endurecimiento laboral

El endurecimiento por deformación es consecuencia de la deformación plástica, un cambio permanente de forma. Esto se diferencia de la deformación elástica, que es reversible. La mayoría de los materiales no presentan solo una u otra, sino una combinación de ambas. La siguiente explicación se aplica principalmente a los metales, especialmente a los aceros, que han sido ampliamente estudiados. El endurecimiento por deformación se produce sobre todo en materiales dúctiles como los metales. La ductilidad es la capacidad de un material para sufrir deformaciones plásticas antes de la fractura (por ejemplo, doblar una varilla de acero hasta que finalmente se rompa).

El ensayo de tracción se utiliza ampliamente para estudiar los mecanismos de deformación. Esto se debe a que, bajo compresión, la mayoría de los materiales experimentan eventos triviales (desajuste de la red cristalina) y no triviales (pandeo) antes de que se produzca la deformación plástica o la fractura. Por lo tanto, los procesos intermedios que ocurren en el material bajo compresión uniaxial antes de la aparición de la deformación plástica hacen que el ensayo de compresión presente numerosas dificultades.

Un material generalmente se deforma elásticamente bajo la influencia de fuerzas pequeñas ; el material recupera rápidamente su forma original cuando se elimina la fuerza deformante. Este fenómeno se llama deformación elástica . Este comportamiento en los materiales se describe mediante la ley de Hooke . Los materiales se comportan elásticamente hasta que la fuerza deformante supera el límite elástico , también conocido como límite de fluencia. En ese punto, el material se deforma permanentemente y no recupera su forma original cuando se elimina la fuerza. Este fenómeno se llama deformación plástica . Por ejemplo, si se estira un resorte helicoidal hasta cierto punto, recuperará su forma original, pero una vez que se estira más allá del límite elástico, permanecerá deformado y no volverá a su estado original.

La deformación elástica estira los enlaces entre los átomos, alejándolos de su radio de separación de equilibrio, sin aplicar la energía suficiente para romper dichos enlaces. La deformación plástica, en cambio, rompe los enlaces interatómicos y, por lo tanto, implica la reorganización de los átomos en un material sólido.

En la jerga de la ciencia de los materiales, las dislocaciones se definen como defectos lineales en la estructura cristalina de un material. Los enlaces que rodean la dislocación ya están sometidos a una tensión elástica debido al defecto, en comparación con los enlaces entre los constituyentes de la red cristalina regular. Por lo tanto, estos enlaces se rompen a tensiones relativamente bajas, lo que provoca deformación plástica.

Los enlaces tensionados alrededor de una dislocación se caracterizan por campos de tensión reticular . Por ejemplo, existen enlaces tensionados por compresión justo al lado de una dislocación de borde y enlaces tensionados más allá del extremo de dicha dislocación. Estos forman campos de tensión compresiva y tensora, respectivamente. Los campos de tensión son análogos a los campos eléctricos en ciertos aspectos. En concreto, los campos de tensión de las dislocaciones obedecen leyes de atracción y repulsión similares; para reducir la tensión total, las tensiones compresivas se ven atraídas por las tensiones tensoras, y viceversa.

Los resultados visibles ( macroscópicos ) de la deformación plástica son consecuencia del movimiento de dislocaciones microscópicas . Por ejemplo, el estiramiento de una varilla de acero en una máquina de ensayos de tracción se produce mediante el movimiento de dislocaciones a escala atómica.

El aumento en el número de dislocaciones es una cuantificación del endurecimiento por deformación. La deformación plástica ocurre como consecuencia del trabajo realizado sobre un material; se le añade energía. Además, la energía casi siempre se aplica con la suficiente rapidez y magnitud como para no solo mover las dislocaciones existentes, sino también para producir una gran cantidad de nuevas dislocaciones al someter el material a vibraciones o deformaciones suficientes. Las nuevas dislocaciones se generan cerca de una fuente de Frank-Read .

El límite elástico aumenta en un material trabajado en frío. Mediante campos de deformación reticular, se puede demostrar que un entorno con dislocaciones dificulta el movimiento de cada una. Debido a esta dificultad, la deformación plástica no puede ocurrir bajo tensiones normales . Al aplicar tensiones ligeramente superiores al límite elástico del material sin trabajar en frío, este último continúa deformándose mediante el único mecanismo disponible: la deformación elástica. El esquema regular de estiramiento o compresión de los enlaces eléctricos (sin movimiento de dislocaciones ) se mantiene, y el módulo de elasticidad permanece inalterado. Finalmente, la tensión es lo suficientemente grande como para superar las interacciones del campo de deformación y la deformación plástica se reanuda.

Sin embargo, la ductilidad de un material endurecido por deformación disminuye. La ductilidad es la medida en que un material puede sufrir deformación plástica, es decir, hasta qué punto puede deformarse plásticamente antes de fracturarse. Un material trabajado en frío es, en efecto, un material normal (frágil) que ya ha superado parte de su límite de deformación plástica permitida. Si el movimiento de dislocaciones y la deformación plástica se ven suficientemente obstaculizados por la acumulación de dislocaciones, y el estiramiento de los enlaces electrónicos y la deformación elástica alcanzan su límite, se produce un tercer modo de deformación: la fractura.

La resistencia al corte,${\displaystyle \tau }$, de una dislocación depende del módulo de corte, G, la magnitud del vector de Burgers , b, y la densidad de dislocaciones,${\displaystyle \rho _{\perp }}$:

${\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }$

dónde${\displaystyle \tau _{0}}$es la resistencia intrínseca del material con baja densidad de dislocaciones y${\displaystyle \alpha }$es un factor de corrección específico para el material.

Como se muestra en la Figura 1 y en la ecuación anterior, el endurecimiento por deformación depende de la raíz cuadrada de la mitad del número de dislocaciones. El material presenta alta resistencia si hay altos niveles de dislocaciones (más de 10¹⁴ ^{dislocaciones} por m² ⁾ o si no hay dislocaciones. Un número moderado de dislocaciones (entre 10⁷ ^y 10⁹ ^{dislocaciones} por m² ⁾ generalmente resulta en baja resistencia.

Como ejemplo extremo, en un ensayo de tracción, una barra de acero se somete a una tensión justo antes de la longitud en la que normalmente se fractura. La carga se libera gradualmente y el material se libera parcialmente reduciendo su longitud. Esta reducción de longitud se denomina recuperación elástica, y el resultado es una barra de acero endurecida por deformación. La fracción de longitud recuperada (longitud recuperada/longitud original) es igual al límite elástico dividido por el módulo de elasticidad. (Aquí se habla de tensión real para tener en cuenta la drástica disminución del diámetro en este ensayo de tracción). La longitud recuperada tras retirar la carga de un material justo antes de que se rompa es igual a la longitud recuperada tras retirar la carga justo antes de que entre en deformación plástica.

La barra de acero endurecida por deformación presenta un número suficientemente elevado de dislocaciones como para que la interacción del campo de deformación impida cualquier deformación plástica. La deformación subsiguiente requiere una tensión que varíe linealmente con la deformación observada; la pendiente de la gráfica de tensión frente a deformación es, como es habitual, el módulo de elasticidad.

La barra de acero endurecido por deformación se fractura cuando la tensión aplicada supera la tensión de fractura habitual y la deformación supera la deformación de fractura habitual. Esto puede considerarse el límite elástico, y la tensión de fluencia es ahora igual a la tenacidad a la fractura , que es mucho mayor que la tensión de fluencia de un acero sin endurecer por deformación.

La deformación plástica posible es nula, menor que la de un material sin endurecimiento por deformación. Por lo tanto, la ductilidad de la barra trabajada en frío se reduce.

La cavitación sustancial y prolongada también puede producir endurecimiento por deformación.

El acero es un material de ingeniería importante, utilizado en numerosas aplicaciones. El acero puede endurecerse mediante deformación a baja temperatura, proceso conocido como trabajo en frío . Generalmente, un aumento en el trabajo en frío conlleva una disminución del exponente de endurecimiento por deformación . De manera similar, los aceros de alta resistencia tienden a presentar un menor exponente de endurecimiento por deformación .

El cobre fue el primer metal de uso común para herramientas y recipientes, ya que es uno de los pocos metales disponibles en estado no oxidado, sin necesidad de fundir un mineral . El cobre se ablanda fácilmente calentándolo y luego enfriándolo (no se endurece mediante el temple, por ejemplo, en agua fría). En este estado recocido , se puede martillar, estirar y moldear de otras maneras, avanzando hacia la forma final deseada, pero volviéndose más duro y menos dúctil a medida que avanza el trabajo. Si el trabajo continúa más allá de cierta dureza, el metal tenderá a fracturarse, por lo que puede recocerse periódicamente mientras se continúa el moldeado. El recocido se detiene cuando la pieza está cerca de su forma final deseada, de modo que el producto final tendrá la resistencia y dureza deseadas. La técnica del repujado aprovecha estas propiedades del cobre, permitiendo la construcción de artículos de joyería y esculturas duraderas (como la Estatua de la Libertad ).

Gran parte de la joyería de oro y plata se produce mediante fundición , con poco o ningún trabajo en frío; lo que, según la aleación, puede dejar el metal relativamente blando y flexible. Sin embargo, un joyero puede utilizar intencionadamente el endurecimiento por deformación para fortalecer objetos que se usan y que están expuestos a tensión, como los anillos .

Los componentes fabricados con aluminio y sus aleaciones deben diseñarse cuidadosamente para minimizar o distribuir uniformemente la flexión, que puede provocar endurecimiento por deformación y, a su vez, agrietamiento por tensión, pudiendo causar fallas catastróficas . Por esta razón, las aeronaves modernas de aluminio tienen una vida útil limitada (dependiendo del tipo de cargas a las que están sometidas), tras la cual deben ser retiradas del servicio.

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9.ª  ed.), Wiley, ISBN 978-0-471-65653-1.
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (4.ª  ed.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.