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

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

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

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.

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.

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.

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.

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)

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.

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

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

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,

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.

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.

8. Bibliografa

Hill

Book; 1988.

de Ingeniera Civil

en Metalurgia; USACH; 2012.