Se pueden obtener beneficios al comprender una capa de la estructura granular que controla el comportamiento mecánico del acero inoxidable. Getty Images
La selección de acero inoxidable y aleaciones de aluminio generalmente se centra en la resistencia, la ductilidad, la elongación y la dureza. Estas propiedades indican cómo responden los componentes básicos del metal a las cargas aplicadas. Son un indicador eficaz para gestionar las limitaciones de la materia prima; es decir, cuánto se doblará antes de romperse. La materia prima debe ser capaz de soportar el proceso de moldeo sin romperse.
Los ensayos destructivos de tracción y dureza son un método fiable y económico para determinar las propiedades mecánicas. Sin embargo, estos ensayos no siempre son tan fiables una vez que el grosor de la materia prima empieza a limitar el tamaño de la muestra. Los ensayos de tracción de productos metálicos planos siguen siendo útiles, por supuesto, pero se pueden obtener ventajas analizando con mayor detalle una capa de la estructura granular que controla su comportamiento mecánico.
Los metales están formados por una serie de cristales microscópicos llamados granos. Estos se distribuyen aleatoriamente por todo el metal. Los átomos de los elementos de aleación, como el hierro, el cromo, el níquel, el manganeso, el silicio, el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre en los aceros inoxidables austeníticos, forman parte de un solo grano. Estos átomos forman una solución sólida de iones metálicos, que se unen a la red cristalina a través de sus electrones compartidos.
La composición química de la aleación determina la disposición termodinámicamente preferida de los átomos en los granos, conocida como estructura cristalina. Las porciones homogéneas de un metal que contienen una estructura cristalina repetitiva forman uno o más granos llamados fases. Las propiedades mecánicas de una aleación dependen de la estructura cristalina de la misma. Lo mismo ocurre con el tamaño y la disposición de los granos de cada fase.
La mayoría de las personas están familiarizadas con las fases del agua. Cuando el agua líquida se congela, se convierte en hielo sólido. Sin embargo, en el caso de los metales, no existe una sola fase sólida. Ciertas familias de aleaciones reciben su nombre de sus fases. Entre los aceros inoxidables, las aleaciones austeníticas de la serie 300 consisten principalmente en austenita cuando se recocen. Sin embargo, las aleaciones de la serie 400 consisten en ferrita en el acero inoxidable 430 o martensita en las aleaciones de acero inoxidable 410 y 420.
Lo mismo ocurre con las aleaciones de titanio. El nombre de cada grupo de aleación indica su fase predominante a temperatura ambiente: alfa, beta o una mezcla de ambas. Existen aleaciones alfa, casi alfa, alfa-beta, beta y casi beta.
Cuando el metal líquido se solidifica, las partículas sólidas de la fase termodinámicamente preferida precipitarán donde la presión, la temperatura y la composición química lo permitan. Esto suele ocurrir en las interfaces, como los cristales de hielo en la superficie de un estanque caliente en un día frío. Cuando se nuclean los granos, la estructura cristalina crece en una dirección hasta que se encuentra con otro grano. Los límites de grano se forman en las intersecciones de redes no coincidentes debido a las diferentes orientaciones de las estructuras cristalinas. Imagínese colocar un montón de cubos de Rubik de diferentes tamaños en una caja. Cada cubo tiene una disposición de cuadrícula cuadrada, pero todos estarán dispuestos en diferentes direcciones aleatorias. Una pieza de trabajo de metal completamente solidificada consiste en una serie de granos orientados aparentemente al azar.
Siempre que se forma un grano, existe la posibilidad de que aparezcan defectos lineales. Estos defectos son partes faltantes de la estructura cristalina llamadas dislocaciones. Estas dislocaciones y su posterior movimiento a través del grano y de los límites de grano son fundamentales para la ductilidad del metal.
Se monta una sección transversal de la pieza, se lija, se pule y se ataca químicamente para observar la estructura del grano. Cuando son uniformes y equiaxiales, las microestructuras observadas con un microscopio óptico se parecen un poco a un rompecabezas. En realidad, los granos son tridimensionales y la sección transversal de cada grano variará según la orientación de la sección transversal de la pieza.
Cuando una estructura cristalina está llena de todos sus átomos, no hay espacio para ningún movimiento que no sea el estiramiento de los enlaces atómicos.
Cuando se elimina la mitad de una fila de átomos, se crea una oportunidad para que otra fila de átomos se deslice en esa posición, moviendo efectivamente la dislocación. Cuando se aplica una fuerza a la pieza de trabajo, el movimiento agregado de las dislocaciones en la microestructura le permite doblarse, estirarse o comprimirse sin romperse.
Cuando una fuerza actúa sobre una aleación metálica, el sistema aumenta su energía. Si se añade suficiente energía para provocar una deformación plástica, la red cristalina se deforma y se forman nuevas dislocaciones. Parece lógico que esto aumente la ductilidad, ya que libera más espacio y, por lo tanto, crea el potencial para un mayor movimiento de las dislocaciones. Sin embargo, cuando las dislocaciones chocan, pueden fijarse entre sí.
A medida que aumenta el número y la concentración de dislocaciones, cada vez más dislocaciones quedan ancladas entre sí, lo que reduce la ductilidad. Finalmente, aparecen tantas dislocaciones que el conformado en frío deja de ser posible. Dado que las dislocaciones ancladas existentes ya no pueden moverse, los enlaces atómicos de la red se estiran hasta que se rompen. Por eso las aleaciones metálicas se endurecen por deformación y por eso existe un límite a la cantidad de deformación plástica que un metal puede soportar antes de romperse.
El grano también juega un papel importante en el recocido. El recocido de un material endurecido por deformación esencialmente restablece la microestructura y, por lo tanto, restaura la ductilidad. Durante el proceso de recocido, los granos se transforman en tres etapas:
Imagina a una persona caminando por un vagón de tren abarrotado. Las multitudes solo pueden moverse dejando huecos entre las filas, como dislocaciones en una celosía. A medida que avanzan, las personas que vienen detrás llenan el vacío que dejan, mientras que ellos crean nuevo espacio delante. Una vez que llegan al otro extremo del vagón, la disposición de los pasajeros cambia. Si demasiadas personas intentan pasar al mismo tiempo, los pasajeros que intentan dejar espacio para su movimiento chocarán entre sí y golpearán las paredes del vagón, inmovilizándolos a todos. Cuantas más dislocaciones aparezcan, más difícil les resultará moverse al mismo tiempo.
Es importante comprender el nivel mínimo de deformación necesario para desencadenar la recristalización. Sin embargo, si el metal no tiene suficiente energía de deformación antes de ser calentado, la recristalización no ocurrirá y los granos simplemente seguirán creciendo más allá de su tamaño original.
Las propiedades mecánicas se pueden ajustar controlando el crecimiento del grano. Un límite de grano es esencialmente una pared de dislocaciones. Estas dificultan el movimiento.
Si se restringe el crecimiento del grano, se producirá un mayor número de granos pequeños. Estos granos más pequeños se consideran más finos en términos de estructura granular. Un mayor número de límites de grano implica menor movimiento de dislocaciones y mayor resistencia.
Si no se restringe el crecimiento del grano, la estructura del grano se vuelve más gruesa, los granos son más grandes, los límites son menos definidos y la resistencia es menor.
El tamaño del grano se suele expresar como un número adimensional, comprendido entre 5 y 15. Se trata de una relación relativa con el diámetro medio del grano. Cuanto mayor sea el número, más fina será la granulometría.
La norma ASTM E112 describe los métodos para medir y evaluar el tamaño del grano. Consiste en contar la cantidad de grano en un área determinada. Esto generalmente se realiza cortando una sección transversal de la materia prima, puliéndola y luego grabándola con ácido para exponer las partículas. El conteo se realiza bajo un microscopio, y la magnificación permite un muestreo adecuado de los granos. Asignar números de tamaño de grano ASTM indica un nivel razonable de uniformidad en la forma y el diámetro del grano. Incluso puede ser ventajoso limitar la variación en el tamaño del grano a dos o tres puntos para garantizar un rendimiento uniforme en toda la pieza de trabajo.
En el caso del endurecimiento por deformación, la resistencia y la ductilidad tienen una relación inversa. La relación entre el tamaño de grano ASTM y la resistencia tiende a ser positiva y fuerte; generalmente, la elongación está inversamente relacionada con el tamaño de grano ASTM. Sin embargo, un crecimiento excesivo del grano puede provocar que los materiales "muy blandos" dejen de endurecerse eficazmente por deformación.
El tamaño del grano se suele expresar como un número adimensional, entre 5 y 15. Se trata de una relación relativa con el diámetro medio del grano. Cuanto mayor sea el valor del tamaño del grano según la norma ASTM, mayor será la cantidad de granos por unidad de área.
El tamaño del grano del material recocido varía con el tiempo, la temperatura y la velocidad de enfriamiento. El recocido se realiza generalmente entre la temperatura de recristalización y el punto de fusión de la aleación. El rango de temperatura de recocido recomendado para la aleación de acero inoxidable austenítico 301 está entre 1900 y 2050 grados Fahrenheit. Comenzará a fundirse alrededor de los 2550 grados Fahrenheit. En cambio, el titanio comercialmente puro de grado 1 debe recocerse a 1292 grados Fahrenheit y fundirse alrededor de los 3000 grados Fahrenheit.
Durante el recocido, los procesos de recuperación y recristalización compiten entre sí hasta que los granos recristalizados consumen todos los granos deformados. La velocidad de recristalización varía con la temperatura. Una vez completada la recristalización, comienza el crecimiento del grano. Una pieza de acero inoxidable 301 recocida a 1900 °F durante una hora tendrá una estructura de grano más fina que la misma pieza recocida a 2000 °F durante el mismo tiempo.
Si el material no se mantiene en el rango de recocido adecuado durante el tiempo suficiente, la estructura resultante puede ser una combinación de granos antiguos y nuevos. Si se desean propiedades uniformes en todo el metal, el proceso de recocido debe tener como objetivo lograr una estructura de grano equiaxial uniforme. Uniforme significa que todos los granos tienen aproximadamente el mismo tamaño, y equiaxial significa que tienen aproximadamente la misma forma.
Para obtener una microestructura uniforme y equiaxial, cada pieza debe exponerse a la misma cantidad de calor durante el mismo tiempo y enfriarse a la misma velocidad. Esto no siempre es fácil ni posible con el recocido por lotes, por lo que es importante esperar al menos hasta que toda la pieza esté saturada a la temperatura adecuada antes de calcular el tiempo de mantenimiento. Tiempos de mantenimiento más prolongados y temperaturas más altas darán como resultado una estructura de grano más grueso/material más blando y viceversa.
Si el tamaño del grano y la resistencia están relacionados, y se conoce la resistencia, ¿para qué calcular los granos, verdad? Todas las pruebas destructivas tienen variabilidad. Las pruebas de tracción, especialmente en espesores menores, dependen en gran medida de la preparación de la muestra. Los resultados de resistencia a la tracción que no representan las propiedades reales del material pueden experimentar fallas prematuras.
Si las propiedades no son uniformes en toda la pieza, tomar una muestra o probeta de tracción de un borde puede no revelar toda la información. La preparación y el ensayo de muestras también pueden ser laboriosos. ¿Cuántos ensayos son posibles para un metal determinado y en cuántas direcciones es factible? Evaluar la estructura del grano es una garantía adicional contra sorpresas.
Anisotrópico, isotrópico. La anisotropía se refiere a la direccionalidad de las propiedades mecánicas. Además de la resistencia, la anisotropía se puede comprender mejor examinando la estructura del grano.
Una estructura de grano uniforme y equiaxial debe ser isotrópica, lo que significa que tiene las mismas propiedades en todas las direcciones. La isotropía es especialmente importante en los procesos de embutición profunda, donde la concentricidad es fundamental. Cuando la pieza en bruto se introduce en el molde, el material anisotrópico no fluye de manera uniforme, lo que puede provocar un defecto llamado oreja. La oreja se produce cuando la parte superior de la copa forma una silueta ondulada. El análisis de la estructura de grano puede revelar la ubicación de las inhomogeneidades en la pieza y ayudar a diagnosticar la causa raíz.
Un recocido adecuado es fundamental para lograr la isotropía, pero también es importante comprender el grado de deformación previo al recocido. A medida que el material se deforma plásticamente, los granos comienzan a deformarse. En el caso del laminado en frío, al convertir el espesor en longitud, los granos se alargan en la dirección de laminación. A medida que cambia la relación de aspecto del grano, también lo hacen la isotropía y las propiedades mecánicas generales. En el caso de piezas muy deformadas, puede conservarse cierta orientación incluso después del recocido. Esto da como resultado anisotropía. Para materiales embutidos, a veces es necesario limitar la cantidad de deformación antes del recocido final para evitar el desgaste.
Piel de naranja. El desprendimiento no es el único defecto de embutición profunda asociado con el troquel. La piel de naranja se produce cuando se embuten materias primas con partículas demasiado gruesas. Cada grano se deforma de forma independiente y en función de su orientación cristalina. La diferencia en la deformación entre granos adyacentes da como resultado una apariencia texturizada similar a la piel de naranja. La textura es la estructura granular que se revela en la superficie de la pared de la copa.
Al igual que los píxeles en una pantalla de televisión, con una estructura de grano fino, la diferencia entre cada grano será menos perceptible, lo que aumenta la resolución. Especificar solo las propiedades mecánicas puede no ser suficiente para garantizar un tamaño de grano suficientemente fino para evitar el efecto de piel de naranja. Cuando la variación dimensional de la pieza es menor a 10 veces el diámetro del grano, las propiedades de los granos individuales determinarán el comportamiento de conformado. No se deforma por igual en muchos granos, sino que refleja el tamaño y la orientación específicos de cada grano. Esto se puede observar en el efecto de piel de naranja en las paredes de las copas estiradas.
Para un tamaño de grano ASTM de 8, el diámetro promedio del grano es de 885 µin. Esto significa que cualquier reducción de espesor de 0,00885 pulgadas o menos puede verse afectada por este efecto de microconformado.
Aunque los granos gruesos pueden causar problemas de embutición profunda, a veces se recomiendan para el estampado. El estampado es un proceso de deformación en el que una pieza en bruto se comprime para darle la topografía superficial deseada, como un cuarto de los contornos faciales de George Washington. A diferencia del trefilado, el estampado generalmente no implica un gran flujo de material a granel, pero sí requiere mucha fuerza, lo que puede deformar la superficie de la pieza en bruto.
Por este motivo, minimizar la tensión superficial mediante el uso de una estructura de grano más grueso puede ayudar a aliviar las fuerzas necesarias para un llenado adecuado del molde. Esto es especialmente cierto en el caso de la impresión con troquel libre, donde las dislocaciones en los granos superficiales pueden fluir libremente, en lugar de acumularse en los límites de grano.
Las tendencias aquí analizadas son generalizaciones que pueden no aplicarse a secciones específicas. Sin embargo, sí resaltan los beneficios de medir y estandarizar el tamaño del grano de la materia prima al diseñar piezas nuevas para evitar defectos comunes y optimizar los parámetros de moldeo.
Los fabricantes de máquinas de estampado de metales de precisión y de operaciones de embutición profunda de metales para dar forma a sus piezas colaborarán eficazmente con metalúrgicos especializados en laminadoras de precisión, quienes podrán ayudarles a optimizar los materiales hasta el nivel granular. Cuando expertos en metalurgia e ingeniería de ambas partes se integran en un mismo equipo, esto puede tener un impacto transformador y generar resultados más positivos.
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