La extrusión, la laminación y la forja, son procesos de fabricación de objetos conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.   

Para llevar a cabo el proceso de extrusión se emplean prensas que pueden ser horizontales o verticales, dependiendo de la orientación de los ejes de trabajo. Los tipos horizontales son los más comunes.

Proceso de hacer pasar material a presión a través de un dado o troquel extrusor de forma determinada, al pasar el material por el dado, adopta la sección transversal igual a la forma de la abertura. En manufactura este proceso se aplica comúnmente a metales, polímeros, cerámicas y hormigón. Permite secciones transversales complejas.

Permite y el trabajo con materiales de baja resistencia que no se pueden trabajar con estirado. Se logra un acabado de excelente. Variantes: Como puede ser en frio o en caliente, el más común es en caliente ya que se extruyen metales de secciones grandes. Puede ser de producto continuo (hasta donde la máquina lo permita) o de productos discretos (contables por unidad), o puede ser directa o indirecta. 

Las prensas son accionadas normalmente por fuerza hidráulica, la cual es especialmente apropiada para producción semi-continua de secciones largas, como en la extrusión directa. Frecuentemente se usa la pulsión mecánica para extrusión en frío de partes individuales, tales como la extrusión por impacto.

Industrialmente la extrusión es altamente empleada, es el método de fabricación de tubos, extintores, cilindros de amortiguador, pastas de dientes, perfiles de aluminio, envases de bebidas y muchos otros, note que el producto extruido puede ser sólido o hueco.

El siguiente vídeo muestra en unos minutos cómo se realiza la entrada  a la prensa

El laminado es un proceso de deformación en el cual el metal pasa entre dos rodillos y se comprime mediante fuerzas de compresión ejercidas por los rodillos. Los rodillos giran, se ilustra, para jalar el material y simultáneamente apretarlo entre ellos.

Los productos laminados pueden ser completamente terminados o no. Los productos semi-acabados que sirven de materia prima a otros procesos  productos acabados: perfiles de construcción, railes, tubos. Grandes instalaciones que se amortizan mediante producción masiva de productos normalizados. 

El Forjado es el proceso consistente en cambiar la forma de un metal caliente por medio de golpes de un martillo pilón o por presión en una prensa. En el curso del forjado, el metal se hace más denso y se elevan sus propiedades mecánicas. Como material básico para la obtención de las piezas forjadas se utiliza el acero y algunas aleaciones a base de cobre, aluminio y magnesio.

EXTRUSIÓN

   Los metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de sección transversal uniforme con ayuda de presión. El principio de extrusión, similar a la acción del chorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde la producción de ladrillos, tubo de desagüe, tubo de drenaje, hasta la manufactura de macarrones. 

  Algunos metales como el plomo, estaño y aluminio pueden extruírse en frío, mientras que otros requieren la aplicación de calor para hacerlos plásticos o semi sólidos antes de la extrusión. 

    En la operación actual de extrusión, los procesos difieren un poco, dependiendo del metal y aplicación, pero en resumen consisten en forzar al metal (confinado en una cámara de presión) a salir a través de dados especialmente formados. Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cables forrados con plomo son productos característicos de metales extruidos.

   La mayoría de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipo horizontal y operada hidráulicamente. Las velocidades de operación dependen sobre todo de la temperatura y material, varían de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.

Las ventajas de la extrusión incluyen la facilidad de producir una variedad de formas de alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de producción, y relativamente con un bajo costo de los dados. 

   Más deformaciones o cambio de forma pueden conseguirse por este proceso que por cualquier otro, excepto fundición. Longitudes casi ilimitadas de sección transversal continua pueden producirse, y debido al bajo costo de los dados, series de producción de 150 m pueden justificar su uso. El proceso es alrededor de tres veces más lento que la forja por rolado, y la sección transversal debe permanecer constante.

Proceso según la configuración del trabajo

Extrusión Directa

La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más común de extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del troquel por un tornillo.

Extrusión Indirecta

En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel está estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la extrusión está dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción es eliminada.

Extrusión por Impacto

En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal que éste es levantado a su alrededor. La mayoría de las operaciones de extrusión por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío. Sin embargo hay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requieren paredes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas. 

Proceso de Extrusión según la temperatura

El proceso comienza con el calentamiento del material. Éste se carga posteriormente dentro del contenedor de la prensa. Se coloca un bloque en la prensa de forma que sea empujado, haciéndolo pasar por el troquel. Si son requeridas mejores propiedades, el material puede ser tratado mediante calor o trabajado en frío.

El radio de extrusión se define como el área de la sección transversal del material de partida dividida por el área de sección transversal del material al final de la extrusión. Una de las principales ventajas del proceso de extrusión es que este radio puede ser muy grande y aún producir piezas de calidad.

Extrusión en caliente

La extrusión en calientes se hace a temperaturas elevadas, así se evita el trabajo forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel. La mayoría de la extrusión en caliente se realiza en prensas hidráulicas horizontales con rango de 250 a 12.000 t. Rangos de presión de 30 a 700 Mpa (4400 a 102.000 psi), por lo que la lubricación es necesaria, puede ser aceite o grafito para bajas temperaturas de extrusión, o polvo de cristal para altas temperaturas de extrusión. La mayor desventaja de este proceso es el coste de las maquinarias y su mantenimiento. 

Temperaturas de varios metales en la extrusión en caliente
Material	Temperatura [°C (°F)]
Magnesio	350-450 (650-850)
Aluminio	350-500 (650-900)
Cobre	600-1100 (1200-2000)
Acero	1200-1300 (2200-2400)
Titanio	700-1200 (1300-2100)
	1000-1200 (1900-2200)
Aleaciones Refractarias	Mayores a 2000 (4000)

El proceso de extrusión es generalmente económico cuando son producidos varios kilogramos (libras) y muchas toneladas, dependiendo de los materiales que han sido empleados en el proceso. Por ejemplo, en algunos aceros se vuelve más económico si se producen más de 20.000 kg (50.000 lb).

Extrusión en frío

La extrusión fría se realiza a alrededor de la temperatura ambiente. La ventaja de ésta sobre la extrusión en caliente es la falta de oxidación, lo que se traduce en una mayor fortaleza debido al trabajo en frío o tratamiento en frío, estrecha tolerancia, buen acabado de la superficie y rápida velocidad de extrusión si el material es sometido a breves calentamientos.

Los materiales que son comúnmente tratados con extrusión fría son: plomo, estaño, aluminio, cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio y acero.

Algunos ejemplos de productos obtenidos por este proceso son: los tubos plegables, el extintor de incendios, cilindros del amortiguador, pistones automotores, entre otros.

Extrusión tibia

La extrusión tibia se hace por encima de la temperatura ambiente pero por debajo de la temperatura de recristalización del material, en un intervalo de temperaturas de 800 a 1800 °F (de 424 °C a 975 °C). Este proceso se usa generalmente para lograr el equilibrio apropiado en las fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de la extrusión.

La extrusión tibia tiene varias ventajas comparada con la extrusión fría: reduce la presión que debe ser aplicada al material y aumenta la ductilidad del acero. Incluso puede eliminar el tratamiento térmico requerido en la extrusión en frío.

LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA y SUS GENERALIDADES

    Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante difícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una forma estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecánicas.

   La forja fue el primer método de trabajo en caliente; una prensa movida por una fuente de potencia general y una banda desde los árboles, tenía un brazo descendente y golpeaba un pedazo caliente de metal colocado en un dado. Gracias a la tecnología los procesos mejoraron, y hoy día permanecen semejantes al proceso inicial.
   

Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío. Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del metal se incrementa permanentemente.

La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o en frío está siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado a temperatura ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500 a 700 °C, aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajo mecánico hasta que el límite inferior del rango recristalino se alcanza.

   Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse en caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren de algún calentamiento. 

   Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el rango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperatura del rango recristalino. Este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en frío.

Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es formado rápidamente por presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:

1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo.
2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal.
3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está en el rango recristalino, seria mantenido hasta que el límite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino.
4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.
5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado plástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío.

    Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que no pueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

    El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formas estructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones de trabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo demás el acero está listo para usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado que el contenido de carbono es menor del 0.25%.

Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son:

FORJA

La forja es el proceso de deformación controlada de un metal hasta una forma final mediante la aplicación de presión o de impacto sucesivos. Dentro de las características de los productos forjados se tienen:

• Repetibilidad (largas series de productos idénticos).  
• Excelentes propiedades mecánicas como: Tenacidad,  Ductilidad, Resistencia a fatiga
• Resistencia a la corrosión gracias a integridad metalúrgica
• Fibrado Direccional (siguiendo el contorno de la pieza)
• Alta Productividad (nº de piezas/hora).
• Solo se justifican Series Largas (coste de utillajes y medios de producción).
• Las cotas y superficies funcionales (tolerancias y acabados superficiales) suelen precisar mecanizado posterior.

Los equipos para el proceso de forja se pueden dividir

en dos grandes grupos: prensas y martillos

Prensas

 La aplicación de presión sobre el material  proporciona una deformación homogénea del material y mejores tolerancias que los martillos. Su capacidad viene definida por la fuerza disponible en la carrera de bajada de la estampa y se clasifican en función del mecanismo utilizado para el movimiento de la estampa superior:

Prensas mecánicas

• Mecanismo de biela-manivela (energía almacenada en un volante de inercia)

• Fuerza y velocidad dependen de la cinemática de la prensa

Prensas hidráulicas

• Accionadas por un cilindro hidráulico servocontrolado.

• Fuerza y velocidad dependen del caudal y presión en el cilindro hidráulico.

 • Menor productividad que las mecánicas.

 • Adecuadas para forja libre de grandes piezas: capaces de grandes fuerzas y control exhaustivo de la posición de la estampa superior.

 • Más caras y mayor mantenimiento que las mecánicas.

Martillos

 Su aplicación es de impactos sucesivos sobre el material, y proporcionan una deformación más superficial que las prensas. En general son más baratos y flexibles que las prensas y su capacidad viene definida por la energía disponible en el momento del impacto.

La conformabilidad Los procesos de conformado de metales comprenden un amplio grupo de procesos de manufactura, en los cuales se usa la deformación plástica para cambiar las formas de las piezas metálicas.

La conformabilidad es la capacidad de un material a ser deformado mediante procesos como embutido profundo, flexión, laminación, entre otros.

 Ésta es mayor cuanto menor sea el límite elástico y cuanto mayor sea la capacidad para estar en condiciones de deformación plástica sin fractura. El endurecimiento por deformación es una ventaja siempre y cuando este no sea excesivo, ya que impide la deformación localizada como la capacidad de un material a ser deformado mediante procesos mencionados. 

En otras definiciones, se dice que la conformabilidad es la propiedad del material que determina su moldeabilidad. En estado líquido tiene relación con le tipo de fundición que se emplee (molde-vaciado, preza fundida, etc.). En estado sólido está relacionada con procesos de deformación plástica del material (trefilado, laminado, etc.). En estado granular, está ligada a la presión y a la temperatura que se apliquen a los granos o polvo del material.

Como propiedad, determina su moldeabilidad de un material. En estado líquido tiene relación con el tipo de fundición que se emplee (molde-vaciado, presa fundida, etc.). En estado sólido está relacionada con procesos de deformación plástica del material (trefilado, laminado, etc.). En estado granular, está ligada a la presión y a la temperatura que se apliquen a los granos o polvo del material.

La conformabilidad en estado sólido se presenta en 3 casos. Existe conformabilidad con conservación de masa (deformación plástica para materiales dúctiles y maleables), con reducción de masa (torneado, cepillado, rectificado, taladrado, etc.) y de unión (remaches, soldaduras, pegamentos, presión).

Esta propiedad es de vital importancia a la hora de decidir el proceso para lograr la pieza final proyectada, debido a su amplio espectro de posibilidades que influyen en los costos y facilidades de producción.

Por ejemplo, es el principio principal de los aceros TRIP (Aceros de Transformación Inducida por Plasticidad  o Transformation-Induced. Plasticity, TRIP), en la que la tensión inducida por la formación de la α’-martensita mantiene un alto coeficiente de endurecimiento por deformación. Mientras la ductilidad intrínseca del material es de capital importancia, el comportamiento de la deformación puede estar afectado por la presencia de inclusiones que son frágiles o por la presencia de interfases débiles.

En los aceros de alta resistencia mecánica, como los aceros AHSS (alta velocidad o High Speed Steel), poseen una conformabilidad menor que la de los aceros convencionales utilizados tradicionalmente en la industria del transporte y en particular en el sector del automóvil. Esto es debido a que presentan valores de endurecimiento por deformación  y además son apreciablemente isotrópicos. A excepción del resto, los aceros TRIP presentan un mejor comportamiento frente al que muestran los Dual Phase (DP), Complex Phase (CP) y obviamente los Martensíticos (MS).

Independiente de que se requiera, debido a que los metales deben ser conformados en la zona de comportamiento plástico, es necesario superar el límite de fluencia para que la deformación sea permanente.

Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos superiores a sus límites elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la ductilidad 

Propiedades metálicas en los procesos de conformado

Al abordar los procesos de conformado es necesario estudiar una serie de propiedades metálicas influenciadas por la temperatura, dado que estos procesos pueden realizarse mediante un trabajo en frio, como mediante un trabajo en caliente.

Trabajo en frio

Se refiere al trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una deformación. Dentro de las características se tienen:

• Mejor precisión Menores tolerancias
• Mejores acabados superficiales
• Mayor dureza de las partes
• Requiere mayor esfuerzo

Trabajo en caliente

Se define como la deformación plástica del material metálico a una temperatura mayor que la de recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente consiste en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad. Como características se encuentra:

• Mayores modificaciones a la forma de la pieza de trabajo
• Menores esfuerzos
• Opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en  frío

Laminado o proceso de laminación es un proceso de deformación, en el cual se reduce el espesor de un material mediante fuerzas de compresión ejercidas por rodillos opuestos.

La laminación es un proceso utilizado para reducir el espesor de una lámina, o en general, de la misma manera, alterar las medidas del área trasversal de una pieza larga mediante fuerzas de compresión, las cuales son generadas por el paso entre un juego de rodillos (1). Esta disminución de espesor se da gracias a que los rodillos tiran el material hacia dentro del espacio de laminación a través de una fuerza de fricción neta sobre el material.  Existen principalmente dos tipos de laminado a considerar: • laminación en caliente • laminación en frio.

Laminación en caliente

El proceso de laminado en caliente es aquel que se realiza por encima de la temperatura de recristalización del material. La temperatura de recristalización es la temperatura a la cual los granos de la microestructura comienzan a transformarse en nuevos granos sin dislocaciones.

 Por lo anterior cualquier dislocación generada durante el proceso de compresión bajo los rodillos es eliminada debido a la temperatura de los rodillos que transfieren suficiente calor a las láminas elevando su temperatura por encima de la Temperatura de recristalización. El resultado son granos dúctiles que pueden ser laminados idealmente cualquier número de veces.

 El proceso de laminado en caliente se utiliza para estructuras de colada, o fundición comúnmente dendrítica, la cual incluye granos grandes y no uniformes. El proceso de laminado en caliente se lleva a cabo comúnmente para aleaciones de aluminio y para aceros aleados. Se manejan temperaturas entre 0.3 y 0.5 veces la temperatura de fusión, lo que corresponde a la temperatura de recristalización. Generalmente el laminado en caliente se utiliza para deformar volúmenes grandes de material, y su intención es transformar dichos volúmenes en preformas que luego puedan ser procesadas de otro modo (por ejemplo laminado en frio).

Los primeros productos de laminado en caliente, son la palanquilla y el planchón. El primer producto es utilizado para la formación de vigas en forma de L y rieles de ferrocarril y tochos (los cuales tienen una sección cuadrada), en cambio para la formación de placas y láminas se utilizan los planchones.

Durante el proceso de laminado en caliente generalmente se encuentran desperfectos en la superficie y un acabado de mala calidad; en materiales cuya temperatura de recristalización corresponde a temperaturas elevadas como el acero, la superficie laminada reacciona con el medio (aire) y forma una capa llamada calamina, este óxido debe ser removido en la mayoría de los casos por medios mecánicos o por ataque químicos.

Laminado en frío

 El proceso de laminado en frío se lleva a cabo por debajo de la temperatura de recristalización. A diferencia del proceso de laminación en caliente, produce láminas y tiras con un acabado superficial mejor debido a que generalmente no hay presencia de calamina. Además se tienen mejores tolerancias dimensionales y mejores propiedades mecánicas debidas al endurecimiento por deformación (generación de dislocaciones).

La laminación en frio permite tener un control sobre la deformación plástica, pues es posible medir el endurecimiento por deformación teniendo en cuenta el concepto de trabajo en frio. El endurecimiento por deformación es el fenómeno por el cual el metal dúctil se endurece a medida que se somete a deformaciones plásticas, este proceso en general es realizado por debajo de la temperatura de recristalización y por ello también nos referimos a este tipo de trabajo como trabajo en frio.

El aumento de trabajo en frio aumenta la resistencia a la cedencia, y la resistencia a la tensión. Sin embargo disminuye ductilidad y el metal se vuelve más frágil.

TRABAJO MECÁNICO EN FRÍO Y EN CALIENTE

El trabajo de los metales suele dividirse en procesos de trabajo o conformación en caliente y procesos de trabajo o conformación en frío.

TRABAJO EN CALIENTE  

Se define como la deformación plástica del material metálico a una temperatura mayor que la de recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente consiste en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad. Los beneficios obtenidos con el trabajo en caliente son: mayores modificaciones a la forma de la pieza de trabajo, menores fuerzas y esfuerzos requeridos para deformar el material, opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío, propiedades de fuerza generalmente isotrópicas y, finalmente, no ocurren endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo.

A las temperaturas a las que se realiza el trabajo en caliente no solo es menor la energía necesaria para deformar el metal, y mayor la facilidad para que fluya sin agrietarse, sino que además facilita la homogeneización de la estructura de colada.

El trabajo en caliente se realiza normalmente en condiciones de límite elástico, y este límite disminuye con la temperatura, es entonces más pequeña la energía necesaria para la deformación que en el trabajo en frío, en el cual no se elimina el endurecimiento por deformación y la tensión de límite elástico aumenta con la deformación.

El trabajo en caliente presenta también desventajas:

1. Ordinariamente el trabajo en caliente se realiza al aire y se pierde una considerable cantidad de metal por oxidación.

2. Suele provocarse la descarburación del acero y es frecuente necesitar de un mecanizado extenso para eliminar las capas decarburadas.

3. La incrustación del óxido impide obtener buenas terminaciones superficiales.

4. Hay dilataciones y contracciones a las que hay que poner tolerancias, lo cual impide obtener una producción homogénea tal como se obtiene en el trabajo en frío.

5. La deformación es más intensa en la superficie por lo que allí el grano es más fino.

TRABAJO EN FRÍO

El trabajo en frío es el realizado en condiciones tales que no es posible que se produzcan eficazmente los procesos de restauración. Acarrea un aumento en la resistencia mecánica y una disminución de la ductilidad.

Se refiere al trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una deformación. Las principales ventajas del trabajo en frío son: mejor precisión, menores tolerancias, mejores acabados superficiales, posibilidades de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final y mayor dureza de las partes. Sin embargo, el trabajo en frío tiene algunas desventajas ya que requiere mayores fuerzas porque los metales aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación, produciendo que el esfuerzo requerido para continuar la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la resistencia, la reducción de la ductilidad y el aumento de la resistencia a la tensión limitan la cantidad de operaciones de formado que se puedan realizar a las partes.

El siguiente vídeo muestra todo lo que conlleva los procesos de trabajo en frío y caliente de los materiales.

DEFORMACIÓN PLÁSTICA DE LOS METALES DÚCTILES

La mayoría de las propiedades mecánicas de los materiales se obtienen mediante ensayos de laboratorio realizados mediante normas estandarizadas y utilizando probetas también estandarizadas. Se fijan la velocidad de carga y la temperatura.

Los ensayos se pueden realizar con cargas de compresión, tracción, flexión y cortadura, que a su vez pueden ser estáticas o dinámicas. Los ensayos de compresión, tracción y flexión con cargas estáticas son los que más se suelen realizar.

Los ensayos de tracción se realizan con los materiales dúctiles con un cierto grado de plasticidad, tales como los materiales metálicos ferrosos y no ferrosos, plásticos, gomas, fibras, etc.

Los ensayos de compresión y flexión se realizan con los materiales frágiles, tales como los materiales refractarios, el hormigón, cerámicos, etc. Estos materiales poseen una baja resistencia a la tracción en comparación con la de compresión.

La deformación plástica de los metales tiene lugar principalmente por el proceso de deslizamiento, que involucra un movimiento de las dislocaciones. El deslizamiento usualmente tiene lugar sobre los planos más compactos y en las direcciones compactas. La combinación de un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento constituye un sistema de deslizamiento. Los metales con un alto número de sistemas de deslizamiento como Cobre (Cu), Plata (Ag),  Platino (Pt), Níquel (Ni) , Plomo (Pb),  Aluminio (Al) son más dúctiles que aquellos con sólo unos pocos sistemas de deslizamiento Hierro (Fe) , Cromo (Cr), Vanadio (V) , Molibdeno (Mo), Wolframio (W). Muchos metales se deforman con formación de maclas cuando el deslizamiento es difícil.

Los materiales dúctiles toleran métodos de fabricación por deformación plástica y soportan una mayor cantidad de uso, ya que se deforman antes de romperse. Es necesario aplicar una gran fuerza para romper un material dúctil: sus átomos pueden deslizarse unos sobre otros, estirando el material sin romperse.

Es importante saber distinguir entre los términos dúctil y blando. En primer lugar, la ductilidad sólo aparece cuando un material en particular es sometido a una fuerza de gran magnitud; por ejemplo, si se aplica una carga pequeña, entonces el material se deformará discretamente, y recién cederá y se deformará en un grado mucho mayor cuando se lo lleve al límite. Lo más curioso y digno de ser destacado es que cuando este tipo de material atraviesa esa barrera, en la cual la fuerza ejercida sobre él es considerable, conserva su integridad y simplemente cambia de forma.

Durante un ensayo de tracción, un experimento que consiste en evaluar las propiedades relacionadas con la resistencia de un material buscando el punto en el cual se rompen, los dúctiles atraviesan una etapa de deformación irreversible muy considerable que se caracteriza por un mínimo aumento de la carga a la cual se somete.

Para la industria de la tecnología y sin tener en cuenta ciertas cuestiones de tipo económico, resulta muy ventajoso utilizar este tipo de materiales para la fabricación de productos, dado que admiten técnicas muy convenientes para obtener ciertas formas complejas o específicas. Con respecto a su uso, su flexibilidad antes de ser destruidos es su aspecto más atractivo; un material frágil llega a la rotura sin dar señales a su usuario, mientras que en el caso de los dúctiles se advierte una torsión extrema, de manera que resultaría imposible romperlos por accidente.

Plasticidad 

El estudio de la mecánica de los materiales, ha estudiado algunos

principios de la elasticidad y plasticidad 

como:

1. Todas las deformaciones son recuperables: una vez retirada la carga que ocasionó una deformación, ésta desaparece por completo y el cuerpo regresa a su estado original.
2. Las componentes desviadora y esférica están desacopladas: campos de tensiones de tipo esférico únicamente producen cambios de volumen (pero no distorsiones), mientras que campos de tensiones de tipo desviador puro (con componente esférica nula) producen únicamente distorsiones (pero no cambios de volumen.
3.  No hay rotura: las tensiones pueden aumentar de manera indefinida sin que las propiedades del material cambien, ni que el cuerpo llegue a un estado último de rotura.

Estas tres características no se cumplen, en general, para materiales reales: las deformaciones son, al menos en parte, permanentes; en muchos casos existe acoplamiento entre las componentes esférica y desviadora (dilatancia); y las tensiones no pueden aumentar de manera indefinida sin que el material llegue a un estado límite de agotamiento y se produzca la rotura u otros cambios de comportamiento.

Por todo ello, parece razonable plantearse la necesidad de:

• determinar de forma directa los estados últimos y de rotura
• modelar deformaciones no recuperables
• modelar cambios de comportamiento
• modelar, con rigor, materiales frágiles o reblandecibles

Éstas últimas consideraciones son estudiadas  a partir la plasticidad de los materiales. La teoría de la plasticidad fue desarrollada a partir de 1930 inicialmente para metales, y puede ser aplicada a otros tipos de materiales.

La plasticidad es la propiedad mecánica de un material inelástico, natural, artificial, biológico o de otro tipo, de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico, es decir, por encima de su límite elástico.

En los metales, la plasticidad se explica en términos de desplazamientos irreversibles de dislocaciones.

 Por ejemplo en la siguiente figura, se tiene la de curva tensión-deformación para un esfuerzo uniaxial de tracción, en un metal dúctil con comportamiento elasto-plástico: el comportamiento es elástico lineal para pequeñas deformaciones (tramo recto de color azul) y presenta plasticidad a partir de cierto límite.

En los materiales elásticos, en particular en muchos metales dúctiles, un esfuerzo de tracción pequeño lleva aparejado un comportamiento elástico. Eso significa que pequeños incrementos en la tensión de tracción comporta pequeños incrementos en la deformación, si la carga se vuelve cero de nuevo el cuerpo recupera exactamente su forma original, es decir, se tiene una deformación completamente reversible. Sin embargo, se ha comprobado experimentalmente que existe un límite, llamado límite elástico, tal que si cierta función homogénea de las tensiones supera dicho límite entonces al desaparecer la carga quedan deformaciones remanentes y el cuerpo no vuelve exactamente a su forma. Es decir, aparecen deformaciones no-reversibles.

Este tipo de comportamiento elasto-plástico descrito más arriba es el que se encuentra en la mayoría de metales conocidos, y también en muchos otros materiales. El comportamiento perfectamente plástico es algo menos frecuente, e implica la aparición de deformaciones irreversibles por pequeña que sea la tensión, la arcilla de modelar y la plastilina se aproximan mucho a un comportamiento perfectamente plástico. Otros materiales además presentan plasticidad con endurecimiento y necesitan esfuerzos progresivamente más grandes para aumentar su deformación plástica total. E incluso los comportamientos anteriores pueden ir acompañados de efectos viscosos, que hacen que las tensiones sean mayores en casos de velocidades de deformación altas, dicho comportamiento se conoce con el nombre de visco-plasticidad.

Un comportamiento próximo al elástico lineal hasta que la tensión aplicada alcanza un cierto valor σY (que llamamos límite de fluencia). Una vez alcanzado este valor, se produce un cambio de comportamiento, por el cual las deformaciones crecen mucho más rápido, mientras que la tensión se mantiene sensiblemente constante o varía muy poco: el material “fluye.” 

Una vez alcanzado el régimen elasto-plástico (es decir, después de que la tensión haya sobrepasado el valor σY), las deformaciones no son recuperables en su totalidad. En efecto, observando un ciclo de carga y descarga como el OAB indicado en la figura, observamos que la deformación existente en el punto A es igual a la ecuación dada, y alcanzado un cierto valor de las deformaciones, se produce rotura del material :

Generalizando los distintos tipos de comportamiento que puede presentar la pieza sometida a estudio, se diferencian tres tipos de plasticidad:

Plasticidad perfecta: la superficie de fluencia depende únicamente de las tensiones,  no cambia de tamaño durante el proceso de carga.

Plasticidad rigidizable: la superficie de fluencia se expande (se “hincha”) durante el proceso de carga.

Plasticidad reblandecible: la superficie de fluencia se contrae durante el proceso de carga.

Muchas veces se confunden los términos elasticidad con plasticidad, te dejo un vídeo instructivo para que puedas diferenciar estos dos conceptos.