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César Yeshua Becerra Mayorga

be260308@uaeh.edu.mx

https://orcid.org/0000-0002-5213-2764

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo

intergranular en los casos más críticos, evidenciando un sobre-endurecimiento crítico. El análisis

microestructural reveló una estructura de grano severamente deformado, producto de un trefilado con

deformaciones reales ε > 0.15 sin recocido. Se concluye que el mecanismo de fractura es frágil, gatillado

por la alta triaxialidad de tensiones en la geometría de la pieza y la nula reserva de ductilidad del

material. La validación de la solución se realiza contrastando con un material de la competencia que,

tras un recocido controlado, presenta una microestructura recristalizada, mayor ductilidad y un YS/UTS

de 0.895, lo que confirma la eficacia del tratamiento térmico para restaurar la conformabilidad.

Palabras clave: SAE 1010, forja en frío, fractura frágil, recocido, trefilado

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Flange nuts manufactured with drawn SAE 1010 steel wire exhibited fractures during cold forging. This

study diagnoses the root causes and proposes a solution through annealing. Tensile tests (ASTM E8)

and microstructural analysis (OM and SEM) were performed. The results showed a yield strength to

ultimate tensile strength ratio (YS/UTS) > 0.95 and a 100% intergranular fracture in the most critical

cases, evidencing critical strain hardening. Microstructural analysis revealed a severely deformed grain

structure, a result of wire drawing with true strains ε > 0.15 without annealing. It is concluded that the

fracture mechanism is brittle, triggered by the high stress triaxiality in the part's geometry and the

material's null ductility reserve. The solution is validated by comparing it with a competitor's material

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La conformabilidad en frío es un proceso de manufactura esencial para la producción masiva de

elementos de fijación, tales como las tuercas tipo flange. Este proceso depende críticamente de la

capacidad de deformación plástica del material empleado, comúnmente aceros de bajo carbono como el

SAE 1010. Sin embargo, durante las etapas de conformado, los materiales son sometidos a estados de

tensión complejos que exigen una reserva de ductilidad óptima para fluir sin presentar fallas

Estas reducciones generan un alto nivel de endurecimiento por deformación, lo que altera

significativamente el comportamiento mecánico del acero previo a la forja.

Abordar este fenómeno es de suma relevancia, ya que la falla imprevista de estos componentes genera

altas tasas de rechazo, desgaste de herramentales y riesgos potenciales en la aplicación final. Desde una

perspectiva teórica, la viabilidad del conformado en frío está gobernada por la relación entre el límite

elástico (YS) y la resistencia a la tracción (RT o UTS). Como establecen Dieter y Bacon (1988), este

comportamiento mecánico está dictado por el severo incremento en la densidad de dislocaciones durante

el trabajo en frío, lo cual eleva drásticamente el límite elástico y reduce el porcentaje de reducción de

área. La literatura especializada establece que, para evitar fracturas, es ideal mantener una relación

YS/UTS ≤ 0.65-0.70. Los valores altos, superiores a 0.85, indican que el material alcanza su máxima

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manera complementaria, investigaciones sobre aceros de bajo carbono han establecido que la reducción

de área (%RA) es un predictor más fiable que el alargamiento (%EL) para evaluar la conformabilidad,

recomendando valores mínimos de 55 - 60% para garantizar procesos de deformación plástica severa

sin fallos (Pradhan y Oh, 2024; Raji y Oluwole, 2013a).

Adicionalmente, la geometría de la tuerca flange impone una alta triaxialidad de tensiones en zonas de

transición, como la unión cuerpo-brida. De acuerdo con los modelos de conformado de metales de

geometrías con alta restricción plástica, como la transición cuerpo-brida de tuercas flange, la

combinación de alta triaxialidad y baja ductilidad promueve la fractura intergranular (Winiarski, 2024).

Este comportamiento es consistente con los hallazgos del presente estudio.

El recocido de recristalización para aceros SAE 1010 se realiza típicamente en el rango de 600-700°C,

temperatura a la cual se activa la difusión atómica necesaria para la nucleación de nuevos granos

equiaxiales (Krauss, 2015; Callister y Rethwisch, 2020). Este tratamiento anula los efectos del

endurecimiento por deformación, resultando en un aumento significativo de la maleabilidad del

material.

En este sentido, investigaciones recientes han optimizado los parámetros de recocido para aceros de bajo

carbono. Zhang et al. (2022) demostraron que un recocido a 680°C durante 1.5 horas es óptimo para

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mecánico post-trefilado. De acuerdo con estudios en aceros trefilados, el trabajo en frío incrementa la

densidad de dislocaciones desde valores de 10¹⁰ m⁻² en estado recocido hasta 10¹⁵ m⁻² en deformaciones

reales de 0.20. Este incremento, aunque beneficioso para la resistencia, reduce drásticamente la

ductilidad y aumenta la susceptibilidad a la fractura frágil, especialmente bajo estados de tensión triaxial

(Kaverynskyi et al., 2022; Alzreedy, 2023).

Ante este panorama, el objetivo general de la presente investigación es diagnosticar las causas

un diseño experimental comparativo de corte transversal. La muestra de estudio estuvo conformada por

elementos de acero SAE 1010 trefilado en frío, seleccionando 5 probetas de alambre provenientes tanto

del material con fallas como de un material de competencia, y 3 tuercas tipo flange que presentaron

fracturas en producción.

La deformación real experimentada por el material durante el trefilado se calculó mediante la ecuación:

Donde A₀ y A_f son las áreas transversales inicial y final.

Caso 1 (13.16 mm → 12.16 mm):

Caso 2 (10.13 mm → 9.13 mm):

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Para la caracterización mecánica, se realizaron ensayos de tensión bajo los lineamientos de la norma

internacional ASTM E8/E8M para probetas cilíndricas. Las pruebas se ejecutaron empleando una

Máquina Universal de Ensayos Computer Control Electronic Universal Testing Machine (modelo CMT-

100), equipada con mordazas hidráulicas y extensómetro. Se aplicó una velocidad de deformación

controlada de 3 mm/min para evitar un endurecimiento artificial del material. Durante las pruebas, se

espejo y ataque químico con Nital al 2% para revelar de manera efectiva la morfología celular y el grado

de deformación del grano.

Microscopía Electrónica de Barrido (FE-SEM): Las zonas fracturadas de las tuercas fueron

examinadas topográficamente empleando un equipo FE-SEM a 10 kV, con distancia de trabajo de 10

mm y magnificaciones de 500× a 5000×. Esto permitió diagnosticar a nivel micrométrico el mecanismo

predominante de fractura, empleando los criterios de interpretación fractográfica canónicos de la

literatura (ASM International, 2004).

El análisis de las deformaciones reales (ε) generadas durante el trefilado en un solo paso demostró que

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densidades de dislocaciones del orden de 10¹⁵ m⁻², lo que incrementa significativamente el límite elástico

pero reduce drásticamente la ductilidad.

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El origen microestructural de dichas discrepancias mecánicas se esclareció mediante microscopía óptica.

Las micrografías del material problemático revelaron una morfología de granos alargados, destruidos y

bandeados en la dirección del trefilado (Figura 1). Tal como describen Dieter y Bacon (1988), esta

estructura fuertemente deformada, sin indicios de recristalización, concentra una altísima densidad de

dislocaciones, las cuales son directamente responsables de elevar el límite elástico hasta los 424 MPa y

elástico (424 vs 392 MPa) y en la ductilidad.