Comportamiento de los Materiales ante la Deformación Plástica

En el estudio de la curva tensión-deformación, el endurecimiento en frío ocurre al superar el límite elástico, provocando que la fluencia se manifieste a una tensión mayor, aunque la ductilidad se reduce. La Ley de Hollomon expresa este fenómeno relacionando la tensión verdadera y la deformación verdadera.

Limitaciones del Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción presenta limitaciones significativas: se realiza habitualmente a temperatura ambiente, muestra una ductilidad baja, resulta complicado realizar ensayos a velocidad de deformación constante y no reproduce fielmente los estados tensionales característicos de procesos industriales concretos. Como alternativas, se emplean el ensayo de torsión y el de compresión (a temperatura y velocidad constantes), además de ensayos específicos para el conformado de chapa.

Factores que Influyen en la Fluencia

La fluencia de un material depende de:

  • Temperatura: Su aumento provoca una reducción de la tensión de fluencia (σf).
  • Velocidad de deformación: Al aumentar la velocidad, se incrementa el límite elástico.
  • Estado tensional: Determina el inicio de la fluencia en estados biaxiales y triaxiales. El criterio de Von Mises determina el inicio de la fluencia en estados triaxiales, mientras que la tensión media informa sobre las tensiones en el componente deformado.
  • Otros factores: La fricción, el uso de lubricantes y la ductilidad del material a la temperatura de trabajo.

La influencia del trabajo en caliente sobre la metalurgia de la pieza conlleva la desaparición de la estructura de grano original, creando una nueva estructura con propiedades mejoradas en ductilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga.

Comportamiento de la Chapa ante la Deformación

Materiales Frecuentes

Entre los materiales más utilizados destacan el acero al carbono (por su ductilidad), el aluminio, el acero inoxidable y los aceros de alto límite elástico. En estos procesos aparecen estados tensionales muy diversos que pueden generar defectos. Un ejemplo claro es la embutición de una copa, donde se observa embutición pura en el ala, tracción biaxial en la pared y biaxial pura y equilibrada en el fondo.

Isotropía y Anisotropía

Un material isótropo presenta las mismas características mecánicas en todas las direcciones; sin embargo, la chapa no lo es. La anisotropía se mide mediante el Índice de Lankford. En la industria se busca una alta ductilidad en todas las direcciones y una alta resistencia a la deformación en la dirección del espesor. Para obtener este índice, se alarga una probeta entre un 15-20% y se calcula el cociente entre la deformación verdadera circunferencial y la normal.

  • Anisotropía Normal: Un valor alto indica buena resistencia al adelgazamiento.
  • Anisotropía Plana: Un valor cercano a 0 indica una buena capacidad de deformación uniforme.

Ensayos de Conformabilidad

  • Ensayo Erichsen (IE): Consiste en embutir con un punzón esférico hasta que la carga disminuye; el IE es el desplazamiento máximo del punzón en la rotura.
  • LDR (Limit Drawing Ratio): Es el diámetro máximo que se puede embutir para un diámetro prefijado. El diámetro del punzón suele ser 4-10 veces el espesor de la chapa (LDR ≈ 2).
  • Diagramas FLD (Forming Limit Diagrams): Representan los límites de seguridad y fallo. Definen las zonas del plano donde se conforma una pieza sin llegar a la rotura, basándose en las deformaciones principales.
  • Curva Límite de Fallo: Se obtiene mediante un ensayo normalizado con círculos que se transforman en elipses, prediciendo el comportamiento de la chapa.

Aceros Avanzados y Conformado en Caliente

Existen tres tipos de aceros de alto límite elástico: de baja resistencia (alta ductilidad), de alta resistencia (para trabajo en frío y caliente) y avanzados/ultra alta resistencia (óptimos para la absorción de energía en impactos). El conformado en caliente (Hot Stamping) de aceros al boro implica calentar la chapa por encima de la temperatura de austenización, lo que reduce el límite elástico, aumenta la ductilidad y minimiza la recuperación elástica.

Diseño de Operaciones de Conformado de Chapa

Corte

La fuerza de corte se define como Fc = τ * p * e (donde τ es la tensión de cizalladura, p el perímetro de punzonado y e el espesor). La fuerza de extracción del punzón suele ser el 10% de la fuerza de punzonado.

Embutición

  • Relación de embutición (Bo): D/d.
  • Radios de redondeo: En la matriz (Rm) se calcula como 0,8 * ((D-d) * e)^0,5. En el punzón (Rp), debe ser 3-5 veces el espesor.
  • Juego Punzón-Matriz: w = e * Bo^0,5.
  • Fuerza de embutición: F = n * π * d * e * σ (donde n = 1,2 * (Bo-1) / (LDR-1)).

Doblado

El radio mínimo es crítico para evitar grietas: r = e * (0,85 * (σ / ε) + 0,5). Tras retirar la carga, ocurre el Springback (recuperación elástica), que se soluciona sobreflexionando entre 1º y 4º. La fuerza de doblado se calcula como F = 1,3 * L * σ * (e² / V), donde V es la abertura de la matriz.

Fundición en Molde Permanente

A diferencia de la fundición en arena (un molde por pieza), la fundición en molde permanente utiliza moldes metálicos reutilizables para largas tiradas, reduciendo costes unitarios. Se emplea en materiales de bajo punto de fusión como:

  • Zinc: Económico, dúctil y de larga vida para los moldes.
  • Aluminio: Ligero, permite geometrías complejas.
  • Magnesio: Muy ligero y fácil de mecanizar.
  • Cobre: Posee altas propiedades mecánicas.

Procesos de Moldeo

  • Moldeo por gravedad: Velocidad de llenado limitada y ciclos largos.
  • Inyección: Material bajo presión con ciclos cortos y excelentes acabados. Se divide en Cámara Caliente (zona de fusión integrada, presiones hasta 35 MPa) y Cámara Fría (zona de fusión externa, presiones de 20-100 MPa).
  • Moldeo a baja presión: Permite el uso de machos y no tiene límite de peso.
  • Moldeo centrífugo: Ideal para piezas cilíndricas sin necesidad de machos.

Parámetros de los Moldes de Inyección

Los moldes son complejos y de acero de alta dureza. Incluyen sistemas de cierre, refrigeración, carros para contrasalidas, rebosaderos (para atrapar impurezas y gases) y sistemas de eliminación de aire (vacío o conductos). Los cálculos básicos incluyen el tiempo de llenado, la sección de los ataques (s = Q / Vrec), la velocidad del pistón y la fuerza de cierre (Fcierre = P inyección * Superficie proyectada).

Fabricación Aditiva

Procesos que obtienen piezas mediante el aporte de material capa a capa a partir de un modelo CAD. Reduce el Lead Time y ofrece libertad geométrica. El espesor de capa varía desde 30 micras hasta 2 mm.

Tecnologías Principales

  • FDM (Modelado por Deposición Fundida): Extrusión de filamento plástico. Económico pero con propiedades mecánicas limitadas y alta rugosidad.
  • Estereolitografía (SLA) / Polyjet: Fotopolimerización de resina líquida mediante láser o luz UV. Alta precisión, aunque los materiales pueden ser tóxicos.
  • SLM (Fusión Selectiva por Láser): Fusión de polvo metálico en atmósfera de argón. Alta integridad metalúrgica pero coste elevado.
  • LMD (Deposición de Metal por Láser): Inyecta material mientras lo funde. Ideal para componentes de gran tamaño, aunque requiere mecanizado final.

Sinterizado (Metalurgia de Polvos)

Mediante la combinación de presión y temperatura, se logra la unión de partículas de polvo para obtener piezas de alta calidad. El proceso incluye: mezclado, compactado y sinterizado.

Características y Producción del Polvo

El polvo se define por su tamaño (medido con cribas), forma (esférica, gota, etc.) y fricción/flujo. Se produce mediante atomización (desintegración con gas inerte) o métodos químicos (reducción de óxidos).

Compactación y Sinterizado

En la compactación, se prensan los polvos con aglutinantes; a mayor presión, mayor densidad y resistencia en verde. El sinterizado calienta la pieza al 70-80% de su temperatura de fusión en atmósfera controlada para generar puentes entre partículas por difusión, lo que provoca la contracción de la pieza final.