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Tenacidad a la fractura Grietas en esquina 2013

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5. ÁNALISIS EXPERIMENTAL.

En este capítulo se van a describir las características principales de cada una de las etapas en las que se puede dividir el ensayo de fractura que son el alineamiento inicial, el precracking (pregrieta) y el ensayo hasta la rotura. Estas tres etapas están claramente diferenciadas en cuanto a cargas aplicadas, tanto en forma como en el valor de éstas, por lo que las variables de ensayo que se introducirán en la máquina diferirán de una etapa a otra. Más adelante se describirán en detalle cada una de estas etapas particularizándolas para el estudio concreto de nuestro trabajo. Una información más completa se puede encontrar en la Ref. [17]

Antes de entrar analizar las etapas de manera independiente se incluirá un breve resumen sobre el montaje de la probeta en el equipo de ensayo y sobre el utillaje auxiliar empleado que facilitará las mediciones realizadas durante y tras la finalización del ensayo.

Las restricciones en cuanto a la colocación de la probeta fueron impuestas por el cliente en la documentación de partida (Ref. [7]). Uno de los requerimientos más importantes, y quizá el más restrictivo, era que la longitud libre de ensayo debía ser de al menos 3 veces el ancho de la probeta. Esto condicionó en gran medida el resto de las longitudes de la probeta que se encontraban sin definir.

La longitud de agarre, o zona empotrada, también quedó fijada una vez definido el método de agarre. Ésta debía ser siempre la máxima posible en función de la distancia entre las galgas y el agarre y nunca menor de 30mm. Por otro lado, la distancia entre las galgas y la línea de agarre debía ser al menos de 30mm, siempre que esto no implicara una longitud de agarre menor de 30mm. En dicho caso la longitud que se veía reducida era la existente entre las galgas y la línea de agarre ya mencionada. La longitud entre las galgas y el plano de la grieta era fija e igual al ancho de la probeta.

En el caso que nos ocupa, debido a que las 10 probetas estudiadas presentan cada una un espesor y una longitud distintos, las longitudes libres y de agarre de las probetas variarán según estemos trabajando con una u otra probeta. Para evitar confusiones a la hora de la realización del ensayo, en la probeta queda marcada la línea de posición de agarre, lo que nos permitirá posicionar correctamente la probeta en las mordazas en pasos posteriores. Los valores de las longitudes para cada probeta aparecerán especificados cuando se entren a analizar los resultados obtenidos para cada tipo de probeta, en el punto 6 de este documento, cumpliendo cada una de ellas con los requerimientos aquí mencionados.

En la siguiente figura puede verse el montaje completo de la probeta en la máquina, donde se incluye todo el utillaje y la instrumentacion necesarios para su instalación según se ha descrito previamente.


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Figura 37: Probeta en máquina

En cuanto a los dispositivos externos de los que también se han hecho uso caben destacar:

- Cámara con rejilla calibrada (se observa en la imagen). Se ha utilizado una cámara digital modelo ALLIED con una luz auxiliar tipo LED (rojo) para mejorar la calidad de las imágenes. Con esta cámara se tenía controlado el crecimiento de la grieta en el ordenador en todo momento gracias a la calibración de la lente, además se tomaban fotografías cuando la grieta llegaba a las longitudes indicadas por el cliente, marcadas en las probetas casi siempre a un 1mm de distancia como se verá más adelante.

- Una vez las probetas rompían tras la finalización del ensayo y se desmontaban de la máquina de ensayos, se debían medir las superficies de rotura de las dos partes en las que quedaba dividida la pieza. La herramienta utilizada para este fin es un software, PERFECT IMAGE V7.5, que proporciona estas medidas de forma precisa.

Los diferentes estados de carga a los que se sometió a las probetas para cada una de las etapas de ensayo se describen a continuación. Las cargas a aplicar estaban impuestas en función de los resultados a obtener en cada etapa.


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Durante el proceso de alineamiento inicial, que como ya se ha comentado se realiza para garantizar el correcto alineamiento de la probeta tras el montaje de ésta al útil de ensayo, la carga es introducida a la probeta entallada controlando el desplazamiento hasta alcanzar una fuerza máxima (Pmax) proporcionada por el cliente. Esta Pmax será la indicada como la inicial en la fase de precracking y variará según la probeta de estudio como se verá más adelante.

Después de este alineamiento, y con el objetivo de generar una grieta aguda a partir de la entalla, se somete a la probeta a solicitaciones cíclicas, generando así el “precracking”. En esta etapa, el ensayo se llevará a cabo mediante el control de la carga, con escalones de carga decrecientes (variable según la probeta por requerimiento del cliente), siendo estas cargas introducidas de tipo sinusoidal con amplitud constante. Se deben anotar las longitudes de grieta reales a las que se producen los cambios de carga para su posterior estudio que serán medidas con la rejilla calibrada de la cámara auxiliar. Además, se deben tomar fotografías cuando la grieta llegue a dichas longitudes, marcadas en las probetas como se observa en la figura 36. Estas marcas aparecerán en las dos caras en la que esté presente la grieta, tanto en la dirección del ancho y como en la del espesor, y nos servirán como guía a la hora de medir la propagación de la grieta. Irán marcadas cada 1 mm desde el extremo de la entalla.

Las marcas no sólo servirán para facilitar la correcta medición de la grieta sino que también indicarán las zonas de variación de carga como se explicará más adelante.

Figura 38: Estado inicial de probeta ECCS con marcas de desplazamiento

Una vez alcanzada la longitud de grieta especificada, el especimen se carga hasta la rotura del mismo. Esta fase se lleva a cabo mediante el control del desplazamiento. Las superficies de rotura de las dos partes en las que queda dividida la pieza también serán medidas con la herramienta adecuada.


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5.1. Alineamiento inicial.

Antes de comenzar el ensayo se debe comprobar mediante las expresiones mostradas en puntos anteriores que el alineamiento de la probeta es el correcto.

Para ello, se cargará la probeta hasta una fuerza máxima, que se corresponderá con la carga inicial (máxima) marcada en la fase del precracking proporcionada por el cliente. Esta carga es lo suficientemente pequeña para no ocasionar daño alguno a la probeta y suficientemente grande para proporcionar el valor de flexión de las probetas al aplicarles carga.

Durante esta primera carga, el parámetro de flexión no debe exceder el 5%. En el caso de que esto ocurra la probeta debe ser descargada y reposicionada tal como se indica en la Ref. [16]. Este procedimiento debe repetirse hasta que la carga máxima de flexión sea inferior a este requerimiento, ya que con una flexión superior se pueden cargar más unas zonas que otras y perderse la simetría del ensayo, introduciendo tensiones diferentes a las que se buscan. Debido a esta flexión también pueden aparecer otros posibles efectos sobre alguna otra propiedad del material.

Una vez alineada, la probeta no debe ser movida de las mordazas hasta que el ensayo haya terminado aunque esto implique que en la fase de rotura dicho parámetro exceda el 5%.

La causa principal de la desviación en el parámetro de flexión está marcada por el desalineamiento de las mordazas, debido a las pequeñas desviaciones que se producen de una mordaza respecto de la otra, que hacen que éstas no sean capaces de mantener a la probeta en una correcta posición.

Las desviaciones en las mordazas se pueden atribuir a una de estas tres causas de desalineamiento: por concentricidad, por angularidad o por una combinación de ambos. Se recogen de forma esquemática en la siguiente figura los diferentes tipos de desalineamiento mencionados.

Figura 39. Tipos de desalineamiento


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Además, la simple aplicación de la carga sobre la probeta durante todo el ensayo podría causar el desalineamiento aunque en este estudio no se tendrá en cuenta. El no considerar esta causa de desalineamiento es debido, como ya se ha indicado, a que una vez la probeta haya sido montada correctamente (sin que aparezca flexión considerable) no es aconsejable moverla. Las probetas en las que se produzca una flexión superior a la permitida posterior a la carga inicial las estudiaremos de manera independiente para analizar la influencia sobre los valores obtenidos de ensayo.

Según se ha introducido, el desalineamiento entre los ejes de carga, y por tanto el desalineamiento de la probeta de ensayo que es el que nos preocupa, puede tener efectos sobre las magnitudes de las propiedades del material que se obtienen de los ensayos mecánicos. Concretamente las propiedades que más sufren estos efectos son las de tensión, crep y fatiga.

El desalineamiento es una de las causas principales de la dispersión de los valores de tensión en niveles de deformación menores del 0.2% y puede reducir significativamente la rotura dúctil y la vida de piezas con grietas. Alcanzar una flexión del 50% reduce la vida del material con un factor de 2. Las propiedades cíclicas también son particularmente sensibles al desalineamiento ya que la localización de máxima flexión coincide con la localización más probable de propagación de grieta. Más posibles efectos quedan recogidos en la Ref. [16].

Con todos estos conocimientos sobre las causas y los efectos de un incorrecto alineamiento, se estableció como paso inicial al ensayo, el realizar el ajuste de las mordazas del equipo en los caso en los que apareciera flexión durante esta fase del ensayo, para cualquiera de las probetas y cada vez que se empezara un nuevo ensayo. Antes de esto se debía comprobar que con la reposición de la probeta no se conseguía disminuir este efecto ni que la introducción de la carga era la responsable de tal efecto.

En este trabajo, antes de empezar con la campaña de ensayos y comprobar si la flexión estaba presente o no, se realizó el ajuste previo de las mordazas mediante el uso del Software AlingPRO con el que cuenta la máquina de ensayos Instron para tener el equipo a punto al inicio del ensayo. Esta prueba se realizó siguiendo las indicaciones descritas en la Ref. [15].

El programa AlingPRO se utiliza para medir el alineamiento de la máquina en términos de porcentaje, teniendo en cuenta las lecturas de todas las bandas instaladas en la probeta de alineamiento. La función fundamental del programa es que puede ser utilizado para corregir las causas del posible desalineamiento arriba mencionado, ya que proporciona una imagen visual de las diferentes contribuciones al desalineamiento y un método sencillo para poder disminuir estos errores. La imagen se va modificando automáticamente en función de los ajustes que se realicen en la máquina de ensayos.

La probeta de alineamiento (comercial adquirida a Instron) predefinida por el software era una probeta cilíndrica con la instrumentalización que se observa en la siguiente figura. Esto ocasionaba mínimos desajustes que daban la cara a la hora de ensayar nuestras probetas pero con pequeños movimientos en las mordazas se conseguían eliminar.


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Figura 40. Probeta cilíndrica AlingPRO instrumentalizada

En esta última figura se observa el gráfico de errores proporcionado por el programa. Cada tipo de error aparece representado por una línea de diferente color. Lo que se busca, lo que representará un perfecto alineamiento, es que los extremos de ambas líneas queden lo más cercanas posible al centro del gráfico.

Figura 41. Ajustes en mordaza y gráfico de errores en alineamiento


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El procedimiento de ajuste queda perfectamente definido en el manual de Instron (Ref. [21]).

Aquí se darán las ideas básicas para entender mejor el funcionamiento y el comportamiento de la máquina de ensayos. Lo más importante a la hora de comenzar a corregir los errores es que siempre se debe empezar a disminuir el desalineamiento de tipo angular según queda descrito en el mismo manual. El gráfico queda divido en 4 zonas perfectamente identificables con las referencias marcadas en las mordazas, que indican la dirección en la cual tiene lugar el error. Esto también puede observarse en el dibujo anterior.

En cuanto a la corrección es primordial saber que para disminuir los errores se deben ajustar las mordazas justo en la dirección opuesta en la que se marca el error y que la longitud de las líneas indica la magnitud de los errores que se están cometiendo.

Una vez se consiguió el perfecto alineamiento de la máquina con estas indicaciones, se dejó el equipo listo para el inicio del ensayo.

El problema que se presentaba al utilizar para el alineamiento una probeta con una geometría diferente a la de estudio, era que una vez quedaba la máquina perfectamente alineada había que cambiar el tipo de mordazas.

No obstante, una vez verificado el correcto alineamiento de la máquina con la probeta cilíndrica, después de realizar los ajustes necesarios, y ya sustituidas las mordazas por las descritas para el ensayo, se realizaron unas pruebas sobre las dos probetas extra que también se utilizaron para corroborar los resultados obtenidos del estudio sobre la cogida en máquina. En estos dos casos las pruebas confirmaron el correcto alineamiento.


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5.2. Precracking

Debido a que en esta fase del ensayo el control se lleva a cabo mediante la carga aplicada, y no mediante el desplazamiento como en la etapa anterior, las características principales que se introducen en la máquina de ensayos serán diferentes. Todas estas propiedades quedarán recogidas en el punto 6 de este desarrollo junto con los resultados del mismo.

En cuanto a la fabricación de la probeta, es importante que el mecanizado de la entalla se haga con un pequeño radio en el fondo de ésta. La Ref. [17] impone un radio inferior a 0.08 mm. La entalla mecanizada en la probeta no constituye exactamente una grieta debido a este radio de redondeo en el fondo, aunque siempre se intenta minimizar. En cuanto a la forma de la entalla debe ser lo suficientemente aguda para garantizar que la grieta se pueda nuclear con cargas de fatiga relativamente bajas.

Para obtener el valor de KIc característicos del material es necesario simular una grieta natural. Para ello, como ya se ha comentado, se induce esta grieta sometiendo a la probeta a un proceso de fatiga que la creará a partir de la entalla inicial mecanizada. Este efecto puede observarse aumentado en siguiente imagen.

Figura 42: Probeta en precracking

La grieta inducida debe alcanzar una longitud adecuada en la dirección del espesor, ésta debe ser grande para evitar la posible influencia del campo de tensiones asociada a la entalla inicial.

La longitud para cada una de las probetas fue facilitada por el cliente conforme iba siendo informado de los resultados de las probetas ensayadas, por lo que no era un dato con el que se contara a priori en el plan de ensayos. En la Ref. [17] quedan definidas algunas directrices para determinar la longitud de grieta adecuada en función de parámetros geométricos y que serán aplicadas en este trabajo como se detallará más adelante.


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A modo de resumen, para visualizar el alcance de la campaña de ensayos en cuanto a las longitudes de grieta consideradas, quedan recogidas en la siguiente tabla las longitudes del precracking definidas por el cliente para cada una de las probetas junto con el resto de propiedades:

Referencia Tipo Espesor

[B] (mm) Longitud

(mm) Ancho

[W] (mm)

Radio SENT (mm)

Entalla inicial [a0]

(mm)

Longitud Precracking en dirección del

espesor [a] (mm)

Ratio a/B

15001-10072301; 6LHRO SENT 8.02 199.94 29.01 1.9 1.0x1.0 3 0.37

15001-10072302; 6LHRI ECCS 9.05 180.05 29.53 - 1.5x1.5 8 0.88

15001-10072303; 6RHRO SENT 8.07 200 28.94 1.88 1.0x1.0 3 0.37

15001-10072304; 6RHFO SENT 8.04 190.11 29.06 1.88 1.0x1.0 1.8 0.22

15001-10072305; 6RHRI ECCS 9.04 190 29.49 - 1.5x1.5 7 0.77

15001-10072306; 6RHFI ECCS 9.06 169.95 29.54 - 1.5x1.5 6.2 0.68

15001-10072307; 1RHRO ECCS 9.07 200 31.03 - 1.5x1.5 5 0.55

15001-10072308; 1RHFO ECCS 8 190.01 30.92 - 1.5x1.5 7.1 0.89

15001-10072309; 1RHRI ECCS 8.04 190 31.03 - 1.5x1.5 3.5 0.44

15001-10072310; 1RHFI ECCS 8.03 170.03 31.04 - 1.5x1.5 4 0.50

*incluida la longitud de la entalla inicial

Tabla 5: Longitud precracking

La longitud de grieta final a la que se recomienda llevar a cada probeta ensayada debe ser en cualquier caso superior a 1.3mm (Ref. [17]).

La ley de carga que se estableció para alcanzar estos valores de longitud de grieta, se elaboró siguiendo las indicaciones de la normativa de ensayo. Las principales características se resumen a continuación.

Lo primordial para que una fisura se propague de manera estable y controlada es que las cargas de fatiga se mantengan siempre convenientemente por debajo de KIc. Pero se necesitan valores más elevados de KI al inicio del proceso para poder nuclear la grieta y valores inferiores al final para no crear una zona plástica demasiado grande en el fondo de fisura. Al inicio del recorrido, el valor máximo del KI obtenido no debe ser mayor del 80% de la KIc del material mientras que en el último periodo, o como mínimo en el periodo en el que la grieta crece el 2.5% de su longitud total, el KI no debe superar el 60% de KIc.

Al final del preciclado igualmente, la relación entre el factor de intensidad de tensiones máximo y el módulo de elasticidad del material, KI / E, debe ser inferior a 0.00032 √m.


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Puesto que antes de los ensayos se desconoce el valor del KIc, ya que es el parámetro que se quiere determinar con el ensayo, en la normativa aplicable se indica que se debe tantear con un valor estimado para los primeros ensayos y una vez desarrollados éstos y calculado el parámetro para las primeras configuraciones, comprobar si la ley de carga propuesta es adecuada. En caso contrario se debe modificar en los siguientes ensayos para una perfecta realización de los mismos.

Como los datos de carga fueron proporcionados por el cliente se dio por supuesto que se cumplían estos requisitos básicos pero al analizar los resultados obtenidos tras el ensayo se hará una pequeña verificación sobre esto.

Otra característica importante que se debe cumplir durante la transmisión de la carga es que la relación entre tensión mínima y máxima (R = σmin / σmax) esté comprendida entre -1 y 0,1. La satisfacción de esta propiedad se podrá comprobar en la descripción de las características del ensayo de cada una de las probetas, también en el apartado de resultados.

El cliente nos proporcionó las siguientes gráficas para cada una de las configuraciones de estudio, una probeta genérica tipo ECCS y otra SENT de un espesor y un ancho determinados, y a través de ellas se extrapolaron las gráficas para cada una de las probetas de este trabajo con sus dimensiones reales.

Se puede observar en los gráficos que la aplicación de la carga recomendada se llevaba a cabo mediante escalones descendentes, esto garantiza a priori el cumplimiento de la propiedad que se acaba de describir (KI descendiente conforme avance el ensayo)


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Figura 43: Escalones de carga del precracking para probetas ECSS y SENT

Para cada longitud de grieta a la que se produce una disminución en la carga aplicada se recogerá toda la información del ensayo de la que se disponga para posteriores cálculos.

Las curvas de propagación también se podrían haber obtenido siguiendo las indicaciones de la Ref. [19]. Hay que recalcar que en este trabajo se ha tomado como referencia para realizar las mediciones necesarias y el control del crecimiento de grieta la cara de la probeta del espesor. Como ya se ha mencionado, en función del tipo de probeta, la grieta crecerá o no de forma simétrica en sus diferentes caras por lo que esta elección influirá de manera notable en la obtención de los resultados del ensayo.

Una vez alcanzada la longitud de grieta especificada en cada caso, y antes de proceder a la rotura de la pieza, se descarga la probeta y se vuelve a comprobar con ayuda de las galgas que el alineamiento de la probeta es el correcto. Para ello se carga a una velocidad de 0.5 mm/min hasta una carga algo menor a la que se aplicó en la fase del alineamiento inicial, debido al precracking que se acaba de realizar. En el caso de detectar cualquier desalineamiento la probeta no se debe mover para alinearse de nuevo, continuando con el ensayo hasta el final del mismo, haciendo eso sí, mención a este hecho al final del informe de los resultados de ensayo para considerar cualquier desviación que este ‘desalineamiento’ pueda producir.


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5.3. Ensayo hasta rotura (Ensayo de fractura).

Terminada la fase anterior y con la probeta totalmente descargada y ya con la longitud de grieta adecuada originada durante el precracking, se somete a ésta a una carga creciente hasta alcanzar la rotura de la pieza.

En esta etapa se busca el registro de la carga aplicada a la probeta frente al desplazamiento para obtener la carga crítica a la que se inicia la propagación de la fisura de modo inestable, que es el dato que interesa en el cálculo de la propiedad que se está estudiando.

Se pueden presentar casos en los que la carga crítica tiene el mismo valor que la carga máxima soportada durante el ensayo aunque normalmente la carga crítica se alcanza un poco antes de la rotura. La contribución a la vida a partir de esta carga se considera insignificante por la rapidez con la que la rotura tiene lugar.

La carga máxima también debe quedar registrada.

Para alcanzar la rotura de manera controlada, la velocidad no superará en ningún momento los 0.5 mm/min, al igual que en las dos fases anteriores.

Una vez la probeta haya llegado a la rotura, se debe medir la longitud de la grieta desarrollada durante el precracking en ambas caras, en la del ancho y en la del espesor, y por supuesto la superficie total de rotura en una de las dos parte en la que queda dividida la probeta. Estos datos también serán necesarios para los cálculos posteriores como se detallará más adelante.

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