Informe N° 2
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Laboratorio N2:
Laminacin
Profesor: Konstantin Sipos
Ayudante: Gonzalo Necochea
Estudiante: Juan Droguett
Asignatura: Metalurgia Mecnica
12 de Enero 2014
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE METALURGIA
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Resumen
En el siguiente informen se presenta el desarrollo, resultados y anlisis
obtenidos a partir del laboratorio N2, cuyo tema principal es la laminacin de
productos planos en fro. La experiencia consisti en el estudio de tres probetas de
un acero estructural, de las cuales dos fueron laminadas. La primera probeta fue
laminada en un solo pase entre los rodillos. A la segunda se le aplic ms de un
pase por los rodillos de laminacin. Una tercera probeta no fue laminada, con el
objetivo de comparar el efecto de laminacin en las propiedades mecnicas de las
mismas, ya que posterior a la laminacin, a cada probeta se le aplico un ensayo
de traccin. Finalmente se procedi a medir las longitudes finales obtenidas
producto de los distintos grados de laminacin. De esta forma se obtuvieron los
valores de coeficiente de roce crtico, que se representa por la tangente del ngulo
de mordida de los rodillos de laminacin. A continuacin se presenta una tabla
resumen con los valores obtenidos luego de la experiencia realizada:
Se observ que al aumentar la cantidad de pases de la probeta por el
laminador, esta experimento un aumento en el coeficiente de roce crtico. A dems
al analizar el esfuerzo a fluencia y la carga mxima UTS es evidente un aumento,
debido al endurecimiento por deformacin que presenta la probeta luego de ser
laminada. Por ltimo el clculo del coeficiente de rozamiento es de vital
importancia al momento de laminar, ya que de este depender si es factible el
proceso, o si es necesario disminuir el porcentaje de reduccin de espesor en la
pieza a laminar.
Probeta crit UTS [Mpa] Pto Fluencia [MPa] Alargamiento [%]
Sin laminar No se calculo 423 172 31,2
Un pase 0,33 589 190 28
Ms de un pase 0,43 677 220 35,4
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Tabla de contenido
1. Introduccin ........................................................................................................................... 4
2. Objetivos ................................................................................................................................ 5
2.1 Objetivo general ................................................................................................................... 5
2.2 Objetivos especficos. ........................................................................................................... 5
3. Fundamentos Tericos ........................................................................................................... 6
3.1 Principios Bsicos de la Laminacin................................................................................. 6
3.2 Deformacin en Fro ....................................................................................................... 9
4. Desarrollo Experimental ....................................................................................................... 10
4.1 Materiales y equipos .................................................................................................... 10
4.2 Metodologa. ................................................................................................................ 10
4.3 Calculo de coeficiente de roce ...................................................................................... 11
5. Resultados ........................................................................................................................... 11
6. Anlisis ................................................................................................................................. 13
7. Conclusiones ........................................................................................................................ 15
8. Bibliografa .......................................................................................................................... 16
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1. Introduccin
Dentro de los procesos de conformado, la laminacin es uno de lo ms
utilizados a nivel mundial. A partir de este se pueden obtener productos como
ngulos y barras de acero las cuales son muy utilizadas en la industria
constructora o en su defecto sub productos como laminas metlicas para
embutido.
La laminacin consiste en deformar un material por medio de la accin de
rodillos que giran en sentido contrario. Es posible laminar en frio como en caliente.
En el caso de la laminacin en caliente, el material es llevado hasta una
temperatura que permita su homogenizacin estructural, y posterior a esto, se le
aplican una serie de pases a travs de pares de rodillos, que reducen su espesor
de forma progresiva. En el caso de la laminacin en frio, el material es laminado a
temperatura ambiente, logrando elevados valores de dureza producto del
endurecimiento por deformacin. Por lo anterior es necesario aplicar un
tratamiento trmico para aumentar la tenacidad del producto.
Al laminar existen distintas variables que afectan al proceso, dentro de las
cuales el coeficiente de roce es muy importante. Este coeficiente nos permite
saber si se podr llevar a cabo la laminacin de un producto segn condiciones
como dimensiones del rodillo y grado de reduccin esperado.
En el siguiente informe se presentan los resultados obtenidos luego
experiencia de laminacin, cuyo objetivo es comprender el proceso de laminacin
y el efecto de los distintos grados de laminacin sobre las propiedades mecnicas
finales en la pieza laminada.
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2. Objetivos
2.1 Objetivo general
Determinar la influencia del grado de laminacin en las propiedades
mecnicas de un acero estructural y analizar las distintas variables que
afectan al proceso.
2.2 Objetivos especfico s.
Determinar el coeficiente de rozamiento para cada laminacin.
Analizar cmo vara el coeficiente de rozamiento en funcin del grado de
laminacin.
Analizar los valores del UTS y lmite de fluencia de cada muestra en funcin
del grado de laminacin.
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3. Fundamentos Tericos
A continuacin se presentan una serie de antecedentes tericos que
gobiernan el proceso de laminacin. De esta forma se facilitara la comprensin de
la experiencia realizada.
3.1 Principios Bsicos de la Laminacin
El proceso de laminacin consta en deformar plsticamente el metal
hacindolo pasar entre cilindros, donde se somete al material a intensas tensiones
de comprensin y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por la
friccin entre los cilindros y el metal.
Bsicamente el proceso de laminacin de productos planos consta de una
deformacin plstica, mediante la compresin producida por un par de cilindros
que giran en sentido contrario, generando una disminucin de la seccin
transversal del metal (eje Y de fig. 3.1). Puesto que no existe cambio de volumen,
se produce en consecuencia una deformacin plstica, ya que existe un grado de
libertad en sentido longitudinal (eje X de fig. 3.1), lo que genera un alargamiento
del material; no existe dicho grado de libertad en el otro eje transversal (eje Z de
fig. 3.1) por ende no se evidencia deformacin en este sentido. Por lo tanto, como
hay una deformacin negativa en la seccin vertical, una deformacin positiva en
la seccin horizontal y la seccin transversal no ha experimentado deformacin, la
suma total de las deformaciones es cero. En resumen, como se aprecia en la Fig.
3.1, existe una disminucin del espesor de la plancha de H a Hf y producto que no
hay cambio de volumen se genera un alargamiento del producto, generado por el
grado de libertad que tiene el metal en esta direccin.
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Figura 3.1: Representacin grfica de la laminacin en dos dimensiones.
Para el caso de la laminacin de barras el proceso tiene algunas
diferencias, puesto que para este caso hay deformacin en 2 dimensiones,
aunque slo se comprime una direccin por pasada, el producto se gira en 90
para la siguiente pasada o se prepara un par de rodillos en la orientacin contraria,
lo que involucra un ensanchamiento significativamente mayor (tambin llamado
Figura 3.2: Representacin grfica de fuerzas que actan en la laminacin.
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Observando la fig. 2.5, es posible notar que por unidad de tiempo debe
pasar el mismo volumen de metal a travs de cualquier plano normal de la chapa,
(3.1)
El letra N corresponde al llamado punto neutro o de no deslizamiento, que
muestra el lugar donde las velocidades de entrada y salida del metal son la
misma, puesto que va creciendo progresivamente desde el
donde llega al valor de .
En cualquier otro punto de la superficie de contacto actan dos fuerzas
sobre el metal, una radial y otra tangencial de friccin F que corresponde a la
fuerza de arrastre que ejerce el rodillo en el mismo punto. La componente se
denomina carga de laminacin y define a la fuerza con la que los cilindros
comprimen entre si al metal. La presin especfica de los cilindros no es otra que
la carga de laminacin ( dividida por el rea de contacto que corresponde al
ancho del cilindro por la longitud del arco de contacto , que viene aproximado
segn la siguiente expresin:
(3.2)
Por la tanto la presin especfica vendra dada por:
(3.3)
El ngulo
puede entrar al laminador cuando es mayor al coeficiente de roce entre los
cilindros y el metal, por lo tanto, este coeficiente determina la mordedura mxima.
Por diagrama de cuerpo libre se tiene que:
(3.4)
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De la expresin (3.4) es posible inferir que el coeficiente de roce crtico
( est dado por:
(3.5)
Por lo tanto, se demuestra que el coeficiente de roce crtico es:
(3.6)
Finalmente se confirma que a fuerzas de roce menores al valor de tan la
laminacin no se podr llevar a cabo, por lo tanto, es necesario aumentar la
rugosidad de la superficie de los rodillos o la rugosidad del producto a laminar, con
fin de aumentar dicho coeficiente.
3.2 Deformacin en Fro
A nivel microscpico la deformacin en fro tiene el efecto de incrementar la
densidad de dislocaciones del material. A medida que el material se satura con
nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formacin de nuevas
dislocaciones y a su movimiento. Esta resistencia a la formacin y movimiento de
las dislocaciones se manifiesta a nivel macroscpico como una resistencia a la
deformacin plstica. Por lo tanto, el esfuerzo de fluencia aumenta, como tambin
lo hace la resistencia mxima; en cambio, disminuye el porcentaje de
alargamiento.
http://es.wikipedia.org/wiki/Dislocaci%C3%B3n -
4. Desarrollo E xperimental
4.1 Materiales y equipos
3 probetas de acero estructural cortadas a 45 segn el sentido de
laminacin.
Equipo de laminacin Joliot.
Mquina de traccin Tinius&Olsen (carga mxima de 30 toneladas).
Pie de metro.
Software computacional (mquina de traccin).
4.2 Metodologa.
Se midieron las dimensiones originales de las probetas.
Se dej una probeta sin deformar.
Se pas una segunda probeta por la mquina de laminacin, una sola vez,
para obtener un porcentaje de deformacin determinada.
Se hizo pasar la tercera probeta por la mquina de laminacin hasta
obtener un porcentaje de laminacin mayor al de la segunda probeta.
Se midieron las dimensiones finales de las probetas.
Finalmente las tres probetas se sometieron a un ensayo de traccin.
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4.3 Calculo de coeficiente de roce
La longitud de los rodillos utilizados es:
Dimetro: 12 [cm]
Largo: 20 [cm]
Segn la ecuacin dado por la longitud de la mordida
de los rodillos , ya que ngulo del centro, por lo tanto equivale a la
longitud de su cuerda.
5. Resultados
Tabla 5.1: Dimensiones de las 3 probetas utilizadas.
Dimensiones de las Probetas
N1: Sin laminar N2: Laminada (1 pase) N3: Laminada (ms de 1 pase)
Espesor [mm] 2 1,4 1
Ancho [mm] 11,2 11,65 12,1
Tabla 5.2: Propiedades mecnicas obtenidas luego de la traccin.
Propiedades mecnicas del material
N1: Sin laminar N2: Laminada (1 pase) N3: Laminada (ms de 1 pase)
UTS [MPa] 423 589 677
Alargamiento (%) 31,2 28 35,4
Fluencia [MPa] 172 190 220
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Tabla 5.3: Calculo de la longitud de arco del ngulo de mordida.
Tabla 5.4: Clculo coeficiente de roce crtico.
Longitud de mordida rodillo
Probeta Ho [mm] Hf [mm] Lp=(R*(H0-Hf))^(0,5) [mm] 2,00 2,00 1,40 1,90
3,00 2,00 1,00 2,45
Permetro: 2*Pi*6 Grados [] 37,70 360,00 Lp[mm] Lp[]= =tan( )
1,90 18,12 0,33
2,45 23,39 0,43
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6. Anl isis
Al laminar dos de las tres probetas, se observ una disminucin en el
espesor, proporcional a la cantidad de pases por los rodillos de laminacin. Junto
a la disminucin se gener un aumento en el ancho y largo de las probetas
laminadas, en comparacin con la no laminada. Esta variacin se debe a que al
laminar productos planos, existen dos grados de libertad en los cuales el material
se puede expandir. Estos grados de libertad corresponden al ancho y largo de la
probeta, los cuales experimentan un aumento de tal forma que el volumen inicial
de la pieza se mantenga constante, por ende, al disminuir el espesor esta
variacin se complementa con el aumento en el largo y el ancho de la probeta.
En cuanto al coeficiente de roce crtico, se observ que en el caso de la
probeta que se le aplic solo un pase de laminacin, el valor de este coeficiente
fue menor que para el segundo caso. Esto se debe a que el coeficiente de roce
crtico depende del ngulo de mordida, el cual a su vez es proporcional al radio de
los rodillos y a la reduccin de espesor. Por ende al aumentar el grado de
disminucin del espesor, implica un aumento en el ngulo de mordida que
equivale a la longitud del arco del rodillo en contacto con el producto a laminar.
Se puede concluir que la componente tangencial de la fuerza aplicada por
los rodillos, equivale a la fuerza de arrastre de los rodillos o fuerza de roce que
est actuando sobre la probeta. Por ende al aumentar la reduccin de espesor
implica, un mayor coeficiente de roce crtico a superar. Por ltimo la laminacin se
llevara a cabo cuando el coeficiente de roce crtico sea mayor a t y en el caso
de no superar dicho valor, es necesario utilizar rodillos de mayor dimetro o
modificar la superficie de la probeta de tal forma de aumentar su coeficiente de
roce.
En cuanto a las propiedades mecnicas obtenidas luego del ensayo de
traccin, se observ un aumento en el UTS y lmite de fluencia proporcional al
grado de deformacin. Este aumento se debe al alza en la resistencia mecnica,
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efecto tpico del conformado en fro. Producto de la laminacin se genera una
deformacin en el material y la activacin de los sistemas de deslizamiento de
dislocaciones en la red cristalina, por ende un aumento en la densidad de
dislocaciones presentes en el borde de grano. A dems debido a que la pieza no
alcanza una temperatura suficiente para generar una recuperacin y posterior
recristalizacin en la probeta, parte de esta energa es almacenada y produce el
aumento de resistencia observado.
Por ltimo a cada probeta se le midi el porcentaje de alargamiento a rotura
experimentado luego del ensayo de traccin. En este caso se obtuvieron valores
irregulares, ya que la probeta con el mayor grado de deformacin experimento un
alargamiento ms largo de lo comn, incluso se alarg ms que la probeta que no
fue laminada. Este resultado no es de esperar, ya que al laminar se fragiliza el
material por ende se disminuye su ductilidad. Producto de este efecto es de
esperar que al aumentar el grado de laminacin disminuya el porcentaje de
alargamiento a rotura, lo cual no ocurri.
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7. Conclusiones
Finalmente luego de la experiencia realizada es importante notar que la
laminacin de planos es un proceso de conformado en el cual se reduce el
espesor de una lmina metlica producto de la presin aplicada por un par de
rodillos que giran en sentido contrario. A dems en este proceso existen distintas
variables que afectan al mismo, como por ejemplo: radio de los rodillos, ngulo de
mordida, coeficiente de roce y grado de laminacin o grado de reduccin de
espesor.
A partir del anlisis de los resultados obtenidos luego de la experiencia
realizada, es posible concluir que:
Se obtuvieron los valores de roce crtico para las probetas laminadas.
El coeficiente de roce crtico aumenta con el porcentaje de reduccin de
espesor. Por ende es necesario superar este valor para que la
laminacin se lleve a cabo, ya sea aumentando el dimetro de los
rodillos como aumentando el roce superficial del producto a laminar.
Al aumentar el grado de laminacin se experiment un aumento en la
carga mxima UTS y el esfuerzo a fluencia obtenidos luego la traccin a
cada probeta. Esta alza se debe al aumento de la resistencia mecnica
producto de la laminacin en fro.
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8. Bibliografa
Hill
Book; 1988.
de Ingeniera Civil
en Metalurgia; USACH; 2012.