anÁlisis fractogrÁfico de un acero al...
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ANÁLISIS FRACTOGRÁFICO DE UN ACERO AL CARBONO SAE 1045
SOMETIDO A CARGAS DE TENSIÓN, FLEXIÓN E IMPACTO.
EDWIN ALBERTO MEDINA SILVA.
RAÚL ANDRÉS CASTELLANOS LÓPEZ.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.
FACULTAD DE TECNOLOGÍA.
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA.
BOGOTÁ, D.C
2015.
ANÁLISIS FRACTOGRÁFICO DE UN ACERO AL CARBONO SAE 1045
SOMETIDO A CARGAS DE TENSIÓN, FLEXIÓN E IMPACTO.
EDWIN ALBERTO MEDINA SILVA.
RAÚL ANDRÉS CASTELLANOS LÓPEZ.
Trabajo de tesis, para optar por el título de:
Tecnólogo Mecánico.
Director:
ING. JONNY RICARDO DUEÑAS ROJAS.
Profesor Asistente, Universidad Distrital Francisco José De Caldas.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA.
BOGOTÁ, D.C
2015.
3
CONTENIDO.
INTRODUCCIÓN. ................................................................................................... 6
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ............................................................. 7
2. ESTADO DEL ARTE. ....................................................................................... 8
3. JUSTIFICACIÓN. ........................................................................................... 11
4. OBJETIVOS. .................................................................................................. 12
5. MARCO TEÓRICO. ........................................................................................ 13
5.1 Fractografía. ............................................................................................... 13
5.1.1 Mecanismos de fractura estática. ............................................................... 14
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. ........................................................... 17
7. RESULTADOS. .............................................................................................. 19
7.1 Ensayo de impacto ..................................................................................... 20
7.2 Ensayo de tensión. ..................................................................................... 20
7.3 Ensayo de flexión. ...................................................................................... 21
8. ANALISIS DE RESULTADOS. ....................................................................... 22
9. ANALISIS FRACTOGRAFICO. ...................................................................... 24
9.1 Impacto....................................................................................................... 24
9.2 Tensión....................................................................................................... 25
9.3 Flexión. ....................................................................................................... 27
6 CONCLUSIONES. .......................................................................................... 29
BIBLIOGRAFÍA. .................................................................................................... 30
4
LISTA DE ILUSTRACIONES.
Ilustración 1. Esquema de superficies de fractura. .............................................. 13
Ilustración 2. Esquema de fracturas intergranular y transgranular. ..................... 14
Ilustración 3. Esquema de la fractura por clivaje con sus caracteristicas. ........... 15
Ilustración 4. Esquema del mecanismo de fractura por clivaje ........................... 16
Ilustración 5. Esquema de coalescencia de microhuecos y fractura dúctil. ......... 16
Ilustración 6. Dureza como función de la microestructura en los aceros. ........... 18
Ilustración 7. Microestructura del acero SAE 1045 a 1000X. ¡Error! Marcador no
definido.
Ilustración 8. Microestructura del acero SAE 1045 con temple a 1000X. ........... 19
Ilustración 9. Grafica esfuerzo deformación ensayo de tensión. ......................... 22
Ilustración 10. Grafica esfuerzo deformación ensayo de flexión ......................... 23
Ilustración 11. Micrografía probeta de impacto a 50X. ........................................ 24
Ilustración 12. Micrografía probeta de impacto a 330X. ...................................... 24
Ilustración 13. Micrografía probeta de impacto con temple a 50X. ...................... 25
Ilustración 14. Micrografía probeta de impacto con temple a 1000X ................... 25
Ilustración 15. Micrografía probeta de tensión a 22X. ......................................... 26
Ilustración 16. Micrografía Probeta de tensión a 1000X. ..................................... 26
Ilustración 17. Micrografía probeta de tensión con temple a 23X........................ 27
Ilustración 18. Micrografía probeta de tensión con temple a 500X. ..................... 27
Ilustración 19. Micrografía probeta de flexión con temple a 35X. ........................ 28
Ilustración 20. Micrografía probeta de flexión con temple a 500X. ............... ¡Error!
Marcador no definido.
5
LISTA DE TABLAS.
Tabla I. Composición química acero SAE 1045 ................................................... 17
Tabla II. Temperaturas de austenización ............................................................. 18
Tabla III. Resultados ensayo de impacto. ............................................................. 20
Tabla IV. Resultados Ensayo de tensión. ............................................................. 21
Tabla V. Resultados ensayo de flexión. ............................................................... 21
6
INTRODUCCIÓN.
El análisis fractográfico comprende una de las herramientas más importantes para
el análisis de falla de los materiales, porque permite conocer las morfologías de las
fracturas, para estudiar y determinar las influencias externas e internas que
generan la falla del material.
Entre las influencias que afectan al material se encuentran las cargas (cortantes,
axiales), la corrosión, tratamientos termoquímicos, la inclusión de materiales no
metálicos en los aceros Etc. Estos factores transforman y configuran las
características físicas y propiedades mecánicas del acero.
En ingeniería es muy común utilizar este tipo de técnicas para obtener datos y
propiedades de los materiales en especial de los aceros, y a partir de la zona
fracturada identificar el tipo de factores a los cuales se sometió la pieza o
componente antes que fallara. Por esta razón en esta tesis se realizaron una serie
de pruebas con el fin de identificar y caracterizar la fractura que se presenta en un
acero muy utilizado en aplicaciones de ingeniería como lo es el acero SAE 1045 en
estado de suministro y con tratamiento térmico.
Para esto se realizaron ensayos de tensión flexión e impacto según las normas
ASTM E-23, E-8 y E-290 respectivamente; de probetas tratadas térmicamente
según las recomendaciones de la ASM Metals Handbook “Heat Treating” Como
evaluación del estudio se realizaron ensayos metalográficos según la norma ASTM
E-4 antes y después del tratamiento térmico en el acero y el registro fractográfico
de la falla del material después de realizar el ensayo, mediante microscopia óptica
y microscopia electrónica de barrido.
7
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Los estudios sistemáticos acerca de la fractura de componentes mecánicos en
aplicaciones reales, han avanzado en los últimos tiempos. Estos estudios han
acercado a la ciencia y a la ingeniería para obtener un mejor entendimiento de las
características de los materiales cuando son sometidos a diferentes tipos de cargas
y esfuerzos.
En los elementos que fallan, la fractografía tiene una gran importancia porque es
una herramienta fundamental para el análisis de falla, puesto que permite entender
a nivel macro y microscópico los factores que influyen para que la falla ocurra.
Además de esto, el estudio de la fractura ha permitido evaluar dichos factores;
logrando la mejora de ciertas características en algunos materiales, la invención de
nuevos materiales, ayudando a disminuir las pérdidas económicas, gastos en
materias primas y accidentes por fallas de elementos mecánicos.
Entender y analizar estos factores es fundamental para evitar demoras en la
producción, daños ambientales y deterioro en la imagen de la empresa, que son
algunos de los principales problemas que surgen actualmente.
Teniendo en cuenta todos estos aspectos surge la necesidad de comprender a nivel
de ingeniería y tecnología las bases de la fractografía para desarrollar la capacidad
de aplicar esta valiosa herramienta tecnológica con el fin último de prevenir y
minimizar estos problemas.
8
2. ESTADO DEL ARTE.
La fractografía y mecánica de la fractura han sido estudiadas desde la ingeniería,
más específicamente en la rama del diseño, y los materiales; dicho estudio
conduce a la relación entre procedimientos de análisis de falla con base a la
combinación de propiedades mecánicas de tenacidad a la fractura y resistencia al
flujo plástico, que permiten relacionar la carga y el tipo de falla en el material con la
geometría de las grietas presentes en las superficies de la fractura.
Para entender los estudios acerca de cómo los investigadores han abordado el
tema se ha analizado el artículo de investigación denominado Comparison of
tensile and impact behavior of carbon steel in H2S environments*1. Este
artículo es basado y planteado para el área petrolífera que trabajan con ductos de
H2S a diversas presiones.
En él los autores muestran los resultados de la concentración de hidrogeno, el
comportamiento a tensión e impacto de las muestra y el análisis fractográfico de los
especímenes corroídos de tensión e impacto; en donde interpretan una ruptura
mixta dúctil- frágil, adicionalmente la superficie de la zona de fractura frágil se
incrementa para los especímenes de tensión corroídos y muestra una similitud para
las muestras corroídas de impacto a medida que la presión se incrementa en el
ácido sulfhídrico H2S.
Según las investigaciones planteadas y revisadas por los autores cuando el acero
es sometido a ambientes de H2S, el acero sufre daños asociados por hidrogeno o
pueden sufrir una degradación de las propiedades mecánicas. Según varios
investigadores el efecto del hidrogeno puede causar una significante perdida en la
ductilidad del acero.
Los ensayos realizados y analizados por los autores fueron los de tensión e impacto
de un acero A350LF2 en forma de brida; este material tenía un tratamiento térmico
de normalizado a 1173ºK seguido por un tratamiento térmico de revenido a 913ºK
enfriado en aire por 3 horas. Para ello los autores fabricaron probetas de tensión
rectangular de 56.5mm de longitud y 12.5mm de ancho con un espesor de 8 mm y
las probetas de impacto con una sección transversal de 10X10 mm y 55mm de
longitud y con una profundidad de la ranura de 2 mm con un ángulo de 45º. Las
*1 Yameng Qi, Hongyun Luo, Shuqi Zheng, Changfeng Chen, Zhenguo Lv, Maoxian Xiong. Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum Beijing, Beijing 102249, PR China
9
presiones utilizadas para realizar la corrosión controlada fueron de 0.1, 1 y 1,6 mega
pascales a una temperatura de 25ºC la duración de esta corrosión fue de 96 horas
y la liberación de hidrogeno se mantuvo por 2 días y el contenido de hidrogeno
difusible fue medido de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝑐0 =2.44 × 10−8𝑉
𝑚𝑇
Donde.
𝑐0: Es la concentración de hidrogeno difusible
𝑉(𝑚𝑙): Volumen de hidrogeno difusible
𝑇(𝐾): Temperatura
𝑚(𝑔): Peso del espécimen.
Los resultados obtenidos por los investigadores en los ensayos realizados fue una
pérdida del esfuerzo de tracción y plasticidad en la solución saturada con diferentes
presiones de H2S; en donde el incremento de la amplitud de la perdida relativa del
esfuerzo a la tracción y la plasticidad fue más larga cuando la presión del H2S
incremento de 0.1 a 1 Mega pascales, sin embargo se presentó un aumento
adicional en la presión de 1 a 1.6 Mega pascales para un porcentaje de pérdida de
2.8% y 0.4 % respectivamente.
En el ensayo de impacto sujeto al ambiente corrosivo se mostró una reducción
abrupta en la energía absorbida comparando con los especímenes sin corrosión.
Esta diferencia notable se observa cuando la presión de H2S incrementa de 0.1 a
1.6 Mega pascales.
En el análisis fractográfico para las muestras de impacto, la probeta sin corrosión
se observó una gran deformación plástica, en donde también encontraron algunas
pequeñas zonas con superficie de fractura frágil. Sin embargo para la probeta
expuesta al ambiente corrosivo se presentó una fractura mixta (Dúctil-Frágil) con
poca deformación plástica. En las micrografías de las zonas dúctiles se observó la
presencia de dimples y en la zona frágil la presencia de planos de clivaje; en donde
la zona de fractura frágil se genera a partir de la solución saturada a diferentes
presiones.
Para los especímenes de tensión la formación de una estricción o cuello fue
evidenciada en la probeta sin corrosión, que presento una zona fibrosa 100% dúctil;
caso contrario con la probeta corroída en donde la zona de fractura frágil incremento
de acuerdo a la presión del H2S. En la fractura dúctil se evidenciaron dimples y en
la fractura frágil de las zonas de la probeta con corrosión se presentaron planos de
10
cuasi-clivaje en donde se asocia que el área de la zona de fractura frágil con la
concentración del hidrogeno.
Para complementar esta información se decidió entender el análisis que en el
artículo de investigación denominado Fracture mechanics evaluation of a 0.5Mo
carbon steel subjected to high temperature hydrogen attack*2. El estudio de
esta investigación se centra en tubos de aceros al carbono con 0.5% de molibdeno,
asociado con el ataque de hidrogeno a alta temperatura, las condiciones de este
análisis incluye análisis de colapso plástico, análisis estático del promedio de la
tenacidad de la fractura, macro y microdureza, S.E.M, fractografía y ensayos de
tensión.
Lo señalado por los autores de este artículo es que el hidrogeno a alta temperatura
reacciona con el acero produce metano lo cual genera una descarburación del
acero, desarrollando fisuras y ampollas en el material lo cual significa una
degradación y posible falla.
El material utilizado fue acero al carbono con 0.5% y para los ensayos se utilizaron
tubos de 0.25 pulgadas de espesor con un diámetro externo de 1 pulgada. Estas
muestras fueron tomadas de un intercambiador de las cuales se seleccionaron 3
zonas críticas.
Zona 1. Es un área dentro de la hoja del tubo asociado a la laminación y HTHA*3
Zona 2. Es un área fuera del tubo
Zona 3. Es un área específica seleccionada para representar el más cercano
posible material adyacente con evidente HTHA esta zona se encuentra entre la
zona 1 y 2 y se asocia a la laminación.
Estas secciones de material fueron maquinadas y falladas por medio del ensayo de
tensión y por medio del ensayo CTOD*4. Los resultados de la fractografía muestran
múltiples grietas que son formadas por el ciclo de fatiga, también se presentan la
expansión de dichas grietas a partir de la muesca del material, además de eso se
observa un área de fractura frágil.
La microcoalescencia de vacíos es reconocida por los investigadores como una
fractura dúctil y los planos de clivaje son observados en la fractura frágil
*2 M.A. Wahab , B.M. Saba , A. Raman
Department of Mechanical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA
*3 High temperture Hydrogen attack. *4 Crack tip opening displacement.
11
3. JUSTIFICACIÓN.
La fractografía es una herramienta fundamental para determinar visualmente los
aspectos de la fractura en la superficie de los elementos; este fenómeno ha recibido
gran atención porque ninguna empresa o lugar esta excepto de sufrir la falla de un
elemento mecánico que puede pertenecer a una maquina o mecanismo en donde
este elemento tenga la función de transmitir potencia, carga o presión.
Dichas fallas pueden significar demoras o atrasos en la producción de cualquier
empresa o un accidente en donde se involucren las condiciones de salud de
cualquier persona.
Las fallas generadas pueden causar muchas pérdidas, sin embargo aunque los
factores de diseño e ingeniería aplican factores de seguridad, se suele suponer la
ausencia de defectos que pueden generar fallas.
Es por esto que se hace necesario adelantar estudios en el área de la fractografía
con el objetivo de forjar las bases, el conocimiento y la metodología a partir de los
factores que generan dichas fallas como lo son los esfuerzos, la corrosión,
tratamientos termoquímicos, la inclusión de materiales no metálicos etc. Y que sean
aplicables tanto para el diseño de elementos como para la evaluación de nuevos
materiales para desarrollar componentes mecánicos, estructuras, mecanismos,
elementos de máquinas más resistentes y tolerantes a los defectos
Aunque la fractografía no forma parte como tal del contenido básico u obligatorio
en la carrera de ingeniería, actualmente se adelantan estudios en todo el mundo
para comprender mejor el fenómeno de la fractura y desarrollar mejores métodos
de medición y análisis de grietas debido a que es extensamente empleada en las
industrias aeronáutica, aeroespacial, nuclear, diseño automotriz, diseño y
mantenimiento de plantas de generación de potencia, química y petrolera.
12
4. OBJETIVOS.
4.1 Objetivo general.
Realizar un análisis fractográfico de probetas sometidas a cargas de TENSIÓN,
FLEXIÓN e IMPACTO, en un acero SAE 1045 en estado de suministro y tratado
térmicamente.
4.2 Objetivos específicos.
Caracterizar el cambio de las propiedades mecánicas del acero SAE 1045
realizando ensayos de tensión, flexión e impacto a probetas modificadas
térmicamente.
Demostrar visual y micro estructuralmente la influencia del tratamiento térmico
de temple en la zona, modos y tipos de fractura de los especímenes elaborados.
Relacionar las propiedades mecánicas evaluadas con la morfología y la
microestructura de los especímenes evaluados.
13
5. MARCO TEÓRICO.
5.1 Fractografía.
La fractura como tal se define como la separación o fragmentación de un sólido
bajo la acción de una carga externa, a través de un proceso de creación de nuevas
superficies; las superficies de fractura. Usualmente, para fracturar un material se
requiere incrementar la carga progresivamente hasta que un proceso de nucleación
y propagación de grietas ocurra. En la ilustración 1 se observa el resultado de la
aplicación de una carga, hasta el punto de ruptura del material en donde se generan
las superficies de fractura características a algún material. [1].
Ilustración 1. Esquema de superficies de fractura. [1].
Dependiendo de las condiciones de carga, geometría del cuerpo y de las
propiedades mecánicas del material, para fracturar un componente estructural,
puede ser necesario sostener e incluso incrementar la carga después que la
iniciación de grietas ha tenido lugar; mientras que en otros casos bastará con
alcanzar el punto de iniciación de grieta que después se propagará
espontáneamente [1].
Desde el punto de vista del comportamiento de los materiales, se reconocen dos
tipos de fractura dependiendo de la cantidad de deformación plástica previa, las
cuales son:
Fractura frágil: Es la que ocurre cuando la deformación de la mayor parte del
cuerpo es elástica de manera que después de la fractura, los fragmentos de la pieza
pueden volver a juntarse sin que haya cambios significativos en la geometría.
Fractura dúctil: Es la fractura que ocurre después de una apreciable deformación
plástica del cuerpo, entendiendo que los esfuerzos en una región relativamente
grande de la pieza rebasaron el esfuerzo de cedencia o límite elástico.
14
La clasificación de las fracturas en frágiles y dúctiles es estrictamente ingenieril ya
que de hecho, en algunas fracturas de aspecto frágil, puede existir una intensa
deformación plástica, solo que esta se localiza en una región pequeña alrededor de
la grieta y el resto del material permanece sin deformación plástica. [2].
Otra clasificación importante que se debe tener en cuenta al momento de definir
una fractura es según el tipo de trayectoria que sigue la grieta, como se observa en
la ilustración 2 ya que puede ser intergranular, es decir la grieta se propaga
siguiendo los límites de grano o transgranular cuando la grieta avanza a través de
los granos, que a su vez se divide en cristalina y no cristalina.
Ilustración 2. Esquema de fracturas intergranular (A) y transgranular (B). [2].
A B
Cuando la fractura ocurre bajo una sola aplicación de carga y en un tiempo muy
corto, se le llama fractura estática o por sobrecarga. Los tipos de fractura estática
son dúctil y frágil mencionados anteriormente. Cuando la fractura resulta de la
aplicación de cargas repetitivas o fluctuantes, o bien transcurre en un periodo de
tiempo largo se le llama fractura dinámica aunque no será tenida en cuenta para
el presente trabajo.
5.1.1 Mecanismos de fractura estática.
El mecanismo presente en la fractura frágil se denomina clivaje, que es la
separación directa de planos cristalinos por ruptura de enlaces. Al plano de fractura
se la llama plano de clivaje. Se debe entender que el clivaje es causado
principalmente por esfuerzos de tensión.
Algunas estructuras como la FCC (centrado cubico en la cara), no presentan clivaje,
salvo en algunos casos especiales; por ejemplo, a muy bajas temperaturas y altas
15
velocidades de deformación, donde se produce clivaje cuando la grieta atraviesa
una frontera de grano.
La separación directa de planos produce facetas lisas, brillantes y orientadas en
diferentes ángulos, lo que hace que la apariencia de la fractura a nivel macroscópico
sea granulosa, brillante y produzca destellos al ser girada respecto a una fuente de
luz. [2].
En la ilustración 3 se señalan las características de una fractura por clivaje, en
donde se observa, las huellas y los planos de clivaje, la dirección de la fractura,
los límites de granos y subgranos y la inclinación de fractura.
Ilustración 3. Esquema de la fractura por clivaje con sus caracteristicas. [1].
A nivel microscópico, el paso de la grieta a través de los granos y la presencia de
defectos, como dislocaciones, maclas, precipitados, etc., producen una topografía
fina de la faceta de los cuales la más notable es la marca de río. El origen de las
marcas de río (ilustración 4). Se debe a la interconexión de planos de clivaje de
diferente orientación donde, al avanzar la grieta, el plano de clivaje tiene que rotar
para mantener la continuidad de la propagación; como tal rotación no puede
hacerse abruptamente, se realiza en pequeños incrementos o “por escalones”. Los
bordes de esos escalones forman el patrón de río, y se llama así porque las líneas
semejan un río al cual se le agregan sus tributarios, para continuar como uno solo,
corriente abajo; es decir, las ramificaciones de las marcas de río se unen en la
dirección de propagación de la grieta, disminuyendo en densidad a medida que el
frente de la grieta se aleja del plano de rotación.
16
Ilustración 4. Esquema del mecanismo de fractura por clivaje donde se evidencian las marcas de río. [1].
Las principales causas de la formación de un patrón de río son rotaciones del plano
de fractura debido a:
Múltiples sitios microscópicos de inicio de grieta.
Cruce de un grano a otro
La fractura dúctil ocurre por la nucleación, crecimiento y coalescencia de
microhuecos (dimples) (Ilustración 5) que se forman en partículas de segundas
fases e inclusiones, localizadas en zonas de estados de esfuerzos triaxiales.
En tensión uniaxial, la fractura dúctil inicia cuando se forma el cuello, donde la
curvatura induce la triaxilidad y el esfuerzo triaxial provoca la descohesión o fractura
de las partículas, formándose una pequeña cavidad que crece por el deslizamiento
de la región que la rodea, hasta que se interconecta con otros huecos y forma una
cavidad interna. La reducción de área transversal generada por la cavidad interna
concentra esfuerzos hasta que el material remanente sufre un desgarramiento por
esfuerzos de corte y ocurre la separación final. [2].
Ilustración 5. Esquema de coalescencia de microhuecos y fractura dúctil. [2]
17
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
Para llevar a cabo el desarrollo del presente trabajo se realizaron las siguientes
pruebas y ensayos con sus respectivas descripciones.
Se adquirió el acero SAE 1045 en la Compañía General de Aceros de manera
certificada y respaldado por la respectiva ficha técnica, el cual es un acero de medio
contenido de carbono que presenta la siguiente composición química. [3].
Tabla I. Composición química acero 1045. [3].
Composición
química C Mn P máx S máx Si máx
Análisis típico % 0.43
0.50
0.6
0.9 0.04 0.05
0.2
0.4
La dureza de suministro del material es de 160-200 Brinell [3] que corresponde a
un dureza de 200 HV *5 y 91.5 HRB *6 [4] de donde se puede determinar por medio
de la dureza y su contenido de carbono que el tipo de microestructura de este acero
SAE 1045 es de ferrita + perlita [5].
Posterior a ello se fabricaron las probetas de tensión, flexión e impacto según las
normas ASTM-E8, ASTM-290 y ASTM-E23 respectivamente mecanizadas en el
taller de máquinas-herramientas de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas, Facultad de Tecnología; de cada tipo de probetas se fabricaron cuatro
unidades de las cuales dos se modificaron a través de tratamiento térmico de
temple en agua realizado en el laboratorio de tratamientos térmicos de la Facultad
Tecnológica y las dos restantes estarían en estado de suministro (recocido).
*5 Dureza Vickers (HV) *6 Dureza Rockwell (HRB)
18
Ilustración 6. Dureza como función del contenido de carbono para varias microestructuras en los aceros al carbono.
Hardness as a function of carbon content for various microstructures in steels [5].
Tabla II. Temperaturas de austenización [6].
Acero Temperatura
ºC ºF
SAE 1045 800-845 1475-1550
Para el tratamiento térmico de temple se llevaron las probetas a la temperatura de
austenización hasta los 830 ºC dentro del horno y sosteniendo esta temperatura
por 25 minutos, luego se enfriaron rápidamente en agua.
El objetivo de alcanzar esta temperatura es porque la fase austenítica es la base
de los tratamientos térmicos de los aceros al carbono, porque en gran medida las
secciones del acero pueden ser reducidas en secciones y formas estructurales más
pequeñas. Si la austenita es enfriada rápidamente esta cambiara a martensita. [5].
En la siguiente actividad se efectuaron los respectivos ensayos destructivos para
cada tipo de espécimen llevados a cabo en el laboratorio de resistencia de
materiales en la Facultad Tecnológica, a través de la máquina universal de ensayos
UH 50-A Shimatzu y el péndulo de impacto 5A-10700 Satec.
19
7. RESULTADOS.
7.1 Metalografía
En las siguientes ilustraciones se aprecian los cambios microestructurales que
sufre el material debido al tratamiento térmico realizado.
Ilustración 7. Microestructura en un plano longitudinal del acero AISI/SAE 1045 a 1000X.
En la ilustración 7 la ferrita aparece en las zonas claras y los límites de grano entre
la fase ferrítica y la perlítica se observan como líneas bien definidas; la perlita en
contraste aparece uniformemente oscura. [5].
Ilustración 8. Microestructura en un plano longitudinal del acero AISI/SAE 1045 con tratamiento térmico de temple enfriado en agua a 1000X.
20
En la ilustración 8 se observa la presencia de las 2 fases descritas en la figura 2 la
ferrita como una zona clara y la perlita como una zona negra pero se observan en
menor medida; la principal diferencia radica en que en la fase ferrítica se presentan
la presencia de pequeñas laminas o agujas que pertenecen a la martensita,
resultante en el temple.
Esta se define como una estructura de martensita revenida compuesta por una
dispersión de cementita en una matriz ferrítica [7].
Las siguientes tablas de resultados se obtienen del registro de los datos
determinados por las diferentes máquinas de ensayos destructivos.
7.2 Ensayo de impacto.
En el caso del ensayo de impacto los datos obtenidos son la perdida de energía
que se registra cuando se acciona el péndulo en el aire; es decir sin una probeta
que deba ser fallada, mientras que la energía absorbida es la energía que se
requiere para fallar por completo el material y la tenacidad del material se obtiene
a partir de la diferencia entre la energía absorbida y la perdida de energía inicial.
Esta energía esta medida en Joules (J).
Tabla III. Resultados ensayo de impacto.
Probeta Perdida de
energía (J)
Energía
absorbida (J) Tenacidad (J)
1 0,411 15,3 14,889
2 0,437 17,24 16,803
3 (T) 0,411 8,913 8,502
4 (T) 0,411 12,41 11,999 *(T) Hace referencia a las probetas con tratamiento térmico.
7.3 Ensayo de tensión.
En este ensayo se registran tres esfuerzos importantes. El esfuerzo de fluencia que
es el esfuerzo necesario para cambiar de la zona plástica a la zona elástica del
material, el esfuerzo máximo es el punto más alto de esfuerzo que soporta el
material y el esfuerzo último de tensión es el necesario para fallar por completo el
material [8]. Estos esfuerzos fueron medidos en mega pascales (MPa).
21
Tabla IV. Resultados Ensayo de tensión.
Probeta Esfuerzo de
fluencia (Mpa)
Esfuerzo
máximo (Mpa)
Esfuerzo ultimo
de tensión
(Mpa)
1 650 796 645
2 675 767 627
3 (T) ---- 618 618
4 (T) ---- 700 700 *(T) Hace referencia a las probetas con tratamiento térmico.
7.4 Ensayo de flexión.
Para este ensayo los datos registrados son los mismos que en el ensayo de tensión
en dónde .El esfuerzo de fluencia que es el esfuerzo necesario para cambiar de la
zona plástica a la zona elástica del material, el esfuerzo máximo es el punto más
alto de esfuerzo que soporta el material y el esfuerzo último de tensión es el
necesario para fallar por completo el material [8]. Estos esfuerzos fueron medidos
en mega pascales (MPa).
Tabla V. Resultados ensayo de flexión.
Probeta Esfuerzo de
fluencia (Mpa)
Esfuerzo
máximo (Mpa)
Esfuerzo ultimo
(Mpa)
1 1,13 1,88 ----
2 1,27 2,07 ----
3 (T) ---- 2,24 2,24
4 (T) ---- 1,63 1,63 *(T) Hace referencia a las probetas con tratamiento térmico.
22
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
Los resultados obtenidos por cada una de las pruebas muestran ciertas diferencias
entre las probetas con tratamiento térmico y sin tratamiento. Para el ensayo de
impacto las muestras 1 y 2 presentan una tenacidad mayor que las muestras 3 y 4
con tratamiento térmico; esto se debe al cambio de la estructura metalográfica
debido al tratamiento térmico, en donde el material aumenta su dureza pero se
vuelve más frágil, es decir la ductilidad del material cambia. Por esta razón la
tenacidad que es la energía total que absorbe el material antes de alcanzar la rotura
en este ensayo cambia considerablemente.
Las siguientes graficas pertenecen al esfuerzo y la deformación que presentaron
las probetas de tensión.
Allí se muestran las diferencias entre el comportamiento elástico y plástico del
material.
Ilustración 9. Gráfica esfuerzo deformación ensayo de tensión.
Las gráficas de la probeta 1 y 2 del ensayo de tensión presentan un comportamiento
dúctil esto se deduce porque su comportamiento plástico es mayor que en las
probetas 3 y 4 que tienen tratamiento térmico; en ellas el esfuerzo a la fluencia es
el mismo esfuerzo máximo porque no presentan una zona plástica, es decir las
probetas con comportamiento dúctil requieren un mayor esfuerzo para cambiar de
la zona plástica a la elástica y requieren mucho menos esfuerzo para generar la
falla final del material a diferencia de las probetas 3 y 4; por estas razones las
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probetas con tratamiento térmico presentan una gráfica tipo frágil a pesar de ser el
mismo material.
Ilustración 10. Gráfica esfuerzo deformación ensayo de flexión
La grafica de flexión como se mencionó anteriormente presenta características
similares al ensayo de tensión; en donde se presentan dos probetas con
comportamiento dúctil y dos con comportamiento frágil esto se deduce por las
áreas bajo la curva de la gráfica de cada probeta, que se debe por la influencia del
tratamiento térmico.
Las probetas 1 y 2 no presentan esfuerzo último debido a que nunca fallaron
durante el ensayo y esto se debe a su condición de ductilidad.
Sin embargo en las probetas 3 y 4 de flexión se evidencia que el esfuerzo último es
igual al esfuerzo máximo por no presentar una zona plástica y por estos motivos
tampoco presenta esfuerzo a la fluencia. Cabe aclarar que estas dos probetas si
fallaron completamente al final del ensayo. Por lo cual se caracteriza como un
material frágil.
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9. ANÁLISIS FRACTOGRÁFICO.
Las superficies de la fractura se han obtenido a partir de microscopia electrónica
de barrido.
9.1 Impacto.
Las ilustraciones (11) y (12) que pertenecen a la probeta de impacto en estado de
suministro, estas dos micrografías fueron tomadas en el origen de la falla; en ellas
se observan planos y regiones definidas en diferentes direcciones lo cual es un
indicio de una fractura frágil, transgranular por clivaje [9], la zona de vacío por
desprendimiento indicada con flechas de color amarillo, nos muestra a mayores
aumentos el cambio significativo de forma, porque se presentan cavidades y
mesetas, que requieren mayor energía para formarse durante la falla; las marcas
de rio en la ilustración (12) muestran el sentido de la propagación de energía, sin
embargo estas marcas no están definidas para toda las regiones porque como se
mencionó anteriormente el cambio de relieve de la superficie denota una
propagación alterna a diferentes direcciones, es decir no está definida por esta
razón se forman los planos de clivaje. La cabeza de flecha roja indica la zona de
aumento en la imagen contigua.
Ilustración 11. Micrografía SAE 1045 probeta de
impacto a 50X.
Ilustración 12. Micrografía SAE 1045 probeta de impacto a 330X.
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La ilustración (13) pertenece a la superficie de la probeta de impacto con
tratamiento térmico, esta fractura es de tipo frágil e intergranular porque no presenta
deformación plástica a gran escala, esto se evidencia por no presentar
irregularidades o cambios de longitud en su superficie de fractura.
En la ilustración (14) se evidencia la formación de algunos microvacíos con una
característica muy similares; además se observan marcas de río indicadas con
flechas amarillas que siguen la orientación de propagación de la energía hasta el
punto final donde el material fallo. La cabeza de flecha roja indica la zona de
aumento en la imagen contigua.
Ilustración 13. Micrografía SAE 1045 probeta de impacto con temple a 50X.
Ilustración 14. Micrografía SAE 1045 probeta de impacto con temple a 1000X
9.2 Tensión.
Las ilustraciones (15) y (16) pertenecen a la superficie de fractura de la probeta de
tensión en estado de suministro; en ella se observan tres zonas. Una corona o anillo
exterior indicado por la curva amarilla, formado por la coalescencia de microhuecos
(CMH), una zona central de aspecto fibroso [10] y el origen o nucleación de la
grieta. El origen de la grieta sucede por la nucleación de microvacíos esto se debe
a la inclusión de materiales en la matriz del acero, y por la microestructura que
presenta el acero; esta zona se diferencia de las demás porque se presenta como
una zona un poco más oscura; la zona fibrosa presenta marcas radiales que se
dirigen hacia la corona o labio de corte e indican la dirección de propagación y la
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corona es la fase final de la falla del material esta se genera porque presenta la
mayor cantidad de CMH*7.
En la micrografía se observa la presencia de una zona plástica por el cambio de
longitud, el resultado de esta forma se debe a que la fractura es de tipo dúctil y
transgranular; este tipo de deformación plástica generalmente se conoce como
copa-cono por la forma que adquiere.
La ilustración (16) muestra la presencia de microvacíos indicados con color amarillo
por toda la superficie de la fractura, estas cavidades se generan de las inclusiones
o grandes precipitaciones de sulfuros y óxidos [9]. La cabeza de flecha roja indica
la zona de aumento en la imagen contigua.
Ilustración 15. Micrografía SAE 1045 probeta de
tensión a 22X.
Ilustración 16. Micrografía SAE 1045 Probeta de tensión a 1000X.
La ilustración (17) corresponde a la superficie de fractura de una probeta de tensión
con tratamiento térmico; esta fractura es de tipo frágil e intergranular porque no
presenta zonas plásticas definidas ni formas de copa-cono como la anteriormente
analizada; en ella se observan marcas de ríos muy bien definidas que yacen en el
origen de la grieta y se propagan atreves de toda el área de fractura hasta los
bordes; algo que se nota es que la grieta no se encuentra en el centro de la
superficie, esta se localiza en un extremo a diferencia de la probeta sin tratamiento
térmico y esto se debe a la organización estructural que toma el material. La
formación de microvacíos es menor como se observa en la ilustración (18) en
comparación a la anterior probeta por tratarse de una fractura súbita. En las
*7 Coalescencia de microhuecos.
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siguientes imágenes la cabeza de flecha roja indica la dirección de la propagación
de grieta y la energía.
Ilustración 17. Micrografía SAE 1045 probeta de
tensión con temple a 23X
Ilustración 18. Micrografía SAE 1045 probeta de tensión con temple a 500X.
9.3 Flexión.
Las ilustraciones (19) y (20) corresponden a la superficie de fractura de la probeta
de flexión con tratamiento térmico porque fue la que presento ruptura por su
tratamiento térmico como se explicó anteriormente.
En esta micrografía se observa marcas de playa bien definidas indicadas con
flechas de color amarillo que muestran claramente cómo se propagó la energía
hasta que el material fallo, también se observa la formación de un labio de corte
generado en la falla súbita final, de lo cual se establece que la falla es frágil e
intergranular. Se observa que el origen de la grieta está a un extremo contrario al
labio generado al final de la falla lo que nos permite deducir el recorrido de la
energía por la sección transversal.
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Ilustración 19. Micrografía probeta de flexión con temple a 35X.
Ilustración 20. Micrografía probeta de flexión con temple a 500X.
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6 CONCLUSIONES.
a) La influencia del tratamiento térmico de temple enfriado en agua en el acero
1045 cambia su estructura de ferrita+ perlita inicial ,porque se debe llevar al
acero a una temperatura de austenización y al ser enfriado rápidamente se
convierte en una fase martensítica que mejora propiedades en el acero como
su dureza pero reduce su ductilidad y también su tenacidad.
b) Todas las fracturas frágiles se presentaron en las muestras que fueron tratadas
térmicamente; caso contrario a las muestras en estado de suministro porque
presentaron una fractura dúctil ( o no la presentaron para el caso de la muestra
de flexión), esto significa que los materiales dúctiles requieren mayores
esfuerzos como en el caso de la prueba de tensión y flexión (esfuerzo ultimo)
para generar la falla del material o en el ensayo de impacto requiere mayor
energía para vencer la tenacidad del material y los materiales frágiles requieren
menores esfuerzos para fallar.
c) El modo de fractura intergranular se asocia la mayoría de veces con fallas
frágiles porque requieren menores esfuerzos y en su fractografía se observa la
presencia de marcas de rio, el origen de la grieta y se presentan deformaciones
plásticas muy pequeñas o nulas. Por otra parte la fractura transgranular
requiere mayores esfuerzos y está asociada a fracturas de tipo dúctil en la
mayoría de micrografías fractográficas se observa la formación y coalescencia
de microhuecos o de planos de clivaje definidos y es evidente la deformación
plástica en la zona de fractura.
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BIBLIOGRAFÍA.
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