuando se va formando la copa (figura izquierda de fig. 2) en el em-butido la pared de la misma está sometida a un esfuerzo de tracción ejercido por el punzón. Al deformar-se elásticamente tiende a contraerse por el efecto Poisson antes mencio-nado. Este efecto haría que la sec-ción circunferencial disminuyese. Pero la rigidez del punzón se lo im-pide y de este modo se genera una tensión circunferencial de tracción. O sea, se induce un sistema biaxial de tensiones y a la vez de deforma-ción plana (de valor cero en una di-rección).

Como recuperación elástica

Cuando se retira la herramienta que ha estampado una chapa (como la típica de la fabricación de la puer-ta de un automóvil), se descargan las fuerzas aplicadas y se produce

una recuperación elástica. Es un problema importante para quienes diseñan matrices, porque éstas de-berían tener en cuenta este efecto y por lo tanto el diseño de la matriz no debe reproducir la pieza a estam-par, sino una que quede tal como se desea luego del estampado y de la recuperación elástica. Por otro lado, aceros de diferente composición y estructura tienen distinto comporta-miento plástico por ser más o menos resistentes, y eso repercutirá para una misma matriz en la recupera-ción elástica de la pieza estampada, como se muestra en la Figura 5.

CHAPAS CON SOLICITACIO-NES EN EL CAMPO PLÁSTICO.

Superada una cierta carga, el ma-terial deja de comportarse en forma elástica para hacerlo según un modo plástico. Las relaciones entre tensio-nes y deformaciones no son más li-neales y si se quita la carga aplicada, queda una deformación remanente. Además, se produce el endureci-miento del metal.

Tal como se adelantó mas arriba se pretende para los casos de con-formado complejos poder utilizar el valor de la tensión de transición elasto-plastica de un ensayo simple para determinar las que inducirán en ellos a la aparición de la defor-

Figura 5. Recuperación elástica. (Keeler y otros, 2017).


principales alcance un cierto valor. En última instancia, postula que la deformación plástica se producirá cuando los esfuerzos de corte suma-dos, en diferentes planos (Ver Figura 6), alcanzan un valor que depende de cada metal. Coincide este criterio con la observación marcada en el enfoque de la Metalurgia Física que indica que la deformación plástica de los cristales metálicos se produce por el desplazamiento de las dislo-caciones bajo el efecto de esfuerzos cortantes.

La formulación del criterio de fluencia de Von Mises es entonces:

(σ1 – σ2)2 + (σ2 – σ3)

2 + (σ3 – σ1)2 =

Constante (C)

Los subíndices 1, 2 y 3 identifi-can tres direcciones en el espacio, mutuamente perpendiculares, coin-cidentes con las correspondientes a las tensiones principales. La expre-sión anterior, aplicada al caso de tracción uniaxial pura, da por resul-tado que la constante C es igual a 2 Y2, donde Y es el esfuerzo corres-pondiente a la aparición de la fluen-cia en tracción uniaxial, que se de-termina en el ensayo explicado más arriba. Conocido entonces el valor de Y para el acero de la chapa a con-formar, se puede calcular las tensio-nes necesarias para deformarla en cada proceso de estampado. Esta es una gran contribución de la Mecá-nica del Continuo a la comprensión de los esfuerzos que se desarrollan en los procesos industriales en la metal mecánica, que son complejos.

Las chapas son cuerpos geomé-tricos que se pueden pensar bidi-mensionales, por cuanto el espe-sor es mucho más pequeño que el largo y el ancho. Por este motivo, en el análisis de su deformación se considera que las tensiones actuan-tes son solamente las de superficie, o sea biaxiales, y se desprecian las

Figura 6. Esquema de tensiones principales actuando en diferentes direc-ciones (σ) y de las tensiones de corte resultantes en planos ubicados a 45o

de las mismas. (Dieter, 1986).

Figura 7. Elipse de fluencia y estados de tensiones en el embutido de una copa. (Hosford y Caddell, 1993). Cup wall – Pared de la copa. Flange - Ala.


que corresponderían al espesor. Con esta suposición, el criterio de fluen-cia de Von Mises se puede represen-tar como una elipse en un espacio σ1 – σ2. Es lo que muestra la Figura 7 (Hosford y Caddell, 1993).

Los puntos en ese espacio son combinaciones de tensiones. Los que están dentro de la elipse son tensiones que no producirán fluen-cia, la que se alcanzará al llegar a la línea representada por la elipse.

Uno de los múltiples ejemplos que puede representar lo anterior está en la Figura 7: el ala de la copa que se deforma para entrar a la gar-ganta de la matriz está sometida a un estado de tensiones de tracción-compresión, mientras que la pared sufre esfuerzos biaxiales de tracción.

INESTAbILIdAd PLÁSTICA

Volviendo al ejemplo del ensayo de tracción, la estricción o deforma-ción localizada empieza en la carga máxima, donde el ablandamiento geométrico, debido a la disminu-ción de la sección transversal de la probeta, se iguala y empieza a ser mayor que el aumento en la capa-cidad de soportar cargas provocado por el endurecimiento debido a la deformación del metal. Esta condi-ción de inestabilidad que conduce a la estricción se define mediante la relación dP = 0, (Dieter, 1986). Es lo que se muestra en la Figura 4.

La carga aplicada es P = σ A y por lo tanto, dP = σ dA + A dσ . Los dos términos del segundo miembro de esta ecuación representan, justa-mente, el ablandamiento geométri-co el primero, y el endurecimiento metalúrgico, el segundo. Al momen-to de la inestabilidad, se igualan. Manejando estas expresiones, se puede deducir que la estricción se producirá cuando

Figura 8. Inestabilidad en tracción. (Dieter, 1986).

Figura 9. Ensayo de acopado hidráulico. (Insausti y otros, 2002).


Por lo tanto, el punto de estric-ción en la carga máxima se puede obtener a partir de la curva tensión – deformación verdaderas hallando el punto en que la velocidad de en-durecimiento (dada por la curva de-rivada de la tensión - deformación) iguala a la tensión (Figura 8).

Se puede expresar la curva ten-sión – deformación de muchos me-tales en la región de deformación plástica uniforme mediante la re-lación simple, debida a Hollomon: σ = Ken, donde σ y ε son las tensiones y deformaciones reales, n es el lla-mado exponente de endurecimiento por deformación y K el coeficiente de resistencia (Hosford y Caddell, 1993)

Sustituyendo el criterio de inesta-bilidad en la relación de Hollomon, se obtiene una expresión simple para la deformación a la cual se pro-duce la estricción. Esta deformación es la deformación uniforme verda-dera εu. = n.

La relación vista tiene una enor-me importancia técnico – comercial. El valor de n es uno de los paráme-tros que se emplean para identificar la calidad de chapas idóneas para ciertos tipos de estampado. Median-te el ensayo de tracción uniaxial, a partir de los datos Carga-Alarga-miento de la probeta (P – Δl) se pue-de obtener la expresión σ = Kεn y por lo tanto el valor de n. Esto explica el gran uso que se hace de este en-sayo en el control y certificación de la calidad de una chapa destinada al estampado, especialmente cuando las deformaciones son fundamental-mente de estirado.

En la mayor parte de los procesos de estirado, la chapa es sometida a tracción en dos direcciones, o sea a una solicitación biaxial. Utilizando herramientas provistas por la Mecá-nica del Continuo, se puede demos-

trar que en este caso, la estricción se alcanza recién cuando εu. = 2 n. O sea, se puede conseguir deformacio-nes mayores en un estirado biaxial que en uno donde el esfuerzo apli-cado tenga una sola dirección. Pa-rece un contrasentido, pero tanto la teoría como la experiencia indican que es así. Por este motivo, además del ensayo de tracción uniaxial con-vencional, es conveniente realizar uno que permita solicitar a la chapa en dos direcciones perpendiculares. Es lo que se hace con un ensayo de laboratorio conocido como ensayo de acopado hidráulico, ver Figura 9 (bulging en la literatura en idioma inglés) (Insausti y otros, 2002).

La ventaja del ensayo de aco-pado es que, al obtener mayores deformaciones, permite distinguir entre aceros que a deformaciones menores se comportan del mismo modo, no así cuando la solicitación es mayor y pueden entrar a actuar mecanismos adicionales de fractura.

ANISOTROPíA, CONCEPTO MECÁNICO dE LA ANISOTROPíA. CUANTIFICACIÓN dE LA MISMA EN CHAPAS METÁLICAS

Hasta aquí se consideró a la cha-pa de acero formada por un material isótropo, a los efectos de estudiar su comportamiento desde el punto de vista de la Mecánica del Continuo. En realidad, en muchos casos esta hipótesis simplificativa no es cierta.

Para abordar esta nueva situa-ción, volvemos al ensayo uniaxial de tracción. En el mismo, durante la deformación plástica, la probeta se alarga y por lo tanto disminuye su sección transversal para que se man-tenga la constancia de volumen.

Puesto que el volumen se man-tiene constante, y la variación del volumen se puede calcular median-te la expresión ΔV = ε1 + ε2 + ε3, al ser ΔV=0, y ε2 = ε3, las dos deformacio-nes transversales son iguales a la mitad de la longitudinal. Para ver si el material es isótropo o no, basta entonces con medir y comparar las deformaciones transversales. Es lo que se hace con lo que se conoce como el factor de anisotropía o pa-rámetro de Lankford, R. En la Figura 10 se muestra la probeta y las direc-ciones en las que se efectúa la medi-ción de las deformaciones. (Hosford y Caddell, 1993)

Figura 10. Probeta para ensayo de anisotropía. (Hosford y Caddell, 1993).


El factor de anisotropía R se de-fine como:

Donde w y t son las direcciones de ancho y de espesor de la probeta de tracción. Para un material isótro-po, R = 1. En materiales anisótropos, R ≠ 1. Altos valores de R sugieren que el material tiene una alta resis-tencia a disminuir su espesor. De este modo, los valores de R medidos en un ensayo de tracción de una lá-mina indican de una manera cua-litativa la extensión relativa de una anisotropía normal.

Es frecuente que también exista una anisotropía planar, o sea que las propiedades mecánicas varíen en distintas direcciones del plano de la chapa. Esto se traduce en valores di-ferentes de R según la dirección en que se mida en el plano de la mis-ma.

La importancia de este parámetro radica en lo siguiente: Cuando R = 1, se obtiene la elipse común corres-pondiente a los criterios de fluencia para materiales isótropos, represen-tada por la línea llena de la Figura 7. Valores mayores de R conducen a una mayor resistencia a la fluencia en condiciones de tracción biaxial, mientras que disminuye la resisten-cia a la fluencia cuando se trata de esfuerzos combinados de tracción – compresión, como se muestra en la Figura 11.

Las mayores resistencias que tienen lugar en algunas condicio-nes, provocadas por la anisotropía, se conocen como endurecimiento por textura. En materiales reales, las orientaciones preferidas que produ-cen la anisotropía en las propieda-des mecánicas no guardan siempre la simetría que conduce a elipses de

fluencia como las mostradas en la Figura 11.

Por lo visto hasta aquí, la ani-sotropía normal es beneficiosa en cuanto que mejora la resistencia del ala de la copa que se está embutien-do y que debe resistir la tracción que sobre ella ejerce el punzón, a la par que debilita la parte del material que se debe deformar, o sea el ala de la copa. No ocurre lo mismo con la que hemos denominado anisotropía planar. Debido a la misma, apare-cen en el borde superior del reci-piente embutido unas diferencias de altura indeseadas (pensemos en la dificultad de poner la tapa a una olla con semejante borde!), como las que se muestran en la parte de-recha de la Figura 2. Esto se debe a que, si bien el proceso de embuti-do de un disco circular tiene sime-tría axial, la anisotropía planar del material hace que el mismo fluya de diferente manera en las distintas direcciones durante el conformado (Mazini y otros, 1973). Este fenóme-no se llama orejado y las diferencias entre crestas y valles del borde su-perior del recipiente serán tanto más pronunciados cuanto mayor sea la anisotropía planar, que se cuantifica mediante el valor:

En resumen, desde el punto de vista del embutido de una chapa, conviene un acero con un alto valor de R y pequeño valor de ΔR.

INFLUENCIA dE LA ANISOTRO-PíA EN LA RELACIÓN LíMITE dE EMbUTIdO

El proceso de embutido profundo (“deep-drawing”) de una chapa me-tálica tiene limitaciones en cuanto a la magnitud de la deformación que se puede obtener sin que el material falle por rotura. La razón de esta li-mitación radica en el hecho de que

Figura 11. Influencia del parámetro de anisotropía sobre la elipse de fluen-cia. (Hosford y Caddell, 1993).


para que el material penetre al inte-rior de la garganta de la matriz, debe ir disminuyendo su diámetro. Por eso aparecen los esfuerzos circunfe-renciales de compresión (Ver Figura 2). Esto se logra aplicando tracción en la pared. O sea, un esfuerzo de tracción induce otro de compresión, que es el que verdaderamente defor-ma al material. Los procesos de es-tas características se conocen como procesos de compresión indirecta.

Pues bien, la Mecánica del Continuo permite deducir que en los procesos de compresión indi-recta existe una limitación teórica en cuanto a la deformación que se puede lograr en una operación (o “pasada”, como se acostumbra de-cir en el lenguaje de producción). En el caso del embutido esa limitación se conoce como Relación Límite de Embutido (RLE). Es la relación entre el diámetro máximo del disco que se puede embutir en una matriz de un diámetro determinado de garganta. Para un material isótropo, la Rela-ción Límite de Embutido teórica es igual al número e de los logaritmos naturales. O sea.

Diámetro máximo de disco /Diá-metro de matriz ≦ 2,72

El límite indicado no tiene en cuenta los esfuerzos de fricción que siempre aparecen, por lo que en general no se alcanza el valor seña-lado más arriba. Cuando la pieza a embutir tiene mucha altura y poco diámetro, como es el caso del capu-chón de una lapicera por ejemplo, se excede la relación Límite de Em-butido. En estos casos, es necesario proceder a operaciones sucesivas, conocidas como operaciones de re-embutido.

Pero si el material a embutir tie-ne una anisotropía tal que R >1, la elipse de fluencia se modifica como se muestra en la Figura 11. Hay un

endurecimiento en la pared y un ablandamiento en el ala del reci-piente (ver Figura 7), y se pueden alcanzar mayores valores límite de embutido. Por este motivo, el fac-tor R es tenido como un índice de la calidad de chapas que han de ser embutidas y forma parte de las tran-sacciones técnico-comerciales.

EL ONdULAdO EN LAS OPE-RACIONES dE EMbUTIdO

Se ha mencionado más arriba que la deformación del material en el embutido se debe a esfuerzos de compresión circunferencial. En realidad, a estos esfuerzos hay que añadirles los de tracción, debidos

a la acción del punzón (Ver Figura 2). Pero los de compresión son los responsables de la disminución del diámetro.

Cuando un material es someti-do a compresión, si es demasiado esbelto, en lugar de disminuir la di-mensión en la que es comprimido, se dobla. Es lo que ocurre con las columnas cuando su altura excede un cierto valor en relación a la sec-ción transversal. El fenómeno se co-noce como pandeo. En el ala de la pieza que se está embutiendo puede suceder el mismo fenómeno si el espesor de la chapa es pequeño. El pandeo se traduce en este caso en que la chapa se ondula. Cuando

Figura 12. Esquema de una matriz de embutición Swift. (Johnson y Mellor, 1962). Blank Holder – Prensachapa. Die – Matriz.


estas ondulaciones entran al inte-rior de la garganta de la matriz, son “planchadas” por el poco espacio que queda entre matriz y punzón y esto produce pliegues y/o roturas inaceptables. Hay que prevenir por lo tanto el pandeo y esto se logra mediante el uso de un sujetador o prensachapa, como se muestra en la Figura 12 (Johnson y Mellor, 1962).

La acción del prensachapa obli-ga a aumentar la fuerza que debe ejercer el punzón y por lo tanto au-menta la tensión de tracción sobre la pared del recipiente que se está embutiendo, lo cual disminuye la máxima relación de embutido que se puede obtener, dado que puede provocar roturas como la indicada en la Figura 13. (Schey, 2006).

OPERACIONES dE dObLAdO, TENSIONES y dEFORMACIONES EN EL dObLAdO dE CHAPAS ME-TÁLICAS

Si bien hemos separado los pro-cesos de conformado en componen-tes tales como embutido, estirado y doblado, esta última está presente en casi todos los estampados indus-triales. Resulta conveniente por lo tanto analizar algunos aspectos par-ticulares del doblado de chapas.

Repetimos aquí las característi-cas ya esbozadas al principio de este trabajo. En la Figura 3 se muestran las tensiones actuantes en la zona

deformada de un doblado plástico. Hay dos características especiales en este proceso: las tensiones, y por lo tanto las deformaciones, son muy inhomogéneas y están muy concen-tradas en una porción limitada del material.

Inhomogéneas. Las tensiones van desde esfuerzos de tracción en la fi-bra externa hasta de compresión en la parte interna de la pieza doblada. Las posibilidades de falla son por lo tanto:

Por superar la máxima deforma-ción admisible en tracción en la su-perficie externa. Desde este punto de vista será mejor un material con un alto valor del parámetro n ya ana-lizado.

Por pandeo en la parte interna, debido a la compresión de una pie-za esbelta como es una chapa de poco espesor. La falla se manifiesta en este caso por una ondulación de la superficie interna. Es un problema clásico en tubos doblados.

Concentradas. Los procesos de doblado se caracterizan por el he-cho de que la zona del material que se deforma está muy acotada en proximidades del radio de dobla-do. El resto de la pieza simplemente acompaña el cambio de dirección. Al concentrarse la deformación, se acumula y sobreviene una posible fractura. Si el material endurece por

deformación, la parte deformada inicialmente será más dura y resis-tente y por lo tanto la deformación ulterior tenderá a producirse en la región próxima que, aunque está menos solicitada, es más blanda. Se distribuye por lo tanto la defor-mación y se impide su crecimiento localizado.

Desde este punto de vista, un material será más apto para ser do-blado si endurece al ser deformado. La capacidad de endurecer se mide en estos casos por lo que se conoce como la relación elástica, que es el cociente entre la tensión de fluencia y la resistencia a la tracción. Cuan-to menor es esta relación, más apto para ser conformado por doblado será un material.

ANÁLISIS dE LAS TRAyECTO-RIAS dE dEFORMACIÓN. dIA-GRAMAS LíMITE dE CONFORMA-dO TRAZAdO dE GRILLAS SObRE LA CHAPA

Los procesos de deformación plástica son irreversibles, y como tales dependen de las trayectorias seguidas por las tensiones y por las deformaciones que les siguen. En el conformado de chapas metálicas, sobre todo para evaluar la confor-mabilidad de las mismas en condi-ciones diferentes de solicitación, se recurre al estudio de las trayectorias de deformación para obtener una mejor comprensión del fenómeno.

Figura 13. De izquierda a derecha: disco original; copa fallada por ondulaciones debidas a presión insuficiente de sujetador; copa embutida en forma correcta; falla por exceso de presión de sujetador.(Schey, 2006).


A los efectos de medir las defor-maciones que sufren las chapas du-rante el conformado, se trazan grillas sobre la superficie de la misma, por medio de un ataque electroquímico o utilizando técnicas de impresión serigráfica.

Las grillas comúnmente usadas son círculos, lo cual permite por su cambio de forma determinar a simple vista la dirección de las de-formaciones principales, Con cír-culos pequeños, próximos entre sí, se pueden determinar gradientes de deformación en forma precisa. Son muy usados círculos de 2,5 mm de

diámetro, como se muestra en la Fi-gura 14

Los círculos deformados se pue-den medir usando algún dispositivo divisor, o en forma automática ac-tualmente, mediante programas con analizadores de imágenes. Dado que las piezas conformadas pierden su carácter de planas, es muy fre-cuente el uso de plantillas transpa-rentes como la que se muestra en la Figura 15, provistas de líneas diver-gentes que dan la lectura directa de la deformación.

Actualmente se dispone de técni-cas más avanzadas y menos laborio-sas para el análisis de deformacio-nes, que utilizan un recubrimiento especial, conocidas como técnicas speckle. Con las mismas se puede obtener, mediante programas de computación específicos, la defor-mación sufrida por los diferentes puntos de la chapa. Se visualiza así mejor la distribución de las defor-maciones en un proceso no homo-géneo, como se muestra en la Figura 16, por las diferentes tonalidades de color en la superficie de la muestra (Bergé, G., 2012).

Figura 14. Chapas grilladas y deformadas en diferentes modos de solicitación; (a) Tracción biaxial equilibrada (Bergé, 2012); (b) Tracción biaxial no equlibrada (Bergé, 2008).

Figura 15. Reglilla para medir las deformaciones de los círculos en probetas grilladas. (Taylor, 1993).


dIAGRAMAS LíMITE dE CON-FORMAdO

Durante el conformado cada tipo de material del que están hechas las chapas metálicas (acero, aluminio, latón, etc.), puede ser deformado sólo hasta un cierto nivel antes de que aparezca un adelgazamiento y posterior fractura. Este nivel depen-de de la combinación de las defor-maciones impuestas.

El nivel más bajo de deforma-ciones sin que la pieza adelgace o rompa, se presenta para un estado de deformación plana, o sea cuando una de las deformaciones es cero.

S. P. Keeler fue el primero en cuantificar dicho concepto en 1965, construyendo un diagrama de con-formado para una gran variedad de metales, sometidos a estirados biaxiales con diferentes relaciones de estirado en dos direcciones per-pendiculares. Los valores de falla considerados fueron las combina-ciones de deformaciones conven-cionales e1 y e2 que conducían a la

Figura 16. Análisis de deformaciones superficiales mediante técnicas spec-kle. Las distintas tonalidades de colores muestran la distribución no uni-forme y la magnitud de las deformaciones en la chapa solicitada. (Bergé, 2012.)

Figura 17. Deformaciones presentes en diferentes estados de solicitaciones de la chapa. (Taylor, 1993). Major engineering strain – Deformación ingenieril mayor. Drawing – Embutido. Stretching – Estirado. Balanced biaxial stretching – Estirado biaxial equilibrado. Minor engineering strain - Deformación ingenieril menor.


formación de una estricción locali-zada. G. M. Goodwin completó la idea investigando la zona de defor-maciones tracción – compresión, aunque su criterio de falla fue la aparición de la fractura. En la Figu-ra 17 se muestran las trayectorias de deformación utilizadas para obtener las máximas deformaciones tolera-das por los diferentes tipos de cha-pas de acero antes de fallar. También hay diagramas con deformaciones naturales o logarítmicas, ε1 – ε2 (Ta-ylor, 1993).

Combinando los trabajos de am-bos, se tienen los llamados Diagra-mas Límite de Conformado (DLC).

Existen dos criterios básicos de falla para piezas conformadas:

• Localización de la deforma-ción por estricción difusa o localizada

• Fractura

La distinción entre diagramas lí-mite de estricción y de fractura sur-gió como un requerimiento de los usuarios de chapa, que no podían tolerar estricciones en el producto conformado, ya sea por motivos de seguridad o porque se trataba de su-perficies expuestas y resultaba difícil o costoso disimular dichos defectos. En la Figura 18 se muestran resulta-dos experimentales resumidos en un diagrama de Keeler – Goodwin, para una chapa de acero para estampado, ensayada en el Laboratorio de Me-talurgia de la Universidad Nacional del Sur. En el mismo se ve claramen-te que, para las diferentes combina-ciones de deformaciones, existe una zona de piezas sanas, una de piezas falladas por estricción y, por sobre ambas, la correspondiente a piezas fracturadas.

INFLUENCIA dE LOS dEFEC-TOS dE LA CHAPA EN SU CAPACI-dAd dE ESTIRAdO.

Se considera habitualmente que las propiedades de los materiales son uniformes. Sin embargo, los ma-teriales reales son inhomogéneos: el diámetro de la sección transversal o el espesor pueden variar a lo largo de una pieza, puede haber variacio-nes en el tamaño de grano, la com-posición o la orientación cristalina estadística (Marciniak et al, 2002).

El efecto de una inhomogenei-dad se puede ver como una probeta de tracción con propiedades homo-géneas pero con dos regiones de di-mensiones diferentes, a y b, como se muestra en la Figura 19 (Hosford y Caddell, 1993).

Se puede definir un factor de in-homogeneidad f como f = Aa0 /Ab0 donde Aa0 < Ab0.

Las dos regiones, a y b, deben soportar la misma fuerza, de modo que la región a, de menor sección transversal, estará más solicitada y entrará en estricción cuando el resto del material todavía tiene una de-formación uniforme menor. A partir de allí, la deformación se concentra en la parte más solicitada y macros-cópicamente eso se traduce en que empieza el proceso de inestabilidad plástica. Es lo que se muestra en la Figura 20. Un material con supues-to alargamiento uniforme máximo igual a 0,25, solamente llegará a un valor de 0,208 si tiene un factor de inhomogeneidad f = 0.990. Re-cordamos aquí que habíamos vin-

Figura 18. Curvas límite de estricción y de rotura de un acero. (Laboratorio de Metalurgia, UNS).

Figura 19. Chapa con una discontinuidad geométrica. (Hosford y Caddell, 1993).


culado el alargamiento uniforme máximo con el parámetro conocido como n.

Se puede ver la importancia de fabricar chapas con un alto grado de homogeneidad, tanto geométrica como microestructural.

MOdELIZACIÓN dE LOS PRO-CESOS dE CONFORMAdO dE CHAPAS METÁLICAS.

La aplicación de las nociones de la Mecánica del Continuo desarro-lladas brevemente hasta aquí han posibilitado elaborar modelos de deformación que, en base a progra-mas de software apropiados permi-ten diseñar matrices de conformado para la elaboración de piezas estam-padas con chapas metálicas.

Asimismo, las herramientas men-cionadas, sumadas a hipótesis de existencias de defectos tanto geomé-tricos como metalúrgicos en la cha-

pa, permiten en la actualidad elabo-rar modelos para obtener los Diagra-mas Límite de Conformado en base a unos pocos ensayos mecánicos en los que se determinan parámetros del material, fundamentalmente los factores n y R.

Se elaboran modelos de Dia-gramas Límite de Conformado para diferentes tipos de aceros también a partir del conocimiento de sus características metalúrgicas, tales como la textura cristalina, entre otras (Schwindt y otros, 2015).

CONCLUSIONES

La Mecánica del Continuo per-mite efectuar análisis de los procesos de conformado de chapas de acero basados en los estados de tensiones a los que se somete el material. De este modo es posible establecer re-laciones entre el modo en que la chapa se deforma y las propiedades mecánicas que debe poseer para de-

formarse sin llegar a la fractura. Se han desarrollado así ensayos mecá-nicos que permiten cuantificar las propiedades indicadas y seleccionar el acero más apto para el estampado de una pieza determinada.

REFERENCIAS

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(Hosford y Caddell, 1993).


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GLOSARIO

Conformado: Se usa este término para designar a los diferentes pro-cesos de modificar la forma de una pieza metálica en estado sólido. Es-tos procesos son posibles gracias a la propiedad que poseen los meta-les de deformarse sin romperse. En el caso de las chapas metálicas, este término permite englobar a procesos muy diferentes entre sí, como se po-drá ver en el presente trabajo.

Estampado: Se conoce con este nombre a toda operación de confor-mado que se lleve a cabo median-te el uso de estampas o matrices. El estampado es de uso prácticamente exclusivo en la producción indus-trial de series muy numerosas de piezas iguales. Engloba tanto a pro-cesos llevados a cabo a temperatu-ra ambiente, como a temperaturas elevadas. En este último caso se usa también el término “forjado”.

Trabajado mecánico: Es una acep-ción que indica el conformado, deri-vada del término metalworking usa-do en la literatura técnica en idioma inglés.

Tensión: Fuerza dividida por el área sobre la cual se aplica. También se usa el término esfuerzo con el mis-mo fin. En la literatura técnica se suele representar mediante la letra griega σ (sigma). Se habla de tensión nominal cuando se toma como refe-rencia el área inicial y tensión ver-dadera cuando se considera el área instantánea durante la deformación del material.

Deformación convencional: Rela-ción entre la variación dimensional provocada por la aplicación de una fuerza, y la dimensión original. Se representa mediante la letra e en el campo elástico y ε en el plástico. Al igual que para la tensión, la defor-mación real implica la considera-ción de la dimensión instantánea.

Campo elástico: Rango de tensiones y deformaciones en el cual el mate-rial recupera sus dimensiones origi-nales cuando se quita la carga.

Campo plástico: Cuando la carga supera un determinado valor, co-nocido como tensión de fluencia, quedan deformaciones permanentes al quitar las fuerzas aplicadas. Es el que tiene lugar en el conformado de piezas metálicas.

Palabras clave: conformado de chapas metálicas, ensayos, escenarios de conformabilidad.Key words: sheet-metal forming, tests, stamping settings.

PROPIEDADES MECáNICAS, ENSAYOS Y ESCENARIOS DE CONFORMABILIDAD DE CHAPAS

Wadi Chiapparoli

Instituto Argentino de SiderurgiaCargo: Jefe Sector Laminación y Producto (Asis-tencia a Procesos)


1. INTROdUCCIÓN.

El estampado de chapas es un tema relevante que atañe a fabri-cantes y usuarios de las mismas. La complejidad de formas requeridas por los diferentes sectores (automo-triz, línea blanca, envases, agrícola, etc.) y el desarrollo de nuevos ace-ros para lograr un equilibrio entre conformabilidad y propiedades me-cánicas en la pieza final, hace que el tema se torne aún más trascen-dental.

Los desafíos respecto al diseño de aceros y a las operaciones de estampado de piezas de chapas me-tálicas, crecen en forma continua, fundamentalmente por las nuevas y

complejas formas impuestas por el mercado y también por la necesidad de realizarlas con el menor espesor posible (menor peso).

En este marco, los avances en los métodos, estudios y conclusiones experimentales a nivel laboratorio, son de suma importancia y deben ir acompañando los desafíos comen-tados. Las nuevas prácticas, tienen que servir de vínculo para dar un eficiente apoyo a nivel industrial y permitir interactuar a los fabricantes y usuarios de las chapas con sufi-ciente nivel técnico.

En los análisis de conformado de chapas, se considera en líneas generales un estampado exitoso,

aquel en el cual la pieza obteni-da no presenta defectos, se realiza con mínimo consumo de material (tamaño y “arreglo” adecuado de los desarrollos en la hoja), elevada productividad en la fabricación y bajo desgaste del herramental. Este concepto general, debe respetarse como umbral, si bien luego en casos particulares pueden imponerse tam-bién otras condiciones.

En el presente artículo, se dis-cuten los aspectos claves a tener en cuenta a la hora de realizar estudios de conformabilidad y las herramien-tas más relevantes para efectuarlos (definiendo de esta forma propieda-des y ensayos) y se analiza la reso-lución de diferentes escenarios de

En el presente artículo, se presentan los aspectos claves a tener en cuenta a la hora de realizar estudios de conformabilidad y las herramientas importantes para efectuarlos y se analiza la resolución de diferentes escenarios de estampado de algunas piezas particulares, a modo de ejemplos.Si bien, de acuerdo a los estudios realizados, se llega a conclusiones y recomendaciones para cada caso particular, hay un eje en común: la relación fluida entre ensayos de laboratorio y la práctica industrial es la forma más adecuada para transitar un camino eficiente que permita comprender y resolver los desafíos actuales en casos de conformado de chapas.

In this article, the key aspects to be taken into account when performing formability studies and the tools involved are listed. Additionally, the resolution of different stamping settings of some parts, is analyzed, as examples.According to the studies carried out, conclusions and recommendations are obtained for each case; however, a common issue may be established: the relationship between laboratory tests and industrial practice is the most appropriate way to understand and solve the current challenges in the sheet metal forming.

47Propiedades mecánicas, ensayos y escenarios de conformabilidad de chapas

durecimiento n medio y los de ani-sotropía normal y planar (R medio y DR respectivamente). Los mismos fueron citados conceptualmente en un artículo previo.

Cabe recordar que el valor del coeficiente n, es un muy buen índi-ce de la capacidad de distribución de las deformaciones en casos de es-tirado y el valor de R para aquellos donde prepondera el embutido.

Como consecuencia del traba-jo conjunto del Instituto Argentino de Normalización y Certificación (IRAM) con el Instituto Argentino de Siderurgia (IAS), se han puesto en vigencia un numeroso grupo de normas IRAM-IAS. Entre ellas, exis-ten dos específicas para determinar los parámetros mencionados (IRAM IAS U 500-45 para el coeficiente n e IRAM IAS U 500-44 para el valor de R).

La respuesta plástica de los ma-teriales, ante procesos de deforma-ción en frío (como criterio, aquellos que se efectúan a temperaturas por debajo de 0,5 de la temperatura de fusión del material, expresadas am-bas en grados absolutos), se rige fun-damentalmente por la ecuación de Hollomon (Mazini y otros, 1973):

Donde: K es la tensión con la cual comienza la deformación plás-tica y n es el exponente o coeficien-te de endurecimiento.

El valor de n es un indicativo de la posibilidad del material de ir en-dureciendo a medida que se defor-ma, es decir distribuir en forma ho-mogénea las deformaciones, demo-rando de esta manera la estricción localizada. Por lo tanto, es muy im-portante que dicho valor sea eleva-do y sobre todo en operaciones con alta componente de estirado.

estampado de algunas piezas parti-culares, a modo de ejemplos.

2. dESARROLLO.

Los procesos de deformación plástica volumétrica, imponen el flujo del material en todas direccio-nes, y su capacidad para deformarse se conoce como trabajabilidad. En procesos de trabajado de chapas, las deformaciones son esencialmente bidimensionales y los límites de las mismas se expresan como confor-mabilidad. Este último, es claramen-te, el caso que se pretende abordar en este trabajo.

Los procesos de conformado de metales constituyen uno de los más importantes en la industria moderna, tanto por su volumen de producción como por el grado de perfecciona-miento alcanzado.

Para atacar el tema, se pueden bosquejar dos ejes fundamentales:

ü Tipo de material empleado (fun-ción de la composición química y del proceso termomecánico de obtención del mismo), lo cual dará como resultado propieda-des mecánicas, metalográficas y superficiales en el mismo.

ü Variables operativas de los pro-cesos de conformado: diseño del herramental, cargas, presiones del prensachapas, velocidades de deformación, lubricación, dimensiones del desarrollo, etc.

Se desarrollaron y pueden utili-zarse a nivel laboratorio diferentes técnicas, para obtener resultados sa-tisfactorios que logren ser aplicados con éxito en la industria del estam-pado de chapas. Cuando se confor-ma una pieza, es importante, cono-cer los caminos de deformación a los cuales están sometidas las zonas críticas.

Desde la dureza (como propie-dad inicial, casi primitiva para el análisis), hasta la obtención de los diagramas límite de conformado para cada combinación material / espesor y su contraste frente a las deformaciones determinadas en las piezas, el abanico intermedio de po-sibilidades es muy extenso (Ibarron-do Martinez Iturralde, 1985).

A continuación, se plantea un enfoque de marco teórico – experi-mental de dichas posibilidades y su aplicación a la resolución de casos prácticos reales en situaciones de estampado de piezas.

2.1. PROPIEdAdES MECÁNICAS GENERALES y ASPECTOS METALO-GRÁFICOS

Existe un análisis preliminar con-sistente en la determinación de pro-piedades mecánicas y de caracterís-ticas microestructurales, que servirá para tener una evaluación inicial del comportamiento del material ante operaciones de estampado. Además de la determinación de durezas, se pueden obtener valores importantes como: tensión de fluencia, tensión de rotura, alargamiento uniforme, relación elástica (fluencia/rotura), en base a ensayos de tracción uniaxial (Dieter, 1986).

A nivel metalográfico, se pueden evaluar aspectos que brindan tam-bién información de importancia para el desempeño frente a los pro-cesos de conformado: nivel inclu-sionario, microestructura, tamaño de grano, etc.

2.2.PROPIEdAdES MECÁNICAS AVANZAdAS

Del análisis del comportamiento en tensiones (σ) – deformaciones (ε) del material, bajo ciertos criterios establecidos por normas, pueden determinarse el coeficiente de en-


Los valores de n se determinan con probetas extraídas en forma pa-ralela, diagonal y transversal respec-to a la dirección de laminación (es decir 0, 45 y 90º). De esta manera, puede obtenerse un valor medio.

Respecto a la anisotropía, la mis-ma se determina por medio del pa-rámetro R (que relaciona las defor-maciones en el plano de la chapa, respecto a las mismas en el espesor) (Hosford y Caddell, 1993). Cuanto mayor es el valor R, mejor será la condición, desde el punto de vista que se retarda la disminución del es-pesor (estricción), fundamentalmen-te cuando el estampado involucra componentes de embutido. Es lla-mado también índice de Lankford.

También se determinan los va-lores R en las tres direcciones (0, 45 y 90º) y de esta manera pueden calcularse los R medio y DR, de la siguiente forma:

Como puede entenderse, es im-portante que el R medio sea eleva-do. Esto indica que los R individua-les, son altos.

A su vez, es importante que el valor DR sea tendiente a cero, ya que esto indica que las deformacio-nes se distribuyen en forma equi-librada en el plano de la chapa (y se estaría evitando la formación de “orejas” por ejemplo en el caso de un embutido cilíndrico). Lo expues-to, puede observarse en la figura 1 (Iurman, 2008).

Figura 1. Ejemplo de aparición de “orejado” en embutido, debido a valo-res ΔR distintos de cero. (Iurman, 2008).

Figura 2. Imagen del equipo para ensayos Erichsen y probetas ensayadas a la rotura. (Norma IRAM – IAS U 500 – 116 / Instituto Argentino de Si-derurgia – IAS).


2.3. ENSAyOS SIMULATIVOS

Son ensayos en los cuales, ade-más de las propiedades de las cha-pas en sí (campo de los ensayos in-trínsecos- como el de tracción), se tiene en cuenta el rol de otros as-pectos vinculados al proceso de es-tampado (lubricación, velocidades, presiones, etc.). Es decir, tal como la palabra lo dice, apuntan a re-producir o simular las condiciones del conformado en planta indus-trial. Existen varios, para distintas aplicaciones, entre los más impor-tantes: Erichsen, Swift, Fukui, etc. (Chiapparoli, 2011).

En la figura 2 puede apreciarse esquemáticamente y una imagen real del equipo Erichsen, además de una probeta ensayada.

Este ensayo también se encuen-tra encuadrado en una Norma, en este caso la IRAM – IAS U 500 – 116. Del mismo, se obtienen valo-res del llamado Índice Erichsen - I. E. (penetración del punzón hasta la rotura pasante en la chapa) y es una buena referencia sobre todo cuando en la operación son importantes las componentes de estirado.

En la figura 3 pueden apreciarse esquemáticamente, las condiciones del equipo para el ensayo Swift,

además de imágenes de probetas en-sayadas (copas con fallas en los ex-tremos y copa sin inconvenientes en el centro). Del mismo, se obtienen los valores R. L. E. (relación límite de embutido) que es la máxima rela-ción que se puede obtener sin fallas entre el diámetro original disco y el de la copa formada. Es una buena referencia, sobre todo cuando hay fuertes componentes de embutido en la operación (Schey, 2006).

Otro ensayo interesante, es el llamado Fukui, en el cual la matriz es cónica y el punzón una bola es-

férica. De esta forma, debido a la geometría del herramental, se logra una combinación de componentes de embutido y estampado. El mismo puede observarse esquemáticamen-te en la figura 4 (Miles, 2006).

2.4. dIAGRAMA LíMITE dE CONFORMAdO y GRILLAdO dE dESARROLLOS PARA ESTAMPAdO INdUSTRIAL.

No existe ningún ensayo (intrín-seco o simulativo), que pueda apor-tar por si solo la solución (o sea, proporcionar un criterio eficaz de

Figura 3. Imagen esquemática de las condiciones para ensayo y probetas ensayadas. (Schey, 2006).

Figura 4. Imagen esquemática de las condiciones para el ensayo Fukui (he-rramental y probeta ensayada). (ASM Metals Handbook Vol. 14B, 2006).


predicción) a problemas industriales derivados de un proceso complejo de estampado. El empleo de unos u otros ensayos o sus combinaciones, vendrá de la mano del tipo de estu-dio requerido.

De allí, la necesidad de la ob-tención de los llamados diagramas límite de conformado (D. L. C.), que permiten analizar en forma global y conjunta los factores intrínsecos del material así como los externos que intervienen en el proceso de estampado, teniendo de esta forma un “mapa” completo de la situa-ción. Para esto se mecanizan dis-tintas geometrías de probetas, las cuales se grillan con un reticulado normalmente de círculos, de mane-ra tal que el mismo sea superficial y no provoque entallas en el material. Luego se realizan diferentes ensayos mecánicos y la medición de dicha grilla deformada permitirá obtener los pares de deformaciones (ε1, ε2),

cuya representación en un gráfico con cierto criterio selectivo, servirá para determinar el diagrama D. L. C. (curva de rotura y curva de confor-mado). La idea general de obtención de los mismos, fue expuesta en otro artículo. Es importante reforzar el concepto de que existen una serie de ensayos específicos para su ob-tención y que los mismos y los cri-terios de análisis, se encuentran en-marcados en la Norma NF EN ISO 12004 – 2 (diciembre de 2008).

El escenario se completa, si so-bre los desarrollos también se efec-túa dicho grillado, de manera tal de estamparlos en planta (probando inclusive distintas alternativas de va-riables de operación) y luego se de-terminan las deformaciones en los sucesivos golpes de prensa hasta la pieza final y se las contrasta en rela-ción al D. L. C. obtenido.

Lo comentado en los últimos tres

párrafos, genéricamente y a modo de ejemplo, puede observarse en la figura 5.

2.5. OTRAS CONSIdERACIO-NES dE ANÁLISIS.

Todo lo dicho en los apartados anteriores es de gran importancia para el análisis de las situaciones de estampado de chapas. Existen ade-más algunos otros aspectos a tener en cuenta, que por su extensión no serán detallados en el presente artí-culo, pero que es necesario en mu-chos casos tener presente.

Algunos de ellos están vincula-dos a ensayos de Laboratorio, para evaluar respuestas específicas: ex-pansión de orificios (hole expan-sion), fenómenos de recuperación elástica (spring back), determinación de rugosidades, ensayos de fricción tipo Renault o Inland, etc. Otros tie-nen que ver con un enlace teórico

Figura 5. Diagrama DLC genérico a modo de ejemplo. (Schey, 2006).


– práctico de las situaciones de es-tampado en la planta misma: condi-ciones y variables de las operacio-nes y su secuencia para conformar la pieza final, modos de lubricación y tipos de lubricantes, conceptos de diseño y mantenimiento del herra-mental, condiciones superficiales y puesta a punto del mismo, la pericia para determinar a partir de las ca-racterísticas de las fallas o defectos cuales son las conjeturas más proba-bles, etc.

2.6. EJEMPLOS dE ESCENARIOS RESUELTOS

A partir del entendimiento del conjunto de cuestiones planteadas en los apartados anteriores, se de-ben estudiar los casos particulares, con los objetivos de: ubicar y resol-ver las zonas críticas de las piezas de la mejor forma posible, determi-nar la severidad del proceso y/o es-tablecer márgenes de seguridad ma-yores (procesos más robustos) o in-clusive lograr proponer mejoras que redunden en baja de costos (Oehler, 1977).

Se presentan a modo de ejem-plo, algunos casos particulares estu-diados, que mediante determinados

análisis permitieron establecer con-clusiones para transitar el camino de resolución o mejoras, mencionado en el párrafo anterior.

Caso Industria Agrícola

Es una pieza para utilización en el sector agrícola, la cual fue obte-nida mediante procesos de cortes y plegados, a partir de chapa lamina-da en caliente de espesor 5/8”.

En algunos productos procesados aparecieron agrietamientos, en las zonas del plegado central (tal como puede observarse en la figura 6).

Se verifica desde el punto de vista químico y de propiedades me-cánicas y el material cumple con lo especificado por la norma del mate-rial correspondiente. En paralelo, en el análisis metalográfico, se observa que no existen anomalías.

Superada esta instancia, el análi-sis se profundiza en el procesamien-to. Las grietas aparecen del lado externo del doblado (solicitaciones de tracción), que es la zona más comprometida por el estado de ten-siones. De esta manera, se descartan cuestiones vinculadas al herramen-

tal (zona de compresión).

Se determinó metalográfica-mente, la dirección de laminación. Para este caso, la línea de plegado es paralela a dicha dirección, lo cual no es favorable. Se recomienda entonces realizar los plegados, de manera tal que la línea de doblado sea perpendicular a la dirección de laminación. Debido a que esto po-dría ocasionar un compromiso, en lo vinculado al máximo aprovecha-miento del material, otra alternativa de mejora sería recurrir a un aporte de calor previo al plegado, logrando ablandar por temperatura las zonas de corte (que a nivel metalográfico, se observaron endurecidas).

Lo referido, respecto a la direc-ción conveniente de doblado, se ilustra en la figura 7, donde clara-mente se observa como la opción de la derecha indicada como (b), es la favorable. En efecto, durante la lami-nación de las chapas, las inclusiones se alargan en la dirección de lami-nación. El doblado implica esfuer-zos de tracción en la parte externa del proceso. Si estos esfuerzos son perpendiculares a la inclusión, será más probable que sobrevenga la ro-tura, que si los mismos están orien-

Figura 6. Pieza cortada y plegada en tres zonas, que presentó agrietamiento en el plegado central. (Instituto Ar-gentino de Siderurgia – IAS).


tados según se indica en la figura 7(b) (Kalpakjian, 2002).

Las inclusiones presentes en los aceros (clasificadas de acuerdo a su tamaño y a su morfología: sulfuros, óxidos, aluminatos, silicatos), son perjudiciales para las operaciones de conformado, pues como elemen-tos duros, perjudican los niveles de ductilidad de los materiales. Es por ello de gran importancia, el correcto control de inclusiones en el proce-so de acería, para lograr los “aceros limpios” (es decir con el menor nú-mero y tamaño de inclusiones posi-ble).

Cabe aclarar que las denomina-das inclusiones son partículas no metálicas duras (“suciedad” del ace-ro), con origen en el proceso de ace-ría, y que tratan de minimizarse con un correcto tratamiento químico y fluidodinámico del acero líquido en los distintos reactores del proce-so (convertidor, cuchara, repartidor, molde).

Caso Industria Automotriz

Se trata de una pieza conformada a partir de una chapa laminada en frío y recocida, de espesor 0,7 mm. Las piezas se obtienen en sucesivos

golpesde prensa y el objetivo es de-terminar las deformaciones produci-das en las zonas críticas de dichas piezas grilladas y estampadas en planta industrial, a fin de relacionar-las al diagrama límite de conforma-do (DLC) del material, para analizar

la situación global del estampado.

Se identifican claramente dos zonas críticas, tal como puede ob-servarse en la figura 8 (denominadas “escalón” y “manija”).

Figura 7. Esquemas de las situaciones de doblado – dirección de laminado, respecto a la situación de las inclu-siones. (Kalpakjian, 2002).

Figura 8. Pieza grillada y estampada, donde se indican las zonas críticas. (Instituto Argentino de Siderurgia – IAS).


Los desarrollos grillados se pro-cesan luego de una buena cantidad de chapas, de manera de tener el proceso en ajuste y condiciones es-tables.

No se encontraron problemas de roturas, ni estiramientos severos, es decir que las piezas procesadas sa-lieron en buenas condiciones. Esto se verificó extrayendo una pieza ter-minada de cada lateral, como testi-go.

En los gráficos de la figura 9, pueden observarse la ubicación de los puntos medidos (círculos defor-mados), respecto al DLC correspon-diente obtenido para este material. Es importante tener en cuenta que cada punto dibujado en el gráfico, proviene en realidad de varios círcu-los de la grilla medidos (que coinci-den en sus valores de coordenadas).

Las zonas del “escalón” no apa-recen comprometidas, estando las deformaciones bastante por debajo del límite de seguridad del diagra-ma. Las zonas de la “manija” son más cercanas al límite, apareciendo algunos puntos inclusive en zona de transición (o sea entre ambas curvas – de conformado y de rotura -).

A partir de este estudio se logra

conocer cuáles son los puntos críti-cos y donde se encuentran ubicados en la relación embutido-estirado, lo cual permite sugerir acciones con el objetivo de situar el panorama en una condición más robusta (o sea lograr trabajar en prensa, con mayor margen de seguridad).

Caso Industria línea blanca

Se trata de piezas estampadas para electrodomésticos, a partir de

flejes de calidad embutido extra pro-fundo (espesor 1,6 mm), tal como puede observarse en la figura 10.

Se analizan las deformaciones producidas en zonas críticas de las piezas conformadas y se relacionan estos datos con el diagrama límite de conformado correspondiente (figura 11). Esto se acompaña de un estudio metalográfico y de propiedades me-cánicas específicas.

Figura 9. Diagrama límite de conformado del material y contraste con los puntos medidos en las piezas grilladas y estampadas en planta. (Instituto Argentino de Siderurgia – IAS).

Figura 10. Pieza grillada y estampada (línea blanca). (Instituto Argentino de Siderurgia – IAS).


Como puede observarse en las curvas, se llega a valores de defor-mación menor del orden de -35%. Esto es propio del procedimiento de su construcción, debido a que el di-seño de probetas (camino de defor-maciones) con el cual se construye el diagrama límite de conformado, no permite extenderse más allá de esos valores.

Por tratarse la zona de rotura de puntos correspondiente a un embu-tido profundo, los círculos origina-les de la grilla se han convertido en elipses con elevados valores de de-formación mayor y menor. Esto hace que se ubiquen fuera del alcance del diagrama DLC teórico. Sin embargo, si se extrapolaran las curvas del mis-mo (lo cual es difícil de imaginar, porque no se sabe a ciencia cierta cómo podría seguir su trayectoria), daría la impresión que esa “nube” de puntos está muy al límite de la curva de rotura e inclusive podrían sobrepasarla.

En este contexto, será fundamen-tal el correcto ajuste de parámetros en el proceso de embutido y el con-trol estricto de las propiedades me-cánicas de las chapas, para lograr

piezas sanas. Es posible de lo con-trario, que se esté como mínimo en zona de transición (entre curvas roja y verde del diagrama), con marcada estricción y camino a una probable rotura.

3. CONCLUSIONES.

Existen una serie de aspectos cla-ves que deben ser tenidos en cuenta a la hora de realizar estudios de con-formabilidad y distintas herramien-tas importantes (de razonamiento, experimentales y de seguimiento en plantas industriales), para llegar a re-sultados exitosos.

Se puede resumir diciendo, que si bien de acuerdo a los estudios realizados, se llega a conclusiones y recomendaciones para cada caso particular, existe siempre un eje en común: la relación fluida y adecua-da entre ensayos de laboratorio y la práctica industrial.

Aunque este camino, a primera vista sea más largo, la experiencia ha demostrado por las conclusiones obtenidas, que se acortan los tiem-pos de resolución a futuro. Esto es debido a que de esta forma, se logra

interpretar el tema de manera com-pleta y no se ha resuelto mediante “prueba y error”.

REFERENCIAS.

Chiapparoli W. (2011 a 2018). Curso de Conformado de chapas, IAS.

Dieter G.E. (1986) Mechanical Me-tallurgy. Third Edition, McGraw-Hill.

Hosford W.F., Caddell R.M. (1993) Metal Forming – Mechanics and Metallurgy, Second edition, Prentice Hall. Cap. 13, Plastic Anisotropy.

Ibarrondo Martinez Iturralde I. (1985). Embutición Extraprofun-da.

Iurman L. (2008) Conformado de Chapas Metálicas. IAS.

Kalpakjian S., Schmid S.R. (2002) Manufactura, ingeniería y tec-nología. Cuarta edición, Pearson Educación – Prentice-Hall, Méxi-co.

Keeler S., Kimchi M. (2015) Advan-ced High-Strength Steels Appli-cations Guidelines.

Mazini N.E., Iurman L., Saenz Lopez A., Lucaioli A.O., Blanco J.M. (1973). Parámetros mecánicos que inciden en la estampabilidad de chapas metálicas. Seminario Latinoamericano sobre la calidad de los productos laminados. Ins-tituto Latinoamericano del Fierro y del Acero, ILAFA.

Miles M. (2006) Formability Testing of Sheet Metals. ASM Metals Handbook 14B, ASM Internatio-nals, 673 – 696.

Oehler G. (1977) Herramientas de troquelar, estampar y embutir.

Figura 11. Diagrama límite de conformado del material y contraste con los puntos medidos en las piezas. (Instituto Argentino de Siderurgia – IAS).

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