MACROMODELAMIENTO MECÁNICO DEL DIAGRAMA ESFUERZO- DEFORMACIÓN EN UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS ANGEL MAURICIO TIMOTE BRIÑEZ HÉTOR ALFREDO LÓPEZ RAMÍREZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2017
90
Embed
MACROMODELAMIENTO MECÁNICO DEL DIAGRAMA ESFUERZO- DEFORMACIÓN EN UN ACERO … · 2018-12-11 · macromodelamiento mecÁnico del diagrama esfuerzo-deformaciÓn en un acero aisi 1045
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
MACROMODELAMIENTO MECÁNICO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-
DEFORMACIÓN EN UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE
TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS
ANGEL MAURICIO TIMOTE BRIÑEZ
HÉTOR ALFREDO LÓPEZ RAMÍREZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2017
MACROMODELAMIENTO MECÁNICO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-
DEFORMACIÓN EN UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE
TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS
ANGEL MAURICIO TIMOTE BRIÑEZ
HÉCTOR ALFREDO LÓPEZ RAMÍREZ
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE
INGENIERO MECÁNICO
MSc CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ AVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2017
PÁGINA DE ACEPTACIÓN
Firma del Tutor
Firma del Jurado
19 de abril de 2017
DEDICATORIA
A mis padres Ovidio Timote y Deisy Briñez, quienes fueron un motor incondicional
en el transcurso de toda mi carrera, gracias por sus consejos y su incondicional
apoyo; aquellos consejos que siempre me motivaban a superarme, tanto personal
como académicamente.
A mis hermanos María Timote y Norbey Timote, quienes siempre me apoyaron en
los momentos difíciles de mi carrera, gracias por ser un ejemplo a seguir, su
determinación, constancia y sencillez, me enseño que una persona puede lograr
sus objetivos siempre y cuando, sea constante en éstos, por encima de las
adversidades que se presenten.
A mi hermana Dalia Timote, quien me considera un ejemplo a seguir, su
curiosidad siempre me impulso, a tratar de tener todas las respuestas a sus
preguntas.
A mis amigos y compañero de la universidad, quienes me acompañaron en el
proceso de formación, tanto personal como académicamente; con quien
compartimos muchas anécdotas en todo éste proceso.
A la Universidad Distrital quien me brindó la oportunidad de demostrar las
capacidades que tengo en el ámbito académico; a mis docentes de Ingeniería
Mecánica quienes, con sus consejos o reproches, siempre me enfocaron a
sobreponerme y superar las adversidades que se me presentaron.
Angel Mauricio Timote Briñez
DEDICATORIA
Este proyecto va dedicado a mis padres (Otilia Ramírez y Marco López) quienes
son parte importante de todo este proceso y son la mayor motivación de mis
logros alcanzados y por alcanzar, gracias a su incondicional apoyo durante mi vida
y a través de todo mi proceso de desarrollo, sin sus consejos y guía no podría
haber sido posible.
A mis hermanos (Giovanny López, Edward López y Jenny López) que hacen parte
importante de todas mis metas, quienes desde mi niñez me fijaron metas y fueron
de gran ayuda para poder llegar a ellas, sin sus consejos y experiencias este
proceso no habría sido el mismo y posiblemente no hubiera culminado de la
misma manera.
A mi novia (Angie Angarita) quien también ha sido parte muy importante durante
esta fase de mi vida tanto en la parte personal como en la parte profesional, ha
sido de gran apoyo para mí y de manera incondicional me ha acompañado,
ayudado y aconsejado.
A mi compañero y amigo (Mauricio Timote) persona que ha sido de gran ayuda y
me ha acompañado en este proceso de desarrollo de manera incondicional.
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y sus docentes del proyecto
curricular de Ingeniería Mecánica por brindarme el conocimiento y las
herramientas necesarias para poder llegar a alcanzar el título de ingeniero
mecánico.
Héctor Alfredo López Ramírez
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por todo su apoyo, en el
proceso de formación académica, al cuerpo de docentes que hicieron parte del
desarrollo nuestro, en la carrera.
En especial a nuestro tutor MSc Carlos Arturo Bohórquez por compartir sus
conocimientos y experiencias para el desarrollo de este proyecto, por su
dedicación, compromiso, paciencia y gran vocación que tiene para la enseñanza.
Gracias a todos aquellos que directa o indirectamente hicieron parte de nuestro
3.2.8 Transformación Martensitica (TM): es una transformación de fase de
primer orden en el estado sólido, que no involucra cambio de composición, y se
produce por medio de un movimiento cooperativo de átomos. Ocurre por una
deformación homogénea de la red cristalina, donde átomos se desplazan
distancias menores a las interatómicas. Este movimiento cooperativo produce un
cambio de forma macroscópico, dando como resultado una nueva fase llamada
martensita, esto no indica que los desplazamientos sean simultáneos sino que la
transformación se propaga, gracias a una interface altamente móvil. La
transformación martensitica comienza con una temperatura llamada Ms
(martensite start) y culmina a una temperatura llamada Mf (martensite finish) [30].
3.2.9 Microestructura: las propiedades físicas y, en particular, el comportamiento
mecánico de un material dependen de la microestructura. La microestructura es
22
susceptible de ser observada microscópicamente, utilizando microscopios ópticos
y electrónicos. En las aleaciones metálicas, la microestructura se caracteriza por el
número de fases y por la proporción y distribución de esas fases. La
microestructura de una aleación depende del número de aleantes, de la
concentración de cada uno de ellos y del tratamiento térmico de la aleación (por
ejemplo, de la temperatura y del tiempo de calentamiento y de la velocidad de
enfriamiento). Después del apropiado pulido y ataque, las fases se distinguen por
su apariencia [9].
3.2.10 Perlita: La reacción eutectoide hierro-carburo de hierro es fundamental en
el desarrollo microestructural de los aceros. Enfriando la austenita con una
concentración intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un
contenido de carbono inferior, y en cementita, con un porcentaje muy superior de
carbono. Los átomos de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente.
La Figura 8 ilustra esquemáticamente los cambios microestructurales que
acompañan la reacción eutectoide de formación de perlita; las flechas indican la
dirección de la difusión del carbono. Los átomos de carbono difunden de la región
ferritica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 6,70% en
peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de los
granos austeniticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono
necesitan difundir la distancia mínima dentro de esta estructura [9].
Figura 11. Esquema de la formación de la perlita a partir de la austenita; las flechas indican la dirección de la difusión del carbono [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
23
En la Figura 12 se ha dibujado el camino seguido por un tratamiento isotérmico (A
B C D) sobre un diagrama de transformación isotérmico de un acero eutectoide. El
enfriamiento rápido de la austenita está indicado por el segmento A B casi vertical
y el tratamiento isotérmico y su temperatura, por el segmento horizontal BCD. A lo
largo de este último segmento el tiempo se incrementa de izquierda a derecha. La
transformación de la austenita a perlita se inicia en el punto de intersección C
(después de unos 3,5 s) y termina hacia los 15 s, en el punto D. La Figura 9
también muestra esquemáticamente las microestructuras a varios tiempos durante
el transcurso de la reacción [9].
La relación de espesores de las láminas de ferrita y cementita en la perlita es de 8
a 1, aproximadamente. Sin embargo, el espesor absoluto de una lámina depende
de la temperatura de transformación. A temperaturas inferiores y muy próximas al
eutectoide se forman láminas de ferrita α y de 𝐹𝑒3C; esta microestructura se
denomina perlita gruesa y se forma a la derecha de la gráfica de fin de
transformación, como se indica en la Figura 12. A medida que disminuye la
temperatura, se forman láminas más delgadas ya que la velocidad de difusión del
carbono decrece. La estructura de láminas delgadas producida en la proximidad
de 540°C se denomina perlita fina (Figura 12) [9].
Figura 12. Diagrama de transformación isotérmica de un acero eutectoide, con curva de tratamiento térmico isotérmico (ABCD). Se muestran las
microestructuras antes, durante y después de la transformación austenita-perlita [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
24
3.2.11 Bainita: En la transformación de la austenita se forma, además de la
perlita, un constituyente denominado bainita. La microestructura bainitica consta
de las fases ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión.
La bainita forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de
transformación; los detalles microestructurales de la bainita son tan finos que su
resolución solo es posible mediante el microscopio electrónico. La Figura 13 es
una micrografía electrónica que muestra agujas de bainita (en posición diagonal:
de inferior izquierda a superior derecha); está compuesta de una matriz ferritica y
de partículas alargadas de 𝐹𝑒3C. La fase que rodea las agujas es martensita, que
se describe en la próxima sección [9].
Figura 13. Estructura de la bainita mediante micrografía electrónica de réplica [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9]
La transformación bainitica también depende del tiempo y de la temperatura y se
puede representar en un diagrama de transformación isotérmico, a temperaturas
inferiores a las de formación de la perlita; las curvas de inicio, final y semirreaccion
son parecidas a las de la transformación perlitica, como muestra la Figura 14, que
es el diagrama de transformación isotérmico de un acero eutectoide, ampliado a
bajas temperaturas. Las tres curvas tienen forma de C con una "nariz" en el punto
N, donde la velocidad de transformación es máxima. Se aprecia que en los
tratamientos isotérmicos realizados en la parte superior de la nariz, entre 540-
727°C, se forma perlita y en la parte inferior, entre 215-540°C, el producto de
25
transición es la bainita. Las transformaciones perlitica y bainitica compiten entre sí
y solo una parte de una aleación se puede transformar en perlita o en bainita; la
transformación en otro microconstituyente solo es posible volviendo a calentar
hasta formar austenita [9].
Además, la cinética de muchas transformaciones en estado sólido se representa
mediante estas características curvas en forma de C (Figura 14) [9].
Figura 14. Diagrama de transformación isotérmica de un acero eutectoide con las transformaciones austenita-perlita (A-P) y austenita-bainita (A-B) [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9]
3.2.12 Esferoidita: Si un acero con microestructura perlitica se calienta hasta una
temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo de tiempo largo, por
ejemplo a 700°C entre 18 y 24 h, se forma una nueva microestructura denominada
esferoidita, cementita globular o esferoidal (Figura 15). Las partículas de 𝐹𝑒3C
26
aparecen como esferas incrustadas en una matriz continua de fase α, en lugar de
las láminas alternadas de ferrita y cementita de la perlita o de las partículas
alargadas de 𝐹𝑒3C en una matriz ferritica como es el caso de la bainita. Esta
transformación tiene lugar mediante difusión del carbono sin cambiar la
composición o las cantidades relativas de fases ferrita y cementita. La fuerza
impulsora de esta transformación radica en la disminución del límite de fase α-
𝐹𝑒3C. La cinética de la formación de la esferoidita no está incluida en los
diagramas de transformación isotérmica [9].
Figura 15. Fotomicrografía de un acero con microéstructura de esferoidita. Las partículas pequeñas son de cementita; la fase continua es ferrita α. X
1000 [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
3.2.13 Martensita: El enfriamiento rápido (o temple), hasta temperatura próxima a
la ambiental, del acero austenizado origina otro microconstituyente denominado
martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transformación
sin difusión de la austenita. Se puede considerar un producto de transformación
competitivo con la perlita o la bainita. La transformación martensitica tiene lugar a
velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si
hubiera difusión se formarían las fases ferrita y cementita [9].
La transformación martensitica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de
átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños
desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transformación
27
significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la
martensita tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La celdilla unidad de esta
estructura cristalina (Figura 16) es un cubo, alargado en una de sus tres
dimensiones, centrado en el cuerpo; esta estructura es diferente de la ferrita BCC.
Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la
martensita y constituyen una disolución solida sobresaturada capaz de
transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que
implican una apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen
la estructura martensitica casi indefinidamente a temperatura ambiente [9].
Figura 16. Celdilla unidad tetragonal centrada en el cuerpo del acero martensítico mostrando átomos de hierro (círculos) y lugares ocupados por
átomos de carbono (cruces). En la celdilla unidad tetragonal, c> a [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
La transformación martensitica no solo ocurre en el acero, sino que otros sistemas
de aleación se caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión [9].
Ya que la transformación martensitica no implica difusión, ocurre casi
instantáneamente; los granos martensiticos se nuclean y crecen a velocidad muy
alta: la velocidad del sonido dentro de la matriz austenitica. De este modo, a
efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente
del tiempo [9].
Los granos de martensita, como indica la Figura 17, tienen la apariencia de
láminas o de agujas. La fase blanca de la micrografía es austenita (austenita
retenida) que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también
28
puede coexistir con otros constituyentes, como por ejemplo la perlita. Martensita,
bainita y austenita retenida [9].
Figura 17. Fotomicrografía de un acero con microestructura martensítica. Los granos en forma de aguja son el constituyente martensita y las regiones
blancas son austenita retenida: no se ha transformado durante el temple rápido. X1220 [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
3.2.14 Ferrita: aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en
hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a
disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita
como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los
aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una
resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%.
Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los
aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida
sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de
grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha
29
formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita,
procede de la solidificación [12].
La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a
la perlita en:
Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C).
Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85%
de C).
Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
Figura 18. Ferrita [13].
Tomada de Constituyentes de los aceros [13].
3.2.15 Tratamiento Térmico del acero: El tratamiento térmico del acero se refiere
a los procesos en los que se controla el tiempo y la temperatura y en los que se
liberan esfuerzos residuales y/o se modifican las propiedades del material como la
dureza (resistencia), ductilidad y tenacidad. Algunas veces otras operaciones
mecánicas y químicas se agrupan bajo el tratamiento térmico. Las operaciones
comunes de tratamiento térmico son recocido, templado, revenido y
endurecimiento superficial [14].
3.2.15.1 Recocido: Cuando un material se trabaja en frío o en caliente, se
inducen esfuerzos residuales; además, el material suele adquirir una dureza
mayor debido a estas operaciones de trabajo, que cambian la estructura del
material de tal manera que ya no puede ser representado por el diagrama de
equilibrio. El recocido completo y el normalizado son operaciones de
30
calentamiento que permiten que el material se transforme de acuerdo con el
diagrama de equilibrio. El material que se va a recocer se calienta a una
temperatura aproximadamente 100°F por encima de la temperatura crítica. Se
mantiene a esta temperatura durante un tiempo suficiente para que el carbono se
disuelva y se difunda a través del material. Luego se permite que el objeto tratado
se enfríe lentamente, por lo general, en el horno en el cual se trató. Si la
transformación es completa, entonces se dice que se tiene un recocido completo.
El recocido se utiliza para suavizar un material y hacerlo más dúctil, eliminar los
esfuerzos residuales y refinar la estructura del grano [14].
El término recocido incluye el proceso llamado normalizado. Las partes que se van
a normalizar se calientan hasta una temperatura un poco mayor que en el recocido
completo. Esto produce una estructura de grano más grueso, que se puede
maquinar con mayor facilidad si el material es un acero de bajo carbono. En el
proceso de normalizado la parte se enfría al aire a temperatura ambiente. Como
este enfriamiento es más rápido que el enfriamiento lento que se usa en el
recocido completo, se dispone de menos tiempo para el equilibrio, y el material es
más duro que el acero completamente recocido. A menudo, el normalizado se usa
como la operación de tratamiento final del acero. El enfriamiento en aire equivale a
un templado lento [14].
3.2.15.2 Templado: El acero eutectoide, que está completamente recocido,
consiste en su totalidad de perlita, la cual se obtiene a partir de la austenita bajo
condiciones de equilibrio. Un acero hipoeutectoide completamente recocido
consistiría de perlita más ferrita, mientras que un acero hipereutectoide consistiría
de perlita más cementita. La dureza del acero con cierto contenido de carbono
depende de la estructura que reemplaza la perlita cuando no se realiza el recocido
completo [14].
La ausencia del recocido completo indica una rapidez de enfriamiento más
acelerada. Dicha rapidez es el factor que determina la dureza. La rapidez de
enfriamiento controlada se llama templado. El templado suave se obtiene al enfriar
el acero al aire, lo que, como se ha visto, se obtiene mediante el proceso de
normalizado. Los dos medios más usados para el templado son el aire y el aceite.
El templado con aceite resulta muy lento pero evita las grietas de templado
causadas por la rápida dilatación del elemento tratado. El templado en agua se
usa para aceros al carbono y para aceros al medio carbono de baja aleación [14].
La eficacia del templado depende del hecho de que, cuando la austenita se enfría,
no se transforme de manera instantánea en perlita, sino que requiere tiempo para
iniciar y completar el proceso. Como la transformación termina aproximadamente
a 800°F puede prevenirse enfriando rápido el material a una temperatura más
baja. Cuando el material se enfría con rapidez a 400°F o menos, la austenita se
31
transforma en una estructura llamada martensita, que es una solución sólida
supersaturada de carbono en ferrita, que representa la forma más dura y más
fuerte del acero [14].
Si el acero se enfría rápido hasta una temperatura entre 400 y 800°F y se
mantiene a esa temperatura durante un tiempo suficiente, la austenita se
transforma en un material que suele llamarse bainita, que es una estructura
intermedia entre la perlita y la martensita. Aunque hay varias estructuras que se
identifican entre las temperaturas dadas, según la temperatura empleada, en
conjunto se llaman bainita. Por medio de la elección de esta temperatura de
transformación se puede obtener casi cualquier variación de la estructura, desde
perlita gruesa hasta martensita fina [14].
3.2.15.3 Revenido: Cuando una pieza de acero se ha endurecido por completo es
muy dura y frágil y tiene altos esfuerzos residuales. Por otra parte, cuando
envejece, el acero es inestable y tiende a contraerse. Esta tendencia se
incrementa cuando la pieza se somete a cargas aplicadas de manera externa,
porque los esfuerzos resultantes contribuyen aún más a la inestabilidad. Dichos
esfuerzos internos pueden eliminarse mediante un proceso de bajo calentamiento
llamado alivio de esfuerzos, o por medio de una combinación de alivio de
esfuerzos y suavizado que recibe el nombre de revenido o regulación. Después de
que la pieza se ha endurecido completamente al templarse por encima de la
temperatura crítica, se recalienta hasta determinada temperatura menor que la
crítica durante un cierto tiempo y luego se permite que se enfríe en aire quieto. La
temperatura a la cual se recalienta depende de la composición y del grado de
dureza o tenacidad deseados. La operación de recalentamiento libera el carbono
que contiene la martensita, con lo cual se forman cristales de carburo. La
estructura que se obtiene se llama martensita revenida. Ahora, ésta es
esencialmente una dispersión superfina de carburo(s) de hierro en ferrita de grano
fino [14].
Los efectos de las operaciones de tratamiento térmico sobre varias de las
propiedades mecánicas de un acero de baja aleación se presentan en forma
gráfica en la figura 19 [14].
32
Figura 19. Efecto de la historia termomecánica en las propiedades mecánicas del acero AISI 4340. (Preparado por International Nickel
Company.) [14].
Tomada de libro Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley [14].
3.2.15.4 Endurecimiento Superficial: El propósito del endurecimiento superficial
es producir una superficie exterior dura sobre un elemento de acero al bajo
carbono, mientras que al mismo tiempo se retiene su ductilidad y tenacidad en el
núcleo. Este proceso se basa en el incremento del contenido de carbono en la
superficie. Se pueden utilizar materiales carburizantes sólidos, líquidos o
gaseosos. El proceso consiste en introducir la parte que se va a carburizar en el
33
material carburizante durante un tiempo y una temperatura establecidos,
dependiendo de la profundidad del espesor deseado y de la composición de la
parte. Luego, ésta puede templarse en forma directa a partir de la temperatura de
carburización y después se reviene, o en algunos casos se somete a un
tratamiento térmico con objeto de asegurar que tanto el núcleo como la superficie
adquieran condiciones adecuadas. Algunos de los procesos de endurecimiento
superficial más útiles son el carburizado en caja, el carburizado en gas, nitrurado,
cianurado, endurecimiento por inducción y endurecimiento a la flama. En los dos
últimos casos el carbono no se agrega al acero en cuestión, que suele ser un
acero de medio carbono, por ejemplo SAE/AISI 1144 [14].
3.2.16 Laboratorio de Pruebas Mecánicas: El Laboratorio de Pruebas
Mecánicas proporciona pruebas mecánicas para el estudio de diferentes
materiales sólidos, se pueden ensayar en forma de probetas o como una pieza de
producto terminado. Aplicaciones: Las pruebas mecánicas son pruebas
destructivas en las que los materiales de estudio son sometidos a esfuerzos
mediante la aplicación de una fuerza externa hasta su deformación y/o ruptura,
para determinar sus propiedades de dureza, elasticidad, fragilidad y resistencia a
la penetración. Se pueden estudiar materiales diversos como: polímeros, metales
de baja dureza, materiales cerámicos, materiales compuestos, productos
farmacéuticos y alimentos, así como productos o piezas elaboradas con estos
materiales. Las pruebas que se desarrollan son [15]:
Pruebas de tensión
Pruebas de compresión
Pruebas de flexión
Pruebas de dureza
Prueba de textura
Pruebas de penetración
Pruebas de fatiga
3.2.17 Propiedades mecánicas de los materiales: El comportamiento mecánico
de un material refleja la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material
(o sea, su deformación). Algunas de las propiedades mecánicas más importantes
son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez [9].
Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos
cuidadosos de laboratorio que reproducen las condiciones de servicio hasta donde
sea posible. Los factores que deben considerarse son la naturaleza de la carga
aplicada, su duración, así como las condiciones del medio. La carga puede ser
una tracción, una compresión o una cizalladura, y su magnitud puede ser
constante con el tiempo o bien fluctuar continuamente. El tiempo de aplicación
34
puede ser de solo una fracción de segundo o durar un periodo de varios años. La
temperatura de servicio puede ser un factor importante [9].
3.2.18 Módulo de Elasticidad: El módulo de elasticidad es la medida de la
tenacidad y rigidez del material, o su capacidad elástica. Mientras mayor el valor
(módulo), más rígido es el material. A la inversa, los materiales con valores bajos
son más fáciles de doblar bajo carga. En la mayoría de aceros y aleaciones
endurecibles por envejecimiento, el módulo varía en función de la composición
química, el trabajado en frío y el grado de envejecimiento. La variación entre
materiales diferentes es usualmente pequeña y se puede compensar mediante el
ajuste de los diferentes parámetros [16].
3.2.19 Limite Elástico: Para los metales que experimentan la transición
elastoplastica de forma gradual, el punto de fluencia puede determinarse como la
desviación inicial de la linealidad de la curva tension-deformacion; este punto se
denomina a menudo limite proporcional, y está indicado por P en la Figura 20a. En
tales casos, la posición de este punto no puede ser determinada con precisión.
Por este motivo se ha establecido una convención por la cual se traza una línea
recta paralela a la línea elástica del diagrama de la tension-deformacion
desplazada por una determinada deformación, usualmente 0,002. La tensión
correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensión
deformación cuando este se curva se denomina límite elástico 𝝈𝒚. Esto se muestra
en la Figura 20a [9].
Algunos aceros y otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensión-
deformación mostrado en la Figura 20b. La transición elastoplastica esta muy bien
definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del
punto de fluencia. En el límite de fluencia superior, la deformación plástica se inicia
con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que
fluctúa ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia
inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno, el limite elástico se toma
como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior, ya que
esta bien definido y es poco sensible al procedimiento seguido en el ensayo. Por
consiguiente, no es necesario utilizar el método del 0,2 % de deformación para
estos materiales [9].
La magnitud del límite elástico de un metal es una medida de su resistencia a la
deformación plástica. Los limites elásticos estan comprendidos entre 35 MPa
(5000 psi) para un aluminio de baja resistencia hasta valores superiores a 1400
MPa (200000 psi) para aceros de alta resistencia [9].
35
Figura 20. a) Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones elástica y plástica, el límite proporcional P y el límite elástico σγ determinado como la tensión para una deformación plástica del 0,002. (b) Curva de tracción típica de algunos aceros que presentan el fenómeno de la
discontinuidad de la fluencia [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9]
3.2.20 Tenacidad: La tenacidad de un material es un término mecánico que se
utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de
un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta
así como la manera con que se aplica la carga son importantes en la
determinación de la tenacidad. En el caso de condiciones de carga dinámicas (alta
velocidad de deformación) y cuando una entalla (o sea un concentrador de
tensiones) está presente, la tenacidad a la entalla es evaluada utilizando ensayos
de impacto. Además, la tenacidad de fractura es una propiedad que nos indica la
resistencia a la fractura de un material cuando existe una grieta [9].
En el caso de la situación estática (baja velocidad de deformación), la tenacidad
puede ser evaluada a partir de los resultados del ensayo de tracción. Es el área
bajo la curva 𝜎-ε hasta la fractura. Las unidades de tenacidad son las mismas que
las de resiliencia (o sea, energía por unidad de volumen de material). Para que un
material sea tenaz, debe poseer tanto alta resistencia como ductilidad; y, a
menudo, los materiales dúctiles son más tenaces que los frágiles. Esto se ve en la
Figura 18, en la cual están representadas las curvas tension-deformacion para
36
ambos tipos de materiales. Por consiguiente, aun cuando los materiales frágiles
tienen mayor límite elástico y mayor resistencia a la tracción, tienen menor
tenacidad que los dúctiles a causa de la falta de ductilidad; esto se puede deducir
comparando las áreas A B C y A B 'C ' de la Figura 21 [9].
Figura 21. Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales frágiles, y dúctiles ensayados hasta la fractura [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
3.2.21 Resistencia a la fluencia: la parte del diagrama esfuerzo-deformación
unitaria donde hay un incremento de la deformación con poco o ningún aumento
del esfuerzo se llama resistencia de fluencia o resistencia de cedencia, sy. Indica
que el material ha cedido o se ha alargado en forma plástica y permanente. Si el
punto de fluencia es muy notable se llama punto de fluencia o de cedencia y no
resistencia de fluencia [17].
En la figura 22, diagrama de esfuerzo-deformación de un metal no ferroso como el
del aluminio o titanio. Observe que no hay punto de fluencia, pero el material ha
cedido, en realidad, en o cerca del valor del esfuerzo indicado como sy. Ese punto
se determina por el método de compensación, donde se traza una recta paralela a
la porción rectilínea de la curva, y es compensada hacia la derecha, que en el
caso normal es 0.20% de deformación unitaria (0.002 pulg/pulg). La intersección
de la línea con la curva define la resistencia del material a la fluencia [17].
37
Figura 22. Diagrama típico de esfuerzo-deformación unitaria para aluminio y otros metales que no tienen punto de fluencia [17].
Tomado de propiedades de los materiales [17]
3.2.22 Deformación plástica: Para la mayoría de los materiales metálicos, la
deformación elástica únicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de
0,005. A medida que el material se deforma más allá de este punto, la tensión deja
de ser proporcional a la deformación (la ley de Hooke, deja de ser válida) y ocurre
deformación plástica, la cual es permanente, es decir, no recuperable. En la Figura
20a se traza esquemáticamente el comportamiento tension-deformacion en la
región plástica para un metal típico. La transición elastoplastica es gradual en la
mayoría de los metales; se empieza a notar cierta curvatura al comienzo de la
deformación plástica, la cual aumenta más rápidamente al aumentar la carga [9].
Desde un punto de vista atómico, la deformación plástica corresponde a !a rotura
de los enlaces entre los átomos vecinos más próximos y a la reformación de estos
con nuevos vecinos, ya que un gran número de átomos o moléculas se mueven
unos respecto a otros; al eliminar la tensión no vuelven a sus posiciones
originales. El mecanismo de esta deformación es diferente para materiales
cristalinos y amorfos. En los materiales cristalinos, la deformación tiene lugar
mediante un proceso denominado deslizamiento, en el cual está involucrado el
movimiento de dislocaciones. La deformación plástica en los sólidos no cristalinos
(así como en los líquidos) ocurre por un mecanismo de flujo viscoso [9].
3.2.23 Resistencia a la tensión: Después de iniciarse la deformación plástica, la
tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un
máximo, punto M en la Figura 23, y después disminuye hasta que finalmente se
38
produce la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS (MPa o psi) es la
tensión en el máximo del diagrama tension-deformacion nominales (Figura 23).
Esto corresponde a la máxima tensión que puede ser soportada por una estructura
a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura. Hasta
llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la
probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar
una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de
la probeta, lo cual se denomina estricción o cuello, y toda la deformación
subsiguiente esta confinada en la estricción, tal como se indica esquemáticamente
en la Figura 23. La fractura ocurre en la estricción. La tensión de fractura o bien de
rotura corresponde a la tensión en la fractura [9].
Las resistencias a la tracción pueden variar entre 50 MPa (7000 psi) para un
aluminio hasta valores tan altos como 3000 MPa (450000 psi) para aceros de alta
resistencia. Generalmente cuando se menciona la resistencia de un metal para
propósitos de diseño se indica el límite elástico. Esto se debe a que cuando se
alcanza la resistencia a la tracción, la deformación plástica que habría sufrido el
material sería tan grande que ya no sería útil. Además, la resistencia a la fractura
no se indica usualmente en el diseño en ingeniería [9].
Figura 23. Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
39
3.2.24 Graficas esfuerzo vs deformación del acero:
Figura 24. Grafica esfuerzo vs deformación del acero [18].
Tomada de Aceros Estructurales Americanos [18].
Figura 25. Grafica esfuerzo vs deformación del acero con énfasis en su zona elastico-plastica [19].
Tomada de Mecánica de Materiales [19].
40
3.2.25 Modulo Tangente: El modulo tangente se toma como la pendiente de la
curva tension-deformacion a algún determinado nivel de la tensión. Mientras que
el modulo secante representa la pendiente de una secante trazada desde el origen
hasta algún punto determinado de la curva 𝜎-ε. La determinación de estos
módulos se ilustra en la Figura 26 [9].
Figura 26. Diagrama esquemático tensión-deformación mostrando comportamiento elástico no lineal, y cómo se determinan los módulos
secante y tangente [9].
Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [9].
3.2.26 Esfuerzos y Deformaciones Reales
Los esfuerzos y deformaciones reales, están asociados a los esfuerzos y
deformaciones ingenieriles con las siguientes ecuaciones [9]:
𝜎𝑇 = 𝜎𝑒(1 + 휀𝑒) (4)
휀𝑇 = 𝑙𝑛(1 + 휀𝑒) (5)
Siendo 𝜎𝑇 esfuerzo real, 휀𝑇 deformación real, 𝜎𝑒 esfuerzo ingenieril y 휀𝑒
deformación ingenieril.
3.2.27 Programa CAD: CAD/Diseño Asistido por Computadora o en ingles
Computer-aided design (CAD), es el uso de programas computacionales para
crear representaciones gráficas de objetos físicos ya sea en segunda o tercera
41
dimensión (2D o 3D). El software CAD puede ser especializado para usos y
aplicaciones específicas. CAD es ampliamente utilizado para la animación
computacional y efectos especiales en películas, publicidad y productos de
diferentes industrias, donde el software realiza cálculos para determinar una forma
y tamaño óptimo para una variedad de productos y aplicaciones de diseño
industrial [20].
En diseño de industrial y de productos, CAD es utilizado principalmente para la
creación de modelos de superficie o sólidos en 3D, o bien, dibujos de
componentes físicos basados en vectores en 2D. Sin embargo, CAD también se
utiliza en los procesos de ingeniería desde el diseño conceptual y hasta el layout
de productos, a través de fuerza y análisis dinámico de ensambles hasta la
definición de métodos de manufactura. Esto le permite al ingeniero analizar
interactiva y automáticamente las variantes de diseño, para encontrar el diseño
óptimo para manufactura mientras se minimiza el uso de prototipos físicos [20].
Beneficios de CAD: los beneficios del CAD incluyen menores costos de desarrollo
de productos, aumento de la productividad, mejora en la calidad del producto y un
menor tiempo de lanzamiento al Mercado [20].
Mejor visualización del producto final, los sub-ensambles parciales y los
componentes en un sistema CAD agilizan el proceso de diseño.
El software CAD ofrece gran exactitud de forma que se reducen los errores.
El software CAD brinda una documentación más sencilla y robusta del
diseño, incluyendo geometría y dimensiones, lista de materiales, etc.
El software CAD permite una reutilización sencilla de diseños de datos y
mejores prácticas.
3.2.28 Ansys Workbench: El software de análisis estructural de ANSYS permite
resolver complejos problemas de ingeniería estructural y tomar mejores decisiones
de diseño, y más rápidas. Con las herramientas de análisis de elementos finitos
(FEA), podrás personalizar y automatizar simulaciones, así como parametrizarlas
para analizar el diseño en múltiples escenarios. Las soluciones de mecánica
estructural de ANSYS son perfectamente compatibles con otras herramientas de
análisis de físicas, lo que proporciona un realismo aún mayor en la predicción del
comportamiento y el rendimiento de los productos más complejos [21].
3.2.29 Método por Elemento Finito: El desarrollo moderno del método de
elemento finito comenzó en la década de 1940 en el campo de la mecánica
estructural con el trabajo de Hrennikoff, McHenry y Newmark, quienes emplearon
una red o rejilla de elementos lineales (varillas y vigas) para solucionar esfuerzos
en sólidos continuos. En 1943, a partir de un artículo de 1941, Courant sugirió una
interpolación polinomial por pasos sobre regiones triangulares como el método
42
para modelar problemas de torsión. Con el advenimiento de las computadoras
digitales en la década de 1950, esta propuesta se pudo llevar a la práctica por los
ingenieros para escribir y resolver las ecuaciones de rigidez en forma matricial. Un
artículo clásico de Turner, Clough, Martin y Topp, que se publicó en 1956,
presentaba las ecuaciones matriciales de rigidez de los puntales, vigas y otros
elementos. La expresión elemento finito se atribuye primero a Clough. Con base
en estos primeros antecedentes, se ha realizado una gran cantidad de esfuerzos
para desarrollar el método del elemento finito en el área de las formulaciones de
los elementos, así como en la instrumentación computacional del proceso de
solución completo. Los mayores avances en tecnología computacional incluyen las
capacidades del hardware que se extienden rápidamente, las rutinas de resolución
de matrices eficientes y precisas y las gráficas por computadora que facilitan
visualizar las etapas de procesamiento previo a la revisión de los resultados de la
solución. Se ha presentado una gran abundancia de literatura sobre el tema, la
que incluye muchos libros de texto [14].
Puesto que el método del elemento finito es una técnica numérica que convierte el
dominio de una estructura continua en valores discretos, los errores son
inevitables. Estos errores son [14]:
3.2.29.1 Errores computacionales: Éstos se deben a errores de redondeo
provenientes de los cálculos de punto flotante de la computadora y de las
formulaciones de los esquemas de integración numérica que se utilizan. La
mayoría de los códigos comerciales de elemento finito se concentran en reducir
estos errores y, en consecuencia, el analista por lo regular se interesa en los
factores relacionados con los valores discretos [14].
3.2.29.2 Errores de conversión discreta: La geometría y distribución del
desplazamiento de una estructura real varía continuamente. Mediante el uso de un
número finito de elementos para modelar la estructura introduce errores al igualar
la geometría y distribución del desplazamiento debido a las limitaciones
matemáticas inherentes a los elementos [14].
Para apreciar un ejemplo de errores de conversión a valores discretos, considere
la estructura de la placa delgada, de grosor o espesor constante, que se ilustra en
la figura 27a. La figura 27b muestra un modelo de elemento finito de la estructura
donde se emplean elementos triangulares simples de esfuerzo plano con tres
nodos. Este tipo de elemento tiene un defecto que da origen a dos problemas
básicos. El elemento tiene lados rectos que permanecen así después de la
deformación. Las tensiones a través del elemento triangular de esfuerzo plano son
constantes. El primer problema, de tipo geométrico, es el modelado de los bordes
curvos. Observe que la superficie del modelo con una gran curvatura parece tener
un modelado deficiente, mientras que la superficie del orificio tiene un modelado
43
razonablemente bueno. El segundo problema, mucho más severo, es que las
tensiones en diversas regiones de la estructura real cambian con rapidez, y el
elemento de tensión constante proporcionará únicamente una aproximación de la
tensión promedio en el centro del elemento. De este modo, en pocas palabras, los
resultados predichos por este modelo serán en extremo deficientes. Los
resultados pueden mejorarse si se aumenta de manera significativa el número de
elementos (mediante el incremento de la densidad de la malla). De modo
alternativo, si se emplea un elemento mejor, tal como un cuadrilátero de ocho
nodos, que es más adecuado para la aplicación, proporcionará mejores
resultados. Debido a las funciones de interpolación de orden superior, el elemento
cuadrilátero de ocho nodos puede modelar bordes curvos y mantener una función
de orden superior para distribuir la tensión [14].
En la figura 27b, los elementos triangulares se encuentran sombreados, mientras
que los puntos negros representan los nodos de los elementos. Las fuerzas y las
limitantes sólo se pueden colocar en los nodos. Los nodos de elementos de
esfuerzo de un plano triangular simple tienen solamente dos grados de libertad,
traslación en el plano. De este modo, los triángulos de soporte simple en el borde
izquierdo, en negro sólido, representan el soporte fijo del modelo. Por otro lado,
como se ilustra, la carga distribuida puede aplicarse sólo a tres nodos. La carga
modelada tiene que ser estáticamente consistente con la carga real [14].
Figura 27. Problema estructural. a) Modelo idealizado; b) modelo de elemento finito [14].
Tomada del libro de Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley [14]
44
3.2.30 Condición de Frontera: La simulación de las condiciones de frontera y
otras formas de limitantes probablemente es la parte más difícil del modelado
preciso de una estructura para un análisis de elemento finito. Con limitantes
específicas, es relativamente sencillo cometer errores de omisión o distorsión.
Para el analista puede ser necesario probar diferentes enfoques para modelar
limitantes enigmáticas tales como uniones de pernos, soldaduras, etc., que no son
tan simples como las uniones fijas o pernos idealizados. La prueba debería
confinarse a problemas simples y no a una estructura grande y compleja. En
ocasiones, cuando la naturaleza exacta de una condición limítrofe o de frontera es
incierta, sólo pueden ser posibles los límites de comportamiento. Por ejemplo, se
han modelado ejes con cojinetes con soporte simple. Es más probable que el
soporte sea algo entre soporte simple y fijo, y se podrían analizar ambas limitantes
para establecer los límites. Sin embargo, al suponer un soporte simple, los
resultados de la solución son conservadores para esfuerzos y deflexiones. Es
decir, la solución pronosticaría esfuerzos y deflexiones mayores que las reales
[14].
Las ecuaciones de restricción de punto múltiple se emplean con bastante
frecuencia para modelar condiciones de frontera o conexiones rígidas entre
miembros elásticos. Cuando se utilizan en esta última forma, las ecuaciones
actúan como elementos y entonces se conocen como elementos rígidos. Los
elementos rígidos pueden rotar o trasladarse únicamente de manera rígida [14].
Los elementos de frontera se utilizan para forzar desplazamientos específicos
distintos de cero sobre una estructura. Los elementos de frontera también pueden
ser útiles al modelar condiciones de frontera que son laterales del sistema
coordenado global [14].
45
4. DISEÑO METODOLOGICO
4.1 Metodología Del Desarrollo Del Proyecto
4.1.1 Obtener las temperaturas intercriticas AC1 y AC3 del material a partir de su composición química y establecer la secuencia de tratamientos térmicos
El proyecto iniciara con la adquisición del material designado, al cual, se le
realizará una prueba de composición química; con ésta se calcularan las
temperaturas intercriticas AC1, AC3 y el inicio de la formación martensitica (Ms).
Luego se cortara y maquinara el material en secciones adecuadas, tanto para el
tratamiento, como para la prueba de tensión.
Con los datos necesarios encontrados, se realizara el temple y revenido del
material.
4.1.2 Desarrollo del ensayo de tensión y micrografía
La prueba de tensión se efectuara en el laboratorio de pruebas mecánicas de la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Con los resultados obtenidos de
ésta prueba, se realizaran las gráficas de esfuerzo-deformación.
La micrografía se desarrollara en el laboratorio de pruebas metalográficas, con el
fin de saber los porcentajes de fase, en cada una de las muestras del material.
4.1.3 Obtener el macromodelo y realizar la programación para obtener los diagramas esfuerzo-deformación mediante Workbench del Ansys y realizar las comparaciones con los obtenidos experimentalmente
Las curvas de carga del modelo elástico-plástico se obtienen por medio de una
combinación, entre las ecuaciones designadas para éste y el porcentaje de fase
de las muestras del material. Teniendo las curvas de carga se procederá a realizar
un modelo discreto en Ansys y a éste se le asignaran dichas curvas.
Teniendo el modelo, se realizaran análisis de esfuerzos y deformaciones, para
obtener los datos, con los cuales poder elaborar los diagramas. Teniendo los
diagramas se procederá a realizar la comparación entre los teóricos y los
experimentales.
Con las respectivas comparaciones se realizaran las conclusiones del proyecto.
46
5. DESARROLLO DEL PROYECTO
5.1 Adquisición del Material
El material de trabajo adquirido fue: acero AISI/SAE 1045 laminado en caliente,
presentación de barras circulares de diámetro 19.05 mm (3/4”) y longitud de 1500
mm. Se adquirieron dos barras para la cantidad de probetas a usar.
5.2 Prueba Química
Para verificar que el acero usado en el desarrollo del proyecto, es un acero
AISI/SAE 1045, se realizó una prueba de composición química, la cual se puede
observar en la Tabla 4.
Tabla 4. Composición Química del Acero AISI/SAE 1045.
Elemento Contenido de masa
(%)
C 0,45
Si 0,211
Mn 0,663
P 0,001
Cr 0,319
Al 0,007
S 0,001
Ni 0,078
Mo 0,015
V 0,004
Co 0,01
Ti 0,003
Nb 0,006
W 0,023
N 0
B 0,0001
Cu 0,008 Tabla elaborada por los autores.
47
5.3 Calculo de Temperaturas
Las siguientes expresiones se usaron para calcular las temperaturas intercriticas
AC1 [26,27], AC3 [26,28] y la transformación martensitica Ms [31].los resultados