New TESIS SAE 5160red.uao.edu.co/bitstream/10614/1315/1/TME00451.pdf · 2019. 9. 18. · ESTUDIO DE...

ESTUDIO DE LA RESISTENCIA DE FATIGA DEL ACERO SAE 5160 ANTES Y DESPUES DE PROCESO SHOT PEENING

FREDDY FERNANDO CÁNTICUS ORTIZ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2010

ESTUDIO DE LA RESISTENCIA DE FATIGA DEL ACERO SAE 5160 ANTES Y DESPUES DE PROCESO SHOT PEENING

FREDDY FERNANDO CÁNTICUS ORTIZ

Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Directores NELLY CECILIA ALBA DE SÁNCHEZ

Ingeniera Mecánica, PhD. HECTOR ENRIQUE JARAMILLO SUAREZ

Ingeniero Mecánico, Msc.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2010

3

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico.

Faber Correa Ballesteros Jurado Cristian David Chamorro Rodriguez Jurado

Santiago de Cali, 28 de Mayo de 2010

4

Doy gracias a Dios por darme la capacidad intelectual para obtener este logro tan importante en mi vida, a mis padres y familiares por apoyarme en todo momento de mi carrera, a mis amigos y a todas las personas que de alguna u otra forma colaboraron a mi conocimiento y formación.

5

AGRADECIMIENTOS Al Grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales, GCIM, por sugerir y apoyar este proyecto de investigación, por su hospitalidad y el profesionalismo de sus integrantes. Al personal de los laboratorios de Materiales y Mecánica de Sólidos de la Universidad Autónoma de Occidente por la colaboración y dedicación que le prestaron al desarrollo de cada uno de los ensayos mecánicos que fue necesario realizar. A la empresa Resortes Hércules por suministrarme el material para el estudio del proyecto. Al Centro de Excelencia en Nuevos Materiales por el apoyo para la realización de esta investigación. A la Dirección de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la universidad Autónoma de occidente por su apoyo en la investigación.

6

CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO

15

RESUMEN

17

INTRODUCCION

18

1. ANTECEDENTES

20

2. JUSTIFICACION 23

3. OBJETIVOS 24

3.1 OBJETIVO GENERAL 24

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

24

4. MARCO TEORICO 25

4.1 FATIGA 25

4.1.1 Curva S-N 25

4.1.2 Fases de una falla por fatiga 27

4.1.3 Corrosión 29

4.2 SHOT PEENING 30

4.2.1 Abrasivos para shot peening 32 4.2.2 Equipos para el shot peening

32

7

4.2.3 Variables del proceso 33

4.2.4 Aplicaciones 38 4.3 TECNICAS DE SHOT PEENING

39

4.3.1 Laser Peening

39

4.3.2 Ultrasonic Peening

40

4.3.3 Cavitation Peening

42

5. GENERALIDADES DEL ACERO SAE 5160 45 6. METODOLOGIA 47 7. PRUEBAS EXPERIMENTALES 48 7.1 ENSAYO DE TENSION 48 7.2 ENSAYO DE DUREZA 50 7.3 ENSAYO DE FATIGA A FLEXION A TRES PUNTOS 51 7.4 ANALISIS METALOGRAFICO 54 7.5 ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS 55 8. ANALISIS Y RESULTADOS 57 8.1 RESULTADOS ENSAYO DE DUREZA 57 8.2 RESULTADOS ENSAYO DE TENSION 58

8

8.2.1 Resultados de las propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de tensión

63

8.3 RESULTADOS ENSAYO DE FATIGA A FLEXION TRES PUNTOS 64

8.3.1 Fractografias de probetas sin proceso de shot peening 68 8.3.2 Fractografias de probetas con proceso de shot peening a 0.8 Sut (1138.6 MPa).

69

8.3.3 Fractografias de Probetas con proceso de shot peening a 0.7 Sut (996.3 MPa)

71

8.4 RESULTADOS ANALISIS METALOGRAFICO 74 8.4.1 Resultados Microdureza Vickers Acero SAE 5160 76 9. CONCLUSIONES 78 10. RECOMENDACIONES 79 BIBLIOGRAFIA 80

9

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Composición química del Acero SAE 5160 45 Tabla 2. Propiedades Mecánicas Acero SAE 5160 46 Tabla 3. Cantidad de muestras por ensayo a estudiar. 47 Tabla 4. Identificación y parámetros de las probetas de tensión. 49 Tabla 5. Identificación y parámetros de las probetas de fatiga. 52 Tabla 6. Resultados de dureza probetas grupo NSP sin shot peening. 57 Tabla 7. Resultados de dureza probetas del grupo 1A. 57 Tabla 8. Resultados de dureza probetas del grupo 2A. 57 Tabla 9. Resultados de dureza probetas del grupo 3A. 58 Tabla 10. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo NSP. 59 Tabla 11. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo 1A. 60 Tabla 12. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo 2A 61 Tabla 13. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo 3A 62

10

Tabla 14. Resultados de ensayos de fatiga a diferentes esfuerzos. 65 Tabla 15. Resultados de Microdureza Vickers acero SAE 5160 con shot peening. 76

11

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Curva S-N 26 Figura 2. Fractura por fatiga; a) fases de fatiga, b) resorte de ballesta acero SAE 5160, c) Inicio de grieta en resorte de ballesta, fractografía de SEM 2300X. 28 Figura 3. Técnica shot peening 30 Figura 4. Efecto del Shot peening 31 Figura 5. Equipos para shot peening. (a) Turbina centrifuga (b) Aire comprimido 33 Figura 6. Cubrimiento del shot peening 35 Figura 7. Procesos del ensayo Almen. 37 Figura 8. Curva para medir la intensidad del shot peening 38 Figura 9. Técnica Laser Shock Processing 40 Figura 10. Técnica Ultrasonic Peening 42 Figura 11. Esquemas del proceso de cavitación; a) proceso de cavitación peening, b) Maquina de cavitación peening, c) curva S-N fundición aluminio AC4CH-T6, d) Perfil de rugosidad en la fundición aluminio AC4CH-T6, después de un proceso de cavitación peening (CSP) y un proceso de shot peening (SP1). 44

12

Figura 12. Máquina Universal de Ensayos UTS 200.3 48 Figura 13. Probeta para ensayo de Tensión (Dimensiones mm.) 50 Figura 14. Equipo Durometro Rockwell C (HRC) 51 Figura 15. Maquina servohidráulica Instron 8872 53 Figura 16. Probeta de fatiga a flexión tres puntos (Dimensiones mm) 53 Figura 17. Montaje en baquelita; a) Montadora de probetas de baquelita; b) Probetas. 54 Figura 18. Microscopio Metalografico Olympus PM3 55 Figura 19. Microdurometro Indentec ZHV 56 Figura 20. Probeta 1 sin shot peening a 0.8 Sut (1138.6 MPa). 68 Figura 21. Probeta 1 sin shot peening a 0.7 Sut (996.3 MPa). 68 Figura 22. Probeta 1 sin shot peening a 0.6 Sut (853.9 MPa). 69 Figura 23. Probeta 1A - Cubrimiento total 69 Figura 24. Probeta 2A - Cubrimiento total 70 Figura 25. Probeta 3A - Cubrimiento total 70 Figura 26. Probeta 2B - Cubrimiento parcial 70

13

Figura 27. Probeta 2C - Cubrimiento bajo 71 Figura 28. Probeta 1A - Cubrimiento total 72 Figura 29. Probeta 2A - Cubrimiento total 72 Figura 30. Probeta 3A - Cubrimiento total 72 Figura 31. Probeta 2B - Cubrimiento parcial 73 Figura 32. Probeta 2C - Cubrimiento bajo 73 Figura 33. Estructura metalografica del acero SAE 5160 con diferentes parámetros de cubrimiento de shot peening. (Nital al 2% a 50x). a) Grupo 1A, b) grupo 2A, c) Grupo 2B, d) Grupo 2C, e) Grupo 3A, f) Grupo NSP. 75

14

LISTA DE GRAFICAS

Pág.

Grafica 1. Curva Esfuerzo Vs. Deformación de probetas sin shot peening pertenecientes al grupo NSP. 59 Grafica 2. Curva Esfuerzo vs. Deformación de probetas con shot peening pertenecientes al grupo 1A. 60 Grafica 3. Curva Esfuerzo Vs. Deformación de probetas con shot peening pertenecientes al grupo 2A. 61 Grafica 4. Curva Esfuerzo Vs. Deformación de probetas con shot peening pertenecientes al grupo 3A. 62 Grafica 5. Curva Esfuerzo vs. ciclos-N Acero SAE 5160. Grupos 1A, 2A y 3A 65 Grafica 6. Curva Esfuerzo vs. ciclos-N Acero SAE 5160. Grupos 2A, 2B y 2C 66 Grafica 7. Curva Esfuerzo vs. ciclos-N Acero SAE 5160. Grupos NSP, 2C, 2B y CT. 67 Grafica 8. Dureza Vickers vs. Profundidad Acero SAE 5160. 77

15

GLOSARIO CARGA: Fuerza aplicada a un material en un ensayo. CURVA S-N: Grafica que muestra el esfuerzo en función de la cantidad de ciclos para la fatiga. DEFORMACIÓN ELÁSTICA: Deformación del material que desaparece en forma instantánea cuando se elimina la carga aplicada. DEFORMACIÓN PLÁSTICA: Deformación permanente de un material cuando se aplica una carga y después se elimina. ENSAYO DE DUREZA: Mide la resistencia de un material a la penetración. Entre los ensayos frecuentes están el de Brinell, de Rockwell, de Knoop y de Vickers. ENSAYO DE TENSIÓN: Mide la respuesta de un material a una fuerza uniaxial aplicada lentamente obteniendo la resistencia de cedencia, resistencia a la tensión, modulo de elasticidad y ductilidad. ESFUERZO: Fuerza o carga por unidad de área transversal, o área sobre la que esta actuando la fuerza o la carga. ESFUERZO DE FLUENCIA: Esfuerzo aplicado a un material que provoca una deformación plástica permanente. FATIGA: Mide la resistencia de un material a la falla, cuando se aplica en forma cíclica un esfuerzo menor que la resistencia de cedencia. GRANALLADO: Es una técnica de tratamiento superficial por impacto, el cual nos ofrece diversos resultados favorables: limpieza de impurezas, correcta terminación de superficies para posteriores acabados, decapado mecánico y Shot peening. MODULO DE ELASTICIDAD: Modulo de Young, o la pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo-deformación en la región elástica. Es una medida de la rigidez de un material; depende de la fuerza de los enlaces interatómicos y de la composición y no depende mucho de la microestructura. RESISTENCIA A LA FATIGA: Esfuerzo requerido para causar falla por fatiga en determinada cantidad de ciclos. RESISTENCIA MECÁNICA: Es la capacidad que posee un material de resistir frente a diferentes acciones o fuerzas externas.

16

SHOT PEENING: Proceso por el cual la superficie de un metal es impactado por partículas a grandes velocidades generando una serie de esfuerzos residuales de compresión que incrementan la resistencia a la fatiga de un metal. VIDA A FATIGA: Cantidad de ciclos permitidos a un determinado esfuerzo antes de que un material falle por fatiga.

17

RESUMEN Se estudiaron diferentes propiedades mecánicas del acero SAE 5160 antes y después de realizarle proceso Shot Peening. Mediante ensayos de tensión se compararon los valores de esfuerzo ultimo con los datos teóricos se determinó que se encuentran dentro del rango adecuado para este material, siendo 1484.34 MPa el promedio más representativo de los grupos de probetas analizadas. De acuerdo a los resultados determinados en el punto de fluencia el valor promedio más representativo fue el las probetas del grupo 3A con 1262.54 MPa, este valor y el de los demás grupos está por encima del valor teórico del material, por lo tanto se puede intuir que el acero SAE 5160 presenta una zona de trabajo con alta resistencia. Los ensayos de fatiga demostraron que los esfuerzos residuales de compresion producidos por el shot peening incrementaron la vida de fatiga de las probetas que presentaban el proceso de shot peening en comparacion con las probetas que no tenian el proceso. Los mejores resultados de resistencia a la fatiga los presentaron los grupos 1A, 2A y 3A, debido a los cubrimientos totales de shot peening a los que fueron sometidas las probetas. En las fractografías de las probetas con Shot Peening se evidenciaron estrias o marcas radiales, producto de una alta concentración de esfuerzos sobre esta zona, a diferencia del lado opuesto donde no son evidentes estas marcas. Tambien se observó que las estrias se presentan con mayor intensidad a medida que aumenta el cubrimiento.

18

INTRODUCCIÓN El granallado es una técnica de tratamiento superficial por impacto, el cual ofrece diversos resultados favorables: limpieza de impurezas, correcta terminación de superficies para posteriores acabados, decapado mecánico y Shot peening1; este último es el proceso de interés, en este trabajo. El Shot peening es un proceso de trabajo en frío, el cual consiste en impactar la superficie del material con miles de pequeñas esferas llamados “shot” a grandes velocidades. El resultado de este proceso, es la deformación plástica de los granos más cercanos a la superficie dentro de un margen de 50 a 250 micrones2, incrementando así la vida a la fatiga del mismo. Como resultado de la compresión del grano del material, se obtienen unos esfuerzos de compresión paralelos a la superficie, creando una superficie uniforme de esfuerzos residuales de compresión, estos por efecto secundario, eliminan tensiones residuales dejadas por otros procesos previos como: mecanizado, tratamientos térmicos o conformación plástica. La mayoría de las fallas por fatiga a largo plazo son producto de los esfuerzos a tensión. Los esfuerzos a tensión pueden resultar desde la aplicación de cargas externas o debido a los esfuerzos residuales desde el proceso de fabricación. Los esfuerzos a tensión procuran separar, estirar o rasgar la superficie, esto conlleva a la iniciación de grietas; la compresión de la superficie del componente de metal a través del shot peening controlado, desinhibe la iniciación de fallas por fatiga, logrando retrasarla y en muchos casos eliminarla perceptivamente3. En esta investigación se realizó un estudio a probetas de acero SAE 5160, utilizado para fabricar hojas de resorte; se midieron propiedades mecánicas como dureza, resistencia mecánica y resistencia a fatiga. Las probetas se analizaron sin proceso de shot peening y con proceso de shot peening. Todas las probetas presentan un tratamiento térmico de bonificado.

1 Introducción general al granallado [en línea]. Santa Fe - Argentina: CYM Materiales S.A, 2009 [consultado 5 de septiembre de 2009] Disponible en Internet: http://www.cym.com.ar/castellano/informes/granallado-introduccion-general.pdf 2 Introducción al proceso de shot peening [en línea]. Santa Fe - Argentina: CYM Materiales S.A, 2009 [consultado 5 de septiembre de 2009] Disponible en Internet: http://www.cym.com.ar/castellano/informes/shot-peening-introduccion.pdf 3 A.H. Burr, J.B. Cheathan, Mechanical Analysis and Design, PHI India Pvt. Ltd, 1997

19

Este proyecto pretende implementar y apropiar una metodología que permita medir las propiedades mecánicas y la resistencia a la fatiga del acero SAE 5160 antes y después de realizado un proceso de Shot peening sobre este. El trabajo se enmarca en la labor investigativa del grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM, aprobado y apoyado por el Centro de Excelencia en Nuevos Materiales.

20

1. ANTECEDENTES Hasta la década de los 30 el granallado se realizaba solamente con picos de aire comprimido. Aún ahora es el único método que se puede utilizar para ciertos trabajos como el mantenimiento de estructuras armadas. El granallado en líneas de producción y en forma automática se hizo posible con la aparición de la turbina centrífuga de granallado. El sistema de granallado por turbina centrifuga es más productivo que el de aire comprimido, debido a que este ultimo es de muy bajo rendimiento, por lo cual es más adecuado para trabajos pequeños donde no son necesarios caudales altos, además para el granallado en líneas de producción este sistema es muy costoso y requiere un alto consumo de energía para su funcionamiento, en comparación con el sistema de turbina centrifuga, que es un método mas económico y no contamina el medio ambiente; además logra una mayor uniformidad en la preparación superficial de las piezas. El tipo de material, el tamaño y forma de las piezas y la condición de la superficie a limpiar, más la especificación que define la terminación superficial, tienen influencia directa sobre la selección del sistema de granallado, del abrasivo, y la definición del procedimiento. Hay casos en que pueden ser necesarios otros métodos de limpieza antes y después del granallado, para lograr mejores resultados en los revestimientos. Para estas extensas aplicaciones es necesaria una variedad de granalla según sea el material a granallar las más conocidas son: granalla de acero al carbón esférica y angular, granalla de alambre cortado, granalla de alambre cortado redondeado, granalla de acero inoxidable, granalla de aluminio, micro esfera de vidrio.��

�

Actualmente, el proceso de granallado tiene múltiples aplicaciones a nivel industrial, entre ellas están la limpieza y preparación de superficie en plantas previo al pintado, limpieza y eliminación de laminillas en discos de arado, limpieza y preparación de superficie de chapas, perfiles y equipos previo al pintado, eliminar laminillas y restos de soldadura, limpieza y preparación de superficie de llantas agrícolas previo al pintado, limpieza de cátodos y ánodos, limpieza y preparación de superficie de chapas y perfiles previo al pintado, equipos portátiles para mantenimiento de cascos de barcos, limpieza de engranajes cajas de velocidad, transmisiones mecánicas, bielas, resortes y elásticos, engranajes de cajas de velocidad, pistones, bielas, etc. para aumento de resistencia a la fatiga, limpieza y preparación de superficie de llantas de autos y camiones previo al pintado, granallado de zapatas de frenos y embragues, limpieza de componentes de motores rectificados, como blocks, pistones, etc.

21

La Universidad Nacional de Colombia realizó en el 2004 una investigación concerniente al granallado denominado, Mejoramiento del proceso de granallado para resortes de ballesta utilizando medición de esfuerzos residuales mediante difracción de rayos x.4 En este trabajo se midieron diferentes perfiles de esfuerzos residuales por difracción de rayos X en las zonas cercanas a la superficie de un acero AISI-SAE 5160H empleado en la fabricación de resortes de ballesta, utilizando diferentes condiciones de granallado y desarrollando un diseño de experimentos para encontrar condiciones de proceso que ofrezcan intensidades Almen y perfiles de esfuerzos residuales en compresión adecuados. Por último, se seleccionaron las combinaciones de variables que tienden a presentar los resultados más adecuados bajo los parámetros utilizados en el estudio realizado, con el fin de fabricar resortes bajo las mismas condiciones y finalmente ciclarlos y determinar su comportamiento en pruebas de fatiga. El proceso de granallado implementado en el proceso de manufactura de los resortes de ballesta tiene como principal función generar esfuerzos residuales en compresión sobre el lado que trabaja a tensión de las hojas. Las modificaciones en el proceso alteran el perfil de esfuerzo generado, haciéndolo mas o menos estrecho o profundo y/o superficial; las variables modificadas en esta investigación permitieron mostrar tendencias de variación en profundidades máximas de esfuerzos residuales obteniendo un esfuerzo residual en compresión máximo entre 415 y 658 MPa y una penetración de esfuerzo residual máximo entre 110 y 230 micras. De igual forma los valores de esfuerzos superficiales residuales de compresión se encuentran entre 45 y 443MPa. Los perfiles de esfuerzos residuales generados bajo las condiciones analizadas en este trabajo fueron relativamente profundos, lo cual es benéfico para detener grietas superficiales que están en etapa de crecimiento; sin embargo, en caso de que se quiera disminuir la diferencia entre los valores de los esfuerzos superficial y máximo se tiene la posibilidad de realizar variaciones del tamaño y velocidad de la granalla que según los estudios analizados estas son variables que pueden ejercer mayor influencia sobre la profundidad a la cual se generan los esfuerzos residuales. Por ultimo se compararon los resultados de vida a fatiga obtenidos de las pruebas de este trabajo con los observados en ensayos realizados con anterioridad por la empresa IMAL S.A. donde se nota una tendencia hacia

4 Fuente: Mejoramiento del proceso de granallado para resortes de ballesta utilizando medición de esfuerzos residuales por difracción de rayos x [en línea]. Bogota - Colombia: Revista Ingeniería e Investigación, 2009 [consultado 15 de septiembre 2009] Disponible en Internet: http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/643/64324306.pdf

22

mayores ciclos para fallar en todos los ensayos realizados en el presente estudio tendiendo además a presentar los mejores resultados cuando se trabaja con los parámetros en los que se obtiene mayor penetración de esfuerzos residuales y mejores condiciones de intensidad Almen.

23

2. JUSTIFICACIÓN Es de gran importancia considerar el fenómeno de la globalización en todos los países, y Colombia no puede ser indiferente a este fenómeno. El nivel de competencia, la exigencia de los mercados, el TLC y todo el clima macroeconómico se relaciona directamente con la industria automotriz y de ahí la relación con la fabricación y venta de resortes, al igual que, con todos los productos fabricados y comercializados en nuestro país. Por lo tanto la mejor alternativa es aportar a la transformación del mundo y de la compañía partiendo de la investigación en el desarrollo de los procesos, como el proyecto de investigación propuesto en este documento, que mejorará la calidad del producto final. Los datos experimentales permitirán establecer los estándares de proceso más apropiados (rangos de intensidad, nivel de cubrimiento, velocidad de la banda de la granalladora) en el plan de control. Con el mejoramiento de la calidad en este sentido, se obtienen mayores argumentos de venta y competitividad. Con este proyecto se pretende continuar las relaciones con el Centro de Excelencia en Nuevos Materiales del cual hace parte el Grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales (GCIM) de la UAO, en la línea de Mecánica de Sólidos y su interrelación con otras áreas del comportamiento de los materiales. La interrelación, mediante este tipo de proyectos, Empresa - Universidad – CENM permite incrementar el conocimiento y desempeño profesional, a quienes experimentan de primera mano todas las etapas de un proyecto de investigación.

24

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL • Estudiar el comportamiento de la resistencia a la fatiga del acero SAE 5160

antes y después de someterlo a diferentes condiciones de Shot Peening. 3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO • Determinar el comportamiento de las propiedades mecánicas y estructurales

del acero SAE 5160 sin shot peening y después de someterlo a diferentes condiciones de shot peening.

25

4. MARCO TEÓRICO 4.1 FATIGA En la vida real se observa que repetidos ciclos de carga y descarga debilitan las piezas a lo largo del tiempo incluso cuando las cargas inducidas están considerablemente por debajo de la tensión de rotura estática e incluso del límite elástico del material. Este fenómeno se le conoce como Fatiga. Cada ciclo de fluctuación de la tensión deteriora o daña la pieza un poco. Tras un número de ciclos determinado, la pieza está tan debilitada que falla por Fatiga. Para complicar el tema también se observa en piezas metálicas que por debajo de un cierto valor de la tensión no se produce la rotura por elevado que sea el número de ciclos de trabajo de la pieza. Todo esto hace que la Fatiga sea realmente compleja y por desgracia para el ingeniero de diseño una de las primeras causas de fallo en muchas piezas construidas con materiales férricos. Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en máquinas rotativas, tornillos, alas de aviones, productos de consumo, ruedas de ferrocarril, plataformas marítimas, barcos, vehículos y puentes. La vida a fatiga se puede definir como el "fallo debido a cargas repetitivas que incluye la iniciación y propagación de una grieta o conjunto de grietas hasta el fallo final por fractura”. El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño, o su durabilidad, bajo condiciones de carga simples o complejas conocidas como cargas de servicio. Los resultados del análisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duración de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta. Los estudios estructurales lineales y no lineales no predicen los fallos por fatiga. Calculan la respuesta de un diseño sujeto a un entorno específico de cargas y restricciones. Si los resultados de desplazamientos y tensiones están por debajo de un cierto nivel admisible el ingeniero proyectista puede concluir que el diseño es seguro en ese entorno de solicitaciones con independencia de cuantas veces se aplique la carga. Los resultados de los estudios estructurales (estáticos y dinámicos, lineales y no lineales) se usan como los datos básicos de partida para definir el estudio de fatiga. El número de ciclos requeridos para que el fallo por fatiga ocurra en un punto depende del material y de la fluctuación de las tensiones. Esta información, para ciertos tipos de materiales férricos, nos la proporciona la llamada Curva S-N. 4.1.1 Curva S-N: La Curva S-N de un material define valores de tensiones alternas vs. el número de ciclos requeridos para causar el fallo a una determinada

26

razón de esfuerzo. La figura 1 muestra una curva típica S-N. El eje-Y representa la tensión alterna (S) y el eje-X representa el numero de ciclos (N). La curva S-N se basa en una razón de tensión media Sm. Para cada material se pueden definir múltiples curvas S-N con diferentes valores de tensión media. Figura 1. Curva S-N

Fuente: Introducción al Análisis de fatiga o durabilidad [en línea]. Bilbao – España: Iberisa de Ingeniería, 2009 [consultado 11 de septiembre 2009] Disponible en Internet: http://www.iberisa.com/soporte/fatiga/intro.htm

Las curvas S-N se basan en la vida a fatiga media o en una probabilidad de fallo dada. La generación de la curva S-N de un material requiere muchos ensayos para variar las tensiones alternas, las tensiones medias y contar el número de ciclos. Para caracterizar un material se toma un conjunto de probetas y se las somete a solicitaciones variables con diferentes niveles de tensión, contándose el número de ciclos que resiste hasta la rotura. Debido a la elevada dispersión estadística propia de la fatiga los resultados se agrupan en una banda de roturas. Una parte de esta dispersión puede atribuirse a errores del ensayo, pero es una propiedad del fenómeno físico lo cual obliga a realizar un gran número de ensayos de probetas a fin de determinar la banda de fractura con suficiente precisión. Por tanto, caracterizar un material a fatiga supone un coste muy importante. Por ejemplo, supóngase que se desea conocer el comportamiento a fatiga de un material hasta 108 ciclos utilizando seis valores de la tensión con tres probetas por cada tensión. El ensayo más largo de 108 ciclos tardaría unos 14 días en una máquina capaz de producir 5000 ciclos/min. Por tanto si sólo se dispone de una

27

máquina el tiempo para realizar todos los ensayos sería de varios meses. Existen métodos de ensayo rápidos pero la fiabilidad de los resultados es menor. Con base a los ensayos sobre probetas se han desarrollado métodos para cálculo y diseño a Fatiga. La extrapolación de los resultados de los ensayos de fatiga a las piezas reales está basado en la utilización de una serie de valores modificativos empíricos, y por ello la fiabilidad de los métodos de cálculo es reducida si se compara por ejemplo con un cálculo estático lineal ya que existen numerosos factores que intervienen en el comportamiento a fatiga de un sistema físico que son imposibles de introducir en un modelo de elementos finitos, teniendo el usuario que estimar su efecto. Por tanto, en sistemas de alta responsabilidad es imprescindible recurrir a ensayos sobre prototipos. 4.1.2 Fases de una falla por fatiga. Las grietas por Fatiga se inician en la superficie del material como se puede observar en la figura 2. Por ello debe evitarse en lo posible ralladuras y arañazos en las superficies de buen acabado (por ejemplo, grabar el nombre comercial en la pieza), sobre todo en zonas con elevado nivel de tensión. Cualquier tratamiento superficial (térmico o mecánico) que produzcan un estado de tensiones residuales de compresión en la superficie de las piezas aumentando la dureza de la superficie, por ejemplo, el temple, el shot peening o laminado superficial incrementará la vida a fatiga de la pieza.

28

Figura 2. Fractura por fatiga; a) fases de fatiga, b) resorte de ballesta acero SAE 5160, c) Inicio de grieta en resorte de ballesta, fractografía de SEM 2300X.

a)

b) c)

Fuente: Mejoramiento del proceso de granallado para resortes de ballesta utilizando medición de esfuerzos residuales por difracción de rayos x [en línea]. Bogota - Colombia: Revista Ingeniería e Investigación, 2009 [consultado 15 de septiembre 2009] Disponible en Internet: http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/643/64324306.pdf

Las fallas por Fatiga se producen en tres fases:

29

• Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, ralladuras, arañazos, muescas y entallas causados por las herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades geométricas. • Fase 2 (Propagación): Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la pieza. • Fase 3 (Rotura): La pieza continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista estático produciéndose la rotura por fatiga. 4.1.3 Corrosión: otro mecanismo de propagación de grietas es la corrosión. Si una pieza que contiene una grieta esta en un entorno corrosivo, la grieta crecerá sujeta a esfuerzos estáticos. La combinación de un esfuerzo y de un entorno corrosivo tiene efecto acumulativo y el material se corroe con mayor rapidez que si no estuviera esforzado. Esta situación combinada a veces se conoce como corrosión por esfuerzo o agrietamiento asistido por el entorno. Si la parte esta esforzada cíclicamente en un entorno corrosivo, la grieta crecerá con mayor rapidez que como resultado de cualquiera de los factores solos. Esto también se conoce como fatiga por corrosión. En tanto que en un entorno no corrosivo la frecuencia del ciclo de esfuerzos (a diferencia del numero de ciclos) parecería por no tener efecto decremental en el crecimiento de las grietas, en presencia de entornos corrosivos si la tiene. Menores frecuencias alternantes le dejan mas tiempo al entorno para actuar sobre el extremo esforzado de la grieta, cuando ésta se mantiene abierta bajo esfuerzo a tensión, incrementando de manera importante la velocidad de crecimiento, por ciclo, de la grieta.

30

4.2 SHOT PEENING Es un caso particular dentro de la gama del granallado, mediante el cual se inducen tensiones de compresión en una superficie metálica, exponiéndola a un chorro de partículas esféricas a alta velocidad y manteniendo controlados los parámetros de la operación, como se aprecia en la figura 3. Durante el shot peening, además de producir el efecto mencionado se limpia la superficie como en una tarea normal de granallado, pero éste es sólo un efecto secundario del proceso, siendo el propósito básico el incremento de la resistencia a la fatiga del material. El shot peening actúa como un martillado de partículas esféricas impulsadas por un flujo de alta velocidad que al impactar sobre una superficie metálica conforman un perfil superficial constituido por valles y crestas redondeadas producidos por la deformación plástica del metal durante el impacto. Dicha deformación se extiende entre los 50 y 250 micrones de profundidad. Figura 3. Técnica shot peening

Fuente: Wheelabrator Group - Peening and Surface Engineering Solutions [en linea]. London – United Kingdom: Aerospace-Tecnology, 2010 [consultado 25 de febrero 2010] Disponible en Internet: http://www.osk-kiefer.de/images/graphiken/welle_888x414_neu_de.jpg

31

El efecto obtenido luego del shot peening constituye el aplastamiento de los granos metalográficos de la superficie del metal como se observa en la figura 4. Con ello, se produce dos efectos: • Los granos se ensanchan comprimiéndose entre sí y provocando la

aparición de tensiones de compresión paralelas a la superficie. Estas tensiones de compresión anulan tensiones residuales inducidos en procesos anteriores como mecanizado, tratamiento térmico, conformación plástica, etc.

• Como efecto secundario al ensancharse los granos cubren los espacios

Intergranulares reduciéndolos considerablemente y con ello la velocidad de corrosión galvánica.

En resumen, el shot peening aumenta la resistencia a la fatiga particularmente en resortes, elásticos, flejes, barras estabilizadoras de coches, engranajes y como efecto secundario produce un aumento de la resistencia a la corrosión, la eliminación de tensiones residuales induciendo una tensión de comprensión uniforme en toda la superficie además de limpiarla mediante el granallado. Figura 4. Efecto del Shot peening

Fuente: Shot Peening [en linea]. Paramus NJ: Metal Improvement Company, 2009 [consultado 19 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.metalimprovement.com/shot_peening.php

32

4.2.1 Abrasivos para el shot peening. Los abrasivos mas utilizados son los siguientes: • Granalla de acero fundida esférica de acero al carbono o inoxidable: es un abrasivo ampliamente utilizado, pues mediante el adecuado tratamiento térmico impuesto a las granallas durante el proceso de fabricación combinan un buen valor de dureza con aceptable capacidad de rotura y su costo es menor que la granalla de alambre. Los tamaños, tamizados según sus distintas granulometrías y clasificados según un número característico se encuentran normalizados según SAE en el Standard SAE J444. • Granalla de alambre redondeado: Es el abrasivo que mas aceptación está teniendo actualmente en el mundo debido a que tiene una excelente dureza con muy bajo nivel de rotura lo que implica un relativo bajo consumo de abrasivo y sobre todo manteniendo un nivel de granulometría constante en un porcentaje elevado de partículas. Los tamaños, según sus distintas granulometrías y clasificados según un número característico se encuentran normalizados según SAE en el Standard SAE J441. • Granalla de fundición de hierro esférico y nodular: Comprende a las granallas de fundición gris, blanca y maleable. Se utilizan en aquellos casos donde se requiere efectuar un trabajo de shot peening de bajo costo inicial. Esto se debe al bajo costo relativo de estas granallas, a pesar de tener una vida útil muy inferior a las de acero debido a su mayor fragilidad. En el caso del shot peening la rotura del abrasivo adquiere una gran importancia ya que es imprescindible que el impacto sobre la superficie lo realice una partícula esférica los que se torna difícil de controlar utilizando un abrasivo con alta de velocidad de fractura. En cuanto a las granallas de fundición nodular se utilizan en escala muy limitada pues debido a su baja dureza las intensidades logradas son pobres y además dejan residuos de grafito en las piezas granalladas. • Micro-esferas de vidrio (glass bead) o cerámica: se utilizan para el conformado de chapas delgadas, siendo de valores bajos las intensidades logradas. Ideal para hacer shot peening en chapas de acero inoxidable o materiales no ferrosos que no puedan ser contaminados con abrasivos de acero al carbono. 4.2.2 Equipos para el shot peening. Los equipos utilizados para efectuar shot peening son esencialmente similares a los empleados para otras tareas de

33

granallado (ver figura 5), con el agregado de una instalación auxiliar que permite realizar el más estricto control de los parámetros de ejecución. En cuanto a la impulsión de la granalla hay dos métodos utilizados a saber:

• El empleo de una turbina que impulsa la granalla a alta velocidad mediante una combinación de fuerzas radial y tangencial. Las ventajas del método incluyen la facilidad en el control de la velocidad y la alta capacidad de producción.

• El uso de aire comprimido en un flujo a alta velocidad como medio de arrastre e impulsión de las partículas. Este método es recomendado cuando se requiere trabajar con bajas producciones o con tratamientos localizados permitiendo desarrollar altas velocidad de impacto de la granalla y dirigir el flujo de esta en forma precisa hacia agujeros o cavidades, curvas de pequeño radio, raíces de dientes de engranajes y piezas de formas intrincadas.

Figura 5. Equipos para shot peening. (a) Turbina centrifuga (b) Aire comprimido

(a) (b)

Fuente: Introducción al proceso de Shot Peening [en linea]. Santa fe - Argentina: CYM Materiales S.A, 2009 [consultado 25 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.cym.com.ar/castellano/informes/shot-peening-introduccion.pdf 4.2.3 Variables del proceso. La efectividad y calidad del Shot peening dependen del eficiente control de cada una de las siguientes variables:

34

•••• Tamaño de la granalla: El factor incide en la energía cinética adquirida, que se transformará en energía de deformación (elástica y plástica) en el instante del impacto. Mientras la velocidad y el tiempo de exposición se mantengan constantes, todo incremento del tamaño de la partícula implica un incremento en la intensidad del proceso y una menor densidad de impactos. Siempre se selecciona el menor tamaño de partícula esférica que produzca la intensidad deseada, logrando de esa forma la mayor rapidez del proceso y la mejor cobertura o densidad de impactos en la superficie. Además en la elección del tamaño debe influir la configuración de la pieza a tratar, teniendo en cuenta los menores radios de curvatura de forma tal que los diámetros de la partícula sean dimensionalmente compatibles con los mismos. •••• Dureza de la partícula: Siempre que la dureza de la partícula sea mayor que la superficie, ésta no influye en la intensidad del proceso. Sin embargo, se debe seleccionar una partícula cuya dureza sea sólo algo superior, debido a que si es extremadamente dura será frágil y tendrá un porcentaje de roturas alto. Si en cambio la dureza de la partícula es inferior a la de la superficie cuando más blanda sea, menor será la intensidad lograda. •••• Velocidad de la partícula: Desde el punto de vista energético, al aumentar la velocidad de la partícula, aumenta su energía cinética y por lo tanto aumentará con ella la intensidad del shot peening. Prácticamente ese incremento de velocidad produce además, un mayor porcentaje de fracturas de partículas lo que impide el crecimiento teórico de la intensidad. •••• Densidad de impactos en la superficie (factor de cobertura): Es una medida que indica en que grado el área tratada ha sido impactada por las partículas esféricas. Se logra la saturación de esa densidad de impactos cuando el factor de cobertura es cercano al 100 %. Para factores de cobertura inferiores el tratamiento de shot peening no otorga las propiedades de resistencia a la fatiga deseada. Hay una relación directa entre el factor de cobertura y el tiempo de exposición dada por: Cn %=100[1 – (1 – C1)n] Donde: C1 = Factor de cobertura para un ciclo de impactos (%) Cn = Factor de cobertura luego de n ciclos de impactos (%) n = número de ciclo

35

La relación indica que el factor de cobertura tiende al 100% a medida que aumenta el número de ciclos. Es difícil efectuar la medida precisa de factores de cobertura por encima del 98%. De forma tal que se mide una probeta con un factor de cobertura inferior relacionándola con el tiempo de exposición correspondiente y la altura es necesario para el factor de cobertura deseado. Entonces, debido a que la medición del factor de cobertura se puede realizar hasta el 98%, dicho valor se toma arbitrariamente como el valor de saturación. De allí, el factor de cobertura se expresa en base al tiempo de exposición como un múltiplo del tiempo requerido para obtener la cobertura del 98%. En la figura 6 se observa los tipos de cubrimiento que maneja el shot peening. Figura 6. Cubrimiento del shot peening

Fuente: Introducción al proceso de Shot Peening [en linea]. Santa fe - Argentina: CYM Materiales S.A, 2009 [consultado 25 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.cym.com.ar/castellano/informes/shot-peening-introduccion.pdf •••• Angulo y distancia de proyección: Es el ángulo formado entre la superficie y la dirección del flujo de partículas (90° en la vertical y disminuye hacia ambos lados). Al reducirse el ángulo de proyección disminuye la intensidad del shot peening. En aquellos casos en los cuales el ángulo (por necesidades prácticas) debe ser inferior a los 90º, para mantener un valor de intensidad deseado debe incrementarse el tamaño de la partícula y/o la velocidad. En cuanto a la distancia, la intensidad disminuye el aumento de la misma, debiendo fijarse un valor que mantendrá durante el proceso. •••• Porcentaje de rotura: En este caso y debido a la necesidad que sean sólo partícula esférica las que impactan sobre la superficie a tratar, las partículas rotas deben ser automática y rápidamente extraídas del circuito. El porcentaje de abrasivo esférico debe ser inferior al 85% y aún son necesarios mayores porcentajes para mantener las intensidades requeridas.

36

•••• Intensidad del proceso: La intensidad del shot peening se mide mediante un ensayo normalizado en base a la curvatura experimentada por una lámina sometida al impacto del flujo de partículas esféricas denominado ensayo Almen en el cual se somete una cara de una placa relativamente delgada a un flujo de partículas esféricas, lo cual produce, un efecto de martillado sobre la superficie logrando un ensanchamiento por compresión de los granos metalográficos de dicha superficie. Ese ensanchamiento provoca un aumento del área de la superficie granallada quedando la cara opuesta con el área original, produciendo por ese motivo, la curvatura de la placa que será función de la intensidad del granallado aplicado. Por ello, la intensidad del shot peening se mide en base a la altura del arco experimentado por la lámina granallada en condiciones normalizadas. Suponiendo una densidad máxima de impactos (saturación), la intensidad dependerá de la velocidad, tamaño y dureza de la partícula esférica proyectada y del ángulo y distancia de proyección de la misma. La menor intensidad capaz de producir los efectos deseados es la más eficiente y la de menor costo. Ello se debe a que se trabaja con la partícula de menor tamaño, realizando el proceso en el menor tiempo de exposición. Otro factor importante es el espesor de la zona que adquiere las tensiones de compresión luego del shot peening. Ese espesor o profundidad de ataque dependerá de la intensidad del proceso y de la dureza del material tratado. El ensayo Almen es el método normalizado mediante standard SAEJ442a para la medición de la intensidad del Shot peening. El efecto que se utiliza para la medición es la curvatura producida en una lámina delgada sometida al flujo de partículas esféricas bajo condiciones normalizadas. El ensayo se mide con base a tres rangos de intensidades: N, A y C para cada una de ellas difiere el espesor de la probeta de medición, según sea el rango de intensidad a medir. Y por último el instrumento de medición que consta de un reloj comparador, graduado en milésimas de pulgada (0.025 mm) con una base perpendicular a la barra de medición con cuatro soportes de apoyo formando un plano en el cual apoyará la probeta a medir. Dicha probeta se curva durante el proceso del shot peening y se mide la altura de la combinación de curvatura longitudinal y transversal sobre la cara no granallada, en la figura 7 se presentan los pasos a realizar en el ensayo Almen.

37

Figura 7. Procesos del ensayo Almen.

Fuente: Introducción al proceso de Shot Peening [en linea]. Santa fe - Argentina: CYM Materiales S.A, 2009 [consultado 25 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.cym.com.ar/castellano/informes/shot-peening-introduccion.pdf La medición se indica mediante el número Almen indicado en el comparador y la letra de la probeta correspondiente. Así 13 A indica que en el ensayo Almen A la intensidad obtenida es 13. En la práctica se recomiendan los siguientes rangos de utilización. Para efectuar la medición se procede de la siguiente forma:

I. Exponer la superficie x de la probeta al flujo de partículas en las condiciones normales de trabajo. Medir el tiempo de exposición.

II. Sacar la probeta de la base y medir, mediante el comparador Almen la altura de la curvatura, previa puesta a cero del instrumento.

III. Utilizando distintos tiempos de exposición, repetir los puntos I y II para determinar una curva como la de la figura 8.

IV. El punto ideal de saturación aceptado en la industria es identificado cuando usando el doble de tiempo de exposición el incremento en la altura del arco no supera el 10%”, como se aprecia en la figura 8 donde se presenta la curva de intensidad.

38

Figura 8. Curva para medir la intensidad del shot peening

Fuente: Almen saturation curve [en linea]. Mishawaka, Indiana - USA: shotpeener.com, 2009 [consultado 25 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.shotpeener.com/learning/solver.php

4.2.4 Aplicaciones. La aplicación fundamental del tratamiento de shot peening se refiere al aumento de la resistencia a la fatiga de distintos elementos. Sin embargo, otras utilizaciones secundarias son: • Conformación de metales. El shot peening es adecuado para ciertas operaciones de conformación de chapas delgadas. Se usa particularmente en componentes estructurales para la industria aeronáutica tales como chapas de fuselaje. Si dichas curvaturas se realizan por métodos de conformación mecánica en frío o en caliente, las chapas adquirirán tensiones residuales muy altas e inadecuadas a las funciones a cumplir. • Eliminación de tensiones residuales localizadas. Es el caso de piezas que han quedado tensionadas luego del tratamiento térmico, de conformación, mecanizado, etc. Mediante la aplicación del shot peening se eliminan tensiones residuales de tracción, uniformando una tensión de compresión en toda la superficie. • Aumento de la resistencia a la corrosión. La resistencia a la corrosión de un metal sometido al shot peening aumenta debido a la disminución de los espacios Inter.-granulares de la superficie y además debido a la eliminación de tensiones

39

residuales de tracción, las cuales aumentan la energía del sistema aumentando de esa forma la posibilidad de corrosión. • Prueba de adhesión de láminas de plata. La adhesión de láminas de plata sobre aceros, de gran utilidad en ciertos procesos es efectiva cuando se logra un excelente anclaje entre ambos. Una forma de medirla es someter al conjunto al tratamiento de shot peening. En las zonas donde dicho anclaje es pobre, la lámina de plata deformará dejando ondulada la superficie. • Procesos posteriores al shot peening. Las piezas tratadas mediante shot peening, no pueden ser posteriormente sometidas a deformaciones mecánicas, calentamientos (salvo los muy leves), mecanizados y ni aún pulidos debido a que la capa superficial que adquirió las tensiones de compresión es de muy bajo espesor. Sólo se admite como tratamiento posterior, un pasivado de la superficie como prevención de la corrosión. 4.3 TECNICAS DE SHOT PEENING 4.3.1 Laser Peening. El laser shock processing (LSP) o laser peening es una nueva técnica de generación de tensiones residuales de compresión en la superficie de materiales5. El laser shock processing ha sido propuesto como una tecnología alternativa competitiva a los tratamientos superficiales clásicos (shot peening) de mejora de la resistencia de los metales a la fatiga, corrosión y desgaste. La generación de ondas de choque mediante láser es posible mediante el empleo de equipos láser pulsados de alta energía. En la actualidad los láseres que cumplen estos requisitos son los de estado sólido, que incorporan un dispositivo denominado Q-switch, que permite emitir pulsos en el rango de los nanosegundos. De esta forma, es posible alcanzar potencias de pico del orden de los GWs suficientemente elevadas como para provocar, en unas determinadas condiciones, deformaciones plásticas permanentes en metales. La llegada de un pulso láser enfocado de estas características a la superficie de un metal provoca la generación de un plasma de elevada temperatura que inmediatamente se propaga en la dirección del haz y sentido contrario. Por conservación de la cantidad de movimiento, la expansión del plasma provoca la

5 J.A.Porro, C. Molpeceres, M. Morales, J.L. Ocaña; Compressive residual stress field generation in aluminium 2024-t351 using laser shock processing, Opt. Pura Apl. 40 (1) 73-78 (2007).

40

generación de una onda de choque que se propaga hacia el interior del material provocando deformación y generando un campo de tensiones residuales de compresión. En condiciones normales la presión alcanzada por la onda de choque no es lo suficientemente elevada como para generar un campo de tensiones residuales de compresión en metales. Por ello, se coloca un medio transparente a la radiación delante de la superficie del material con el fin de evitar la propagación rápida del plasma. En los primeros estudios realizados sobre LSP se propuso el cristal de cuarzo como una buena opción de confinar el plasma. En la actualidad por disponibilidad y flexibilidad se emplea el agua como medio confinante. De esta forma el plasma permanece más tiempo en contacto con la superficie metálica provocando que la presión generada por la onda de choque sea mayor y lo suficientemente elevada como para modificar el estado de tensiones del metal generando un campo de tensiones residuales de compresión. Se considera que si la amplitud de la onda de choque generada supera el límite elástico de Hugoniot del material las modificaciones estructurales que se producen mejoran las propiedades mecánicas del mismo, en la Figura 9 se presenta un esquema de la técnica LSP. Figura 9. Técnica Laser Shock Processing

Fuente: J.A.Porro, C. Molpeceres, M. Morales, J.L. Ocaña; Compressive residual stress field generation in aluminium 2024-t351 using laser shock processing, Opt. Pura Apl. 40 (1) 73-78 (2007).

4.3.2 Ultrasonic Peening. Es un tratamiento para extender la vida de fatiga de juntas soldadas y para acrecentar la resistencia al desgaste de piezas y

41

componentes. El ultrasonic peening6 consiste en la aplicación de impulsos ultrasónicos y mecánicos en el pie y/o la superficie de soldaduras o en partes y componentes. La aplicación simultánea de esos impulsos ultrasónicos y mecánicos en el metal hace que éste sea modificado en su estructura atómica y/o metalúrgica. La concentración de tensiones, siempre presente en la transición entre la soldadura y la chapa, se reduce debido a la creación de un surco que produce una transición suave entre las dos. Las tensiones residuales de tracción en la soldadura son también reducidas de forma considerable. El resultado de éste tratamiento es un mejoramiento general de la resistencia contra la fatiga en toda la estructura.

Las técnicas para extender la vida de fatiga en soldaduras son bien conocidas como un método para extender la vida de servicio de estructuras metálicas sometidas a cargas de fatiga. De todas las técnicas conocidas el martilleo ultrasónico, o Ultrasonic Peening, es la más eficiente y fácil de aplicar. El Ultrasonic Peening, en soldaduras hace que la vida de fatiga de la soldadura se extienda por lo mínimo cinco veces, mientras que en piezas y elementos mecánicos sometidos al desgaste hace que la vida útil de estos componentes se extienda al doble de su vida original. El Ultrasonic Peening es un método para mejorar la resistencia a la fatiga que combina la modificación de la geometría de la soldadura, y la redistribución de las tensiones residuales en el pie de la soldadura, todo esto logrado durante una única operación de trabajo. Este tratamiento para soldaduras ha probado ser el más efectivo con respecto al costo y el más confiable con respecto a sus resultados cuando se lo compara por ejemplo con el “burr grinding” o “hammer peening”. En la figura 10 se presenta un esquema de la técnica de ultrasonic peening. 6 Tratamiento por martilleo ultrasonico [en linea]. Holanda: LEST Global, 2009 [consultado 19 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.lets-global.com/Ultrasonic_Peening_Treatment_es.html

42

Figura 10. Técnica Ultrasonic Peening

Fuente: Fatigue Life Improvement of Tubular Welded Joints by Ultrasonic Peening [en linea]. Markham, Canada: International Institute Of Welding, 2009 [consultado 19 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.itlinc.com/pdf/41%20IIW-XIII-2117-06.pdf 4.3.3 Cavitation Peening. Es una novedosa técnica que permite introducir profundas tensiones residuales de compresión en componentes mecánicos con el objeto de mejorar la resistencia a la fatiga y contrarrestar los efectos de la corrosión. El proceso consiste en generar impactos por cavitación producidos por la inyección de un chorro de alta velocidad en el agua. La técnica es similar al shot peening convencional, la diferencia es que no se hacen disparos de ningún sólido, lo cual es una gran ventaja para la cavitación peening, ya que disminuye los efectos de rugosidad en la superficie de los elementos tratados con esta técnica, otra de sus ventajas es que debido a que no se utiliza calor no hay efectos perjudiciales térmicos. El proceso tiene el propósito de lograr efectos beneficiosos similares al del shot peening o el láser shock peening, pero sin los efectos secundarios negativos y a un menor costo. Además, los inyectores que producen la cavitacion, se pueden miniaturizar con el fin de acceder a espacios reducidos, tales como la raíz de los dientes de engranajes y rodamientos, etc.

43

Un estudio llamado mejoramiento de resistencia de la fatiga en materiales metálicos por cavitación peening7, demostró que utilizando esta técnica se logra aumentar la vida de la fatiga en componentes metálicos, en este caso el material de la prueba fue una fundición de aluminio con tratamiento térmico (Japan Industrial Standard JIS AC4CH-T6), a la cual se le realizó un ensayo de fatiga a flexión rotativa, donde se emplearon tres grupos de probetas en diferentes estados; un grupo sin proceso de shot peening, otro con shot peening y finalmente uno con proceso de cavitacion peening, los resultados se ilustran en la Figura 11(c) y demostraron que la resistencia a la fatiga en 107 ciclos fue de 93 MPa para el grupo de probetas sin shot peening , de 120 MPa para las de shot peening y de 156 MPa para las de cavitación peening, esto revela que el proceso de cavitacion peening arrojó los mejores resultados debido a que los esfuerzos residuales de compresión producidos por el proceso fueron de mayor profundidad.

7Improvement of Fatigue Strength of Metallic Materials by Cavitation Shotless Peening [en linea]. Wetzikon, Switzerland : Metal Finishing News, 2006 [consultado 1 de noviembre 2009] Disponible en Internet: http://www.mfn.li/article/?id=359

44

Figura 11. Esquemas del proceso de cavitación; a) proceso de cavitación peening, b) Maquina de cavitación peening, c) curva S-N fundición aluminio AC4CH-T6, d) Perfil de rugosidad en la fundición aluminio AC4CH-T6, después de un proceso de cavitación peening (CSP) y un proceso de shot peening (SP1).

(a) (b)

(c) (d) Fuente: Improvement of Fatigue Strength of Metallic Materials by Cavitation Shotless Peening [en linea]. Wetzikon, Switzerland: Metal Finishing News, 2006 [consultado 1 de noviembre 2009] Disponible en Internet: http://www.mfn.li/article/?id=359

45

5. GENERALIDADES DEL ACERO SAE 5160

Los metales que se emplean en la industria, son aleaciones y no metales puros como hierro, oro, cromo, cobre, plata etc. debido a que sus características no son apropiadas para el uso. De los materiales puros, el hierro es uno de los elementos que se encuentra en mayor proporción, y el carbono es el que ejerce influencia más decisiva en las propiedades, características y tratamientos. El contenido de carbono de los aceros varia desde 0.035% a 1.7%, llegando en algunos casos excepcionales a 2.2%. Los aceros son fundamentalmente aleaciones de hierro-carbono, con otros elementos e impurezas. Para la fabricación de los resortes de ballesta es frecuente el uso del acero SAE 5160, cuyas propiedades mecánicas que le proporciona los componentes de aleación lo hace adecuado para su manufactura. En la tabla 1 se presenta la composición química de los elementos que contiene el acero SAE 5160, además de los elementos normales de un acero este presenta un porcentaje de cromo y manganeso bastante alto. Tabla 1. Composición química del Acero SAE 5160

Aceros Aleados

Grado de Acero

Composición Química de colada ( % )

Carbono Manganeso Fósforo Azufre Silicio Cromo SAE (C) (Mn) (P) máx. (S) máx. (Si) (Cr) 5160 0.56 / 0.64 0.75 / 1.00 0.035 0.040 0.15 / 0.35 0.70 / 0.90

La tabla 2 resume las principales propiedades mecánicas del acero SAE 5160.

46

Tabla 2. Propiedades Mecánicas Acero SAE 5160

σσσσr = Esfuerzo de rotura o ultimo σσσσ (0,2) = Esfuerzo de fluencia

σσσσr (MPa)

σσσσ (0,2) (MPa)

Dureza HB Tratamiento Térmico Temperatura

(°C)

�� Laminado, forjado 1050 / 850

�� 600 285 Normalizado 850 / 900

�� 370 217 Recocido globulizante 750

�� 370 217 Recocido de regeneración 840

�� 1100 352 Temple en aceite revenido

840 650

47

6. METODOLOGÍA El desarrollo de este trabajo se realizó de acuerdo a las siguientes etapas: • Primera Etapa: Consolidación de conocimientos sobre el tema de investigación. Recolección de artículos recientes sobre trabajos con acero SAE 5160 con proceso de shot peening y medición Almen. Elaboración de planos de las probetas para análisis de fatiga que se utilizarán para ensayos y adquisición de información sobre las condiciones de los ensayos. • Segunda Etapa: Fabricación de las probetas para análisis de fatiga. En la tabla 3 se presenta la relación de las probetas que se utilizaron en el proceso. Tabla 3. Cantidad de muestras por ensayo a estudiar.

Condición de la muestra

Con diversos parámetros de Shot

peening

Sin Shot Peening

Ensayo

Cantidad de

muestras

X X Tensión 13 X X Fatiga 54 X x Metalografía 6

Total de muestras 73

Los ensayos que se realizaron en esta etapa fueron: dureza, análisis metalográfico, resistencia mecánica y resistencia a la fatiga. • Tercera Etapa:

� Análisis de los resultados experimentales.

� Preparación del informe final y de artículo para publicación.

48

7. PRUEBAS EXPERIMENTALES

7.1 ENSAYO DE TENSIÓN Se determinaron propiedades mecánicas del acero SAE 5160, con y sin proceso de Shot peening. Para determinar la resistencia mecánica del material, se utilizó la máquina universal de ensayos UTS 200.3 con capacidad máxima de 20 Ton. El tiempo estimado para cada prueba fue de 90 segundos; se aplicó una precarga de 700 N; para la prueba se utilizó un extensometro de 50 mm. La máquina UTS pertenece al Laboratorio de Mecánica de Sólidos de la Universidad Autónoma de Occidente. (Ver Figura 12).

Figura 12. Máquina Universal de Ensayos UTS 200.3

El proceso de Shot peening que se le aplicó a las probetas se realizó en la empresa Resortes Hércules, con la máquina granalladora de turbina centrifuga. Este modelo está equipado con un Control Lógico Programable PLC, mediante el cual se controlaron los parámetros influyentes para proporcionarle al material una intensidad adecuada. En el proceso se utilizó una granalla de alambre cortado

49

redondeado CW-35 con una dureza entre 55-60 HRC. Las pruebas de laboratorio se realizaron en probetas estandarizadas por la norma ASTM E08, a estas muestras se les efectuó el mismo proceso de fabricación que a las hojas de resorte que consiste en:

• Tratamiento térmico de temple a 850 ºC. • Tratamiento térmico de revenido a 480 ºC. • Shot Peening (según la intensidad Almen seleccionada)

En la tabla 4 se presentan la identificación y los parámetros que se le aplicaron a las probetas utilizadas para el ensayo de tensión. Tabla 4. Identificación y parámetros de las probetas de tensión.

Grupo

Cubrimiento de Shot Peening

Intensidad de Shot peening

Cara con shot peening

Cantidad de probetas

NSP Ninguno Ninguno Ninguno 4

1A Total 22A 2 3

2A Total 17A 2 3

3A Total 15A 2 3

NSP: Grupo de probetas sin proceso de shot peening. Posteriormente se analizaron trece (13) probetas planas de tensión de acero SAE 5160, identificadas de la siguiente manera NSP, 1A, 2A, 3A; el grupo NSP representa el grupo de cuatro (4) probetas sin proceso de shot peening; los ítems 1A, 2A y 3A representan grupos de tres (3) probetas cada uno y que fueron sometidas a diferentes intensidades de shot peening. En la figura 13 se presentan las dimensiones de la probeta utilizada en este ensayo.

50

Figura 13. Probeta para ensayo de Tensión (Dimensiones mm.)

7.2 ENSAYO DE DUREZA Para caracterizar las probetas, se tomaron tres indentaciones de dureza Rockwell C (HRC) a cada grupo y se determinó el valor promedio de la dureza de cada uno. Para este ensayo se utilizó el durometro Rockwell C (HRC) con penetrador tipo cono de diamante, ya que el acero SAE 5160 esta catalogado como un acero de alta resistencia. Las mediciones se hicieron sobre la superficie de las probetas que se utilizaron en el ensayo de tensión a una carga de 150 Kgf. Solo el grupo NSP no presenta proceso de shot peening, el resto de grupos presentan proceso de shot peening. El durometro hace parte del laboratorio de Materiales de la Universidad Autónoma de occidente. (Ver Figura 14)

51

Figura 14. Equipo Durometro Rockwell C (HRC)

7.3 ENSAYO DE FATIGA A FLEXION A TRES PUNTOS Mediante este ensayo se determinó la resistencia a la fatiga del acero SAE 5160, evaluado en probetas sin proceso de shot peening y probetas con diferentes parámetros de shot peening. En la tabla 5 se identifica los grupos y los parámetros utilizados en la prueba de fatiga.

52

Tabla 5. Identificación y parámetros de las probetas de fatiga.

Grupo

Cubrimiento

de Shot Peening

Intensidad de shot peening

Cara con

shot peening

Cantidad de

probetas

NSP Ninguno Ninguno Ninguno 3

1A Total 22A 1 3

2A Total 17A 1 3

3A Total 15A 1 3

2B Parcial 17A 1 3

2C Bajo 17A 1 3

En total se realizaron 54 pruebas de fatiga a flexión tres puntos, las cuales se llevaron a cabo en tres etapas. Para cada etapa se evaluó un valor de esfuerzo diferente, y en cada una de ellas, se evaluaron seis grupos constituidos por tres probetas cada uno; estos grupos se identificaron de la siguiente manera NSP, 1A, 3A, 2A, 2B, 2C. El grupo NSP se evalúo sin proceso de shot peening, los restantes grupos se evaluaron a diferentes parámetros de shot peening. Los ensayos se realizaron en la máquina servohidráulica Instron 8872, la cual presenta una celda carga con capacidad de 25 KN. La máquina presenta un actuador que maneja dos sensores de configuración para determinado ensayo, uno es el sensor de posición, el cual ofrece al sistema información sobre la posición física actual del vástago del pistón, es decir, la extensión aplicada a la probeta en unidades de mm. El otro sensor es el de carga el cual ofrece al sistema de control información sobre la carga actual que esta aplicando el actuador, es decir, la carga aplicada a la probeta en unidades de N. Para este ensayo se utilizó el sensor de posición debido a que este se asemeja más al comportamiento que sufren los resortes de ballesta en la vida real y también por la facilidad a la hora de realizar los cálculos para el ensayo. Todas las pruebas se realizaron con una frecuencia de 10 Hz. La máquina Instron 8872 hace parte del laboratorio de mecánica de sólidos de la universidad Autónoma de Occidente. (Ver Figura 15).

53

Figura 15. Maquina servohidráulica Instron 8872

• Probeta para fatiga a flexión tres puntos. Las dimensiones y parámetros de las probetas se establecen en la norma ASTM E466. (Ver Figura 16). Figura 16. Probeta de fatiga a flexión tres puntos (Dimensiones mm)

54

7.5 ANALISIS METALOGRAFICO Para esta prueba de cada uno de los grupos de probetas analizadas en la prueba de fatiga, se cortó una pequeña parte y posteriormente se montó en baquelita, como resultado se obtuvieron dos probetas de baquelita una de color rojo y otra de color verde con el fin de identificarlas, en la figura 17 se observa el montaje y las respectivas probetas. En cada una de ellas se montaron tres (3) muestras de los grupos de probetas en estudio. Después del pulido al espejo se atacaron las muestras con reactivo químico Nital al 2 %, con el fin de develar la estructura superficial del material. El análisis se realizó con la ayuda del microscopio metalografico Olympus PM 3 y el analizador de imágenes Image Pro-plus, pertenecientes al Laboratorio de Materiales de la Universidad Autónoma de Occidente. (Ver figura 18). Figura 17. Montaje en baquelita; a) Montadora de probetas de baquelita; b) Probetas.

a) b)

55

Figura 18. Microscopio Metalografico Olympus PM3

7.6 ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS Para esta prueba se utilizaron las dos probetas de baquelita que se analizaron en la parte metalografica, a cada una de las muestras contenidas en cada probeta se le hicieron dos (2) series de tres (3) indentaciones para obtener un promedio de la dureza Vickers del material, desde la parte mas cercana a la superficie hasta el centro de la probeta. El equipo que se utilizó fue el Microdurometro marca Indentec ZHV. La carga que se le aplicó a la prueba fue de 0.5 Kg. El equipo pertenece al laboratorio de Materiales de la Universidad Autónoma de Occidente. (Ver figura 19).

56

Figura 19. Microdurometro Indentec ZHV

57

8. ANALISIS Y RESULTADOS

8.1 RESULTADOS ENSAYO DE DUREZA Previo al ensayo de tensión se evaluó el grado de dureza Rockwell C (HRC) del acero SAE 5160, representado en las probetas de cada uno de los grupos evaluados. Las mediciones se hicieron en la zona superficial de cada una de las probetas y se realizaron tres (3) indentaciones por cada probeta con el fin de hallar un valor promedio. Cabe rescatar que todas las probetas de los diferentes grupos presentan un proceso de tratamiento térmico de temple y revenido y un proceso de shot peening a diferentes parámetros de intensidad, con excepción del grupo NSP que no fue sometido a proceso de shot peening. A continuación se presentan los resultados de la prueba de dureza consignados en las tablas 6, 7, 8 y 9. Tabla 6. Resultados de dureza probetas grupo NSP sin shot peening.

Acero SAE 5160

Probeta HRC1 HRC2 HRC3 Promedio

HRC NSP1 43 42 43 43 NSP2 44 43 43 43 NSP3 42 43 42 42 NSP4 42 42 42 42

Tabla 7. Resultados de dureza probetas del grupo 1A.

Acero SAE 5160


HRC 1A-1 43 43 43 43 1A-2 41 44 45 43 1A-3 41 44 40 42


Acero SAE 5160


HRC 2A-1 45 42 42 43 2A-2 45 43 42 43 2A-3 45 44 45 45

58


Acero SAE 5160


HRC 3A-1 44 43 45 44 3A-2 43 43 42 43 3A-3 44 43 43 43

La dureza de las probetas con shot peening no se incrementó respecto a las probetas sin el proceso, por lo que se deduce que las tensiones que se generan en el material no modifican esta propiedad. 8.2 RESULTADOS ENSAYO DE TENSIÓN El número total de probetas analizadas en el ensayo de tensión fueron trece (13), estas se identificaron de la siguiente manera grupo NSP que consta de cuatro (4) probetas sin proceso de shot peening y tres (3) grupos de probetas identificados como 1A, 2A y 3A cada grupo con tres (3) probetas todas con proceso de shot peening. Los resultados del comportamiento de las propiedades mecánicas de cada uno de los grupos se representan mediante curvas de esfuerzo vs deformación unitaria consignadas en las graficas 1, 2, 3 y 4, y sus valores mas importantes se consignaron en tablas 10, 11, 12 y 13, como se observa a continuación.

59

Grafica 1. Curva Esfuerzo Vs. Deformación de probetas sin shot peening pertenecientes al grupo NSP.

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600E

sfue

rzo

[N/m

m2 ]

Deformación [mm/mm]

A2

A3

A4

A1

Acero SAE 5160

Tabla 10. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo NSP.

Ítem

Esfuerzo

ultimo

(N/mm2)

Esfuerzo

de fluencia

(N/mm2)

Modulo de

elasticidad

(GPa)

Deformación

máxima

(mm/mm)

NSP1 1383,41 1249,03 256,64 0,04144

NSP2 1432,19 1257,25 155,15 0,05166

NSP3 1441,93 1268,85 216,48 0,04580

NSP4 1435,39 1263,44 186,43 0,03304

Promedio 1423,23 1259,64 203,68 0,0429

Desviación

Estándar

26,85

8,52

43,28

0,01

60

Grafica 2. Curva Esfuerzo vs. Deformación de probetas con shot peening pertenecientes al grupo 1A.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.120

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1A-2

Esf

uerz

o [ N

/mm

2 ]

Deformación [mm/mm]

1A-31A-1

Acero SAE 5160

Tabla 11. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo 1A.

Ítem

Esfuerzo

ultimo

(N/mm2)

Esfuerzo de

fluencia

(N/mm2)

Deformación

máxima

(mm/mm)

1A-1 1488.15 1246.01 0.1587

1A-2 1457.28 1210.87 0.0847

1A-3 1507.59 1254.20 0.0874

Promedio 1484,34 1237,03 0,1103 Desviación

Estándar 20,71 18,80 0,0343

61

Grafica 3. Curva Esfuerzo Vs. Deformación de probetas con shot peening pertenecientes al grupo 2A.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.080

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

2A-2

2A-3

2A-1E

sfue

rzo

[ N

/mm

2 ]

Deformación [ mm/mm ]

Acero SAE 5160

Tabla 12. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo 2A

Ítem

Esfuerzo

ultimo N/mm2

Esfuerzo

de fluencia N/mm2

Deformación

máxima [mm/mm]

2A-1 1516.89 1256.42 0,06908

2A-2 1445.74 1241.89 0,07122 2A-3 1455.21 1244.62 0,06892


Estándar 31,55 6,31 0,00

62

Grafica 4. Curva Esfuerzo Vs. Deformación de probetas con shot peening pertenecientes al grupo 3A.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.080

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

3A-13A-3

3A-2E

sfue

rzo

[ N

/mm

2 ]

Deformación [ mm/mm ]

Acero SAE 5160

Tabla 13. Resultados estimados del ensayo de tracción grupo 3A

Ítem

Esfuerzo

ultimo N/mm2

Esfuerzo

de fluencia N/mm2

Deformación

máxima [mm/mm]

3A-1 1442,83 1295.33 0,05148

3A-2 1484.74 1276.19 0,07084 3A-3 1460.61 1216.10 0,05904


Estándar 17,18 33,75 0,01

63

8.2.1 Resultados de las propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de tensión. • Esfuerzo Último obtenido en el ensayo. La resistencia a la tracción o también conocida como esfuerzo último se encuentra dividiendo la máxima fuerza que soporto la probeta por el área de sección transversal original de ésta. Sut = Fmax / A Donde: Sut =Esfuerzo último Fmax =Fuerza máxima soportada por la probeta A= Área de la sección transversal. Comparando los valores de esfuerzo ultimo con los datos teóricos se puede determinar que se encuentran dentro del rango adecuado para este material, siendo 1484.34 MPa el promedio mas representativo de los grupos analizados. • Esfuerzo de fluencia obtenido en el ensayo. Para encontrar este valor fue necesario trazar una línea paralela a la figura en la región elástica correspondiente a la ley de Hooke, que corte en el eje x, justo en el 0.2% de la deformación unitaria total de la probeta estudiada; De esta forma el valor correspondiente al esfuerzo de fluencia, se encuentra en la intersección de la línea paralela y la figura Esfuerzo Vs. Deformación unitaria, que describe el comportamiento del material, para cada uno de los ensayos realizados. La ecuación correspondiente a la zona elástica de la figura de Esfuerzo Vs. Deformación unitaria en la que se cumple la ley de Hooke es:

bmxy += Donde: m = pendiente. b = Corte con el eje y. x =Valores de deformación. y = Valores de esfuerzo. De modo que para obtener una línea paralela a esta, basta con conservar la pendiente y cambiar el punto de corte al valor deseado; En este caso, se requería hallar el punto de corte correspondiente a una intersección con el eje de la deformación en el 0.2%.

64

Este valor es posible encontrarlo al reemplazar n la función los valores conocidos de la pendiente (el mismo que el de la figura original), el valor de x=0.2 y el valor de Y=0. De acuerdo a los resultados para este punto el valor promedio más representativo fue el del grupo 3A con 1262.54 MPa, este valor y el de los demás grupos esta por arriba del valor teórico del material, por lo tanto se puede decir que este material presenta una zona de trabajo muy resistente. • Modulo de elasticidad obtenido en el ensayo. De las curvas de esfuerzo vs deformación se puede obtener un dato muy importante en los aceros, el modulo de elasticidad, E, el cual corresponde al valor de la pendiente de la recta de la zona elástica que cumple con la ley de Hooke, en la cual la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria es proporcional. En este caso el modulo de elasticidad mas representativo fue el del grupo NSP con un valor promedio de 203.68 GPa. 8.3 RESULTADOS ENSAYO DE FATIGA A FLEXION A TRES PUNTOS Se realizó un ensayo de fatiga a alto ciclaje y se trabajo con un esfuerzo alterno igual a 0.8 Sut, 0.7 Sut y 0.6 Sut. El Sut del material en este caso es de 1423.23 MPa valor encontrado en el ensayo de tensión el cual pertenece al valor promedio de las probetas sin proceso de shot peening. La relación de esfuerzos se tomo como R=0.2 y se mantuvo constante en todas las pruebas. Con este valor de R=0.2 se determino un valor para un esfuerzo máximo y un esfuerzo mínimo; con lo cual posteriormente se halló una valor de carga máxima y valor de carga mínima y con estos valores de carga se encontró un valor de desplazamiento máximo y un valor de desplazamiento mínimo con los cuales se determino un rango de amplitud y un nivel medio para cada ensayo de fatiga a flexión a tres puntos. Las pruebas de fatiga se clasificaron de la siguiente manera, se evaluaron seis (6) grupos de probetas por cada esfuerzo evaluado; cada grupo estuvo constituido por tres (3) probetas. Todos los grupos a excepción del grupo NSP tienen un rango de cubrimiento e intensidad de shot peening como se ilustra en la Tabla 14.

65

Los resultados de la Tabla 14 se representaron en las graficas 5, 6 y 7, donde se observa el comportamiento de las curvas esfuerzo vs. Ciclos de los diferentes grupos evaluados a fatiga. Tabla 14. Resultados de ensayos de fatiga a diferentes esfuerzos.

Esfuerzo 0,8 Sut =1138,6MPa 0,7 Sut = 996,3 MPa 0,6 Sut = 853,9 MPa Intensidad Cubrimiento

de shot peening Grupo ciclos Grupo ciclos Grupo ciclos

22A Total 1A 2.47x105 1A 3.81x105 1A 1.40x106

17A Total 2A 2.07x105 2A 5.33x105 2A 1.20x106

15A Total 3A 2.15x105 3A 4.37x105 3A 1.25x106

17A Parcial 2B 1.79x105 2B 2.58x105 2B 1.15x106

17A Bajo 2C 1.34x105 2C 2.38x105 2C 6.26x105

Ninguno Ninguno NSP 3.24x104 NSP 5.10x104 NSP 7.44x104

Grafica 5. Curva Esfuerzo vs. ciclos-N Acero SAE 5160. Grupos 1A, 2A y 3A

En la grafica 5, se observa el comportamiento de las curvas Esfuerzo vs. Ciclos de los grupos 1A, 2A y 3A con cubrimiento total de shot peening, la diferencia entre

66

los tres grupos fue la intensidad aplicada en el proceso de shot peening; los resultados reflejan un comportamiento muy similar entre los grupos, lo que hace ver muy claro que tanto el cubrimiento como la intensidad son los dos parámetros mas importantes en un proceso de shot peening. Grafica 6. Curva Esfuerzo vs. ciclos-N Acero SAE 5160. Grupos 2A, 2B y 2C

En la grafica 6, se representa el comportamiento a fatiga de los grupos 2A, 2B y 2C, estos grupos fueron evaluados a distintos rangos de cubrimientos de shot peening y a un mismo grado de intensidad que fue de 17A. Los resultados demostraron que el grupo 2A, el cual presenta un cubrimiento total de shot peening fue el que mejor resultado obtuvo en el ensayo de fatiga. El grupo 2B obtuvo resultados intermedios como era de esperar ya que su cubrimiento de shot peening era parcial y por ultimo el grupo 2C que presento los valores de resistencia a fatiga mas baja con respecto a los otros grupos evaluados con shot peening, debido a que el cubrimiento que presentaba era el mas bajo.

67

Grafica 7. Curva Esfuerzo vs. ciclos-N Acero SAE 5160. Grupos NSP, 2C, 2B y CT.

El grafico anterior representa la curva esfuerzo vs ciclos, en el acero SAE 5160 evaluado a tres (3) niveles de esfuerzo. Los resultados dejan ver muy claro primero que todo que el proceso de shot peening aplicado en este acero incrementa de manera notable la resistencia a la fatiga del material, los resultados lo comprueban por ejemplo las probetas del grupo NSP sin shot peening no superan los cien mil ciclos en el nivel mas bajo de esfuerzo evaluado, mientras que los otros grupos que si presentan shot peening aumentan significativamente el numero de ciclos incluso llegan al zona catalogada como vida infinita en fatiga. Con respecto a los grupos que presentan shot peening, es claro que los grupos que tienen cubrimiento total marcan la diferencia con los resultados, es el caso de los grupos 1A, 2A y 3A, que para esta grafica se resumieron en un grupo llamado CT; ya que éstos incrementaron la resistencia a la fatiga en forma casi similar entre ellos.

68

8.3.1 Fractografias de probetas sin proceso de shot peening A continuación en las figuras 20, 21 y 22 se observa el comportamiento de las fracturas sufridas en las probetas sin proceso de shot peening y se identifica las fases de una falla por fatiga. Estas probetas se evaluaron a tres (3) diferentes esfuerzos, en un ensayo de fatiga a flexión a tres puntos. Figura 20. Probeta 1 sin shot peening a 0.8 Sut (1138.6 MPa).

Figura 21. Probeta 1 sin shot peening a 0.7 Sut (996.3 MPa).

69

Figura 22. Probeta 1 sin shot peening a 0.6 Sut (853.9 MPa).

La caracteristica mas relevante que se observa en el comportamiento de estas fracturas es su zona de propagacion o desgarre final es muy pronunciada en la que presenta el mayor esfuerzo aplicado que es la de la figura 20 y va disminuyendo en la medida que el valor del esfuerzo aplicado es menor. 8.3.2 Fractografias de probetas con proceso de shot peening a 0.8 Sut (1138.6 MPa). En las figuras 23, 24, 25, 26 y 27 se observa el comportamiento de las fracturas de las probetas con proceso de shot peening evaluadas en el ensayo de fatiga a tres puntos, bajo un esfuerzo de 1138.6 MPa. En la figura 23 se identifican claramente las fases de la falla, las cuales se comportan igual para el resto de probetas evaluadas bajo este esfuerzo.

Figura 23. Probeta 1A - Cubrimiento total

70



Figura 26. Probeta 2B - Cubrimiento parcial

71

Figura 27. Probeta 2C - Cubrimiento bajo

Como se aprecia en estas fracturas, el comportamiento de la falla es similar en todas ellas, se nota a primera vista marcas radiales que apuntan hacia el origen de la grieta, que en este caso se encuentra en la zona inferior de la probeta en la cual presenta el shot peening y es igual para todo el lote de probetas analizadas en este ensayo; una segunda zona que empieza donde finalizan las marcas radiales y es la zona de propagacion y por ultimo esta la zona de ruptura que se evidencia por tener una zona muy demarcada en la parte superior. 8.3.3 Fractografias de probetas con proceso de shot peening a 0.7 Sut (996.3 MPa) A continuacion en las figuras 28, 29, 30, 31 y 32 se aprecia las fases y el comportamiento de las fraturas de las probetas con shot peening a un esfuerzo de 996.3 MPa.

72




73

Figura 31. Probeta 2B - Cubrimiento parcial

Figura 32. Probeta 2C - Cubrimiento bajo

En el lado que se ha aplicado el Shot Peening se evidencian estrias o marcas radiales, producto de una alta concentración de esfuerzos sobre esta zona, a diferencia del lado opuesto donde no son evidentes dichas marcas. Igualmente las estrias son más pronunciadas en la medida que aumenta el cubrimiento. A medida que el esfuerzo aplicado disminuye, las estrias o marcas radiales se hacen menos visibles; pero siguen el mismo patron caracteristico como el de la figura 28.

74

8.4 RESULTADOS ANALISIS METALOGRAFICO Se realizó análisis metalografico a seis (6) muestras de cada uno de los grupos de probetas de acero SAE 5160 tratadas térmicamente y con proceso de shot peening, el análisis se realizó a 50X. En la figura 35 se observan los resultados analizados. Para develar la microestructura presente en este acero, fue necesario atacar químicamente las muestras con Nital al 2% y se encontró que la fase predominante en la superficie de las muestras es martensita revenida, fase característica de este acero, después de haber sido sometido a un tratamiento térmico de temple.

75

Figura 33. Estructura metalografica del acero SAE 5160 con diferentes parámetros de cubrimiento de shot peening. (Nital al 2% a 50x). a) Grupo 1A, b) grupo 2A, c) Grupo 2B, d) Grupo 2C, e) Grupo 3A, f) Grupo NSP.

a) b)

c) d)

e) f)

Martensita Revenida

76

8.4.1 Resultados Microdureza Vickers Acero SAE 5160 Posteriormente se midió tres (3) puntos de microdureza vickers a cada muestra; el primer punto a 1 mm de la superficie sometida a shot peening, el segundo punto a dos (2 mm) y el tercer punto a tres (3 mm), casi exactamente en el centro de la probeta (3 mm). Se obtuvo un promedio en el primer punto de 435 de dureza vickers (HV), en el segundo de 447 (HV) y en el tercero de 436 (HV). Los resultados de los análisis anteriores se muestran en la tabla 15 y en la grafica 6 se representa los datos en un diagrama. Cabe resaltar que las mediciones se hicieron en las probetas usadas en el análisis metalografico, pero estas muestras son pequeñas secciones transversales de las probetas fracturadas en las pruebas de fatiga. Tabla 15. Resultados de Microdureza Vickers acero SAE 5160 con shot peening.

Probeta Dureza HV punto 1

Dureza HV punto 2

Dureza HV punto 3

1A 426 443,5 428 2A 431,5 438,5 434,5 2B 436 449 447 2C 435,5 449 436,5 3A 449 458 438

NSP 430 445 431 Promedio por cada punto 434,67 447,17 435,83

Desviación Estándar 7,24 6,02 6,00

77

Grafica 8. Dureza Vickers vs. Profundidad Acero SAE 5160.

Según los resultados obtenidos es evidente un incremento de la dureza vickers en la medición dos (2) con un valor promedio de 447.17 HV. Que posiblemente sea por efecto de los esfuerzos de compresión generados por el shot peening.

78

9. CONCLUSIONES • Los resultados obtenidos en el ensayo de fatiga demuestran que los esfuerzos de compresión que se generan a través del shot peening aplicado en las probetas de acero SAE 5160, incrementa considerablemente la resistencia a la fatiga del material, si se comparan con los resultados de las probetas que no tienen el proceso de shot peening. • Los cubrimientos de shot peening evaluados en las probetas de acero SAE 5160 mediante el ensayo de fatiga determinaron que los grupos 1A, 2A y 3A presentaron los mejores resultados de resistencia a la fatiga, como era de esperarse por presentar un cubrimiento total de shot peening. • En las fractografías de las probetas con Shot Peening se evidenciaron estrias o marcas radiales, producto de una alta concentración de esfuerzos sobre esta zona, a diferencia del lado opuesto donde no son evidentes estas marcas. Tambien se observó que las estrias se presentan con mayor intensidad a medida que aumenta el cubrimiento.

79

10. RECOMENDACIONES • Medir los esfuerzos residuales de compresión generados por el shot peening en este acero mediante la técnica de difracción de rayos x, para complementar y justificar los resultados positivos que se obtuvieron en los ensayos de fatiga de esta investigación. • Esta investigación puede continuarse en otros aceros que son utilizados en la fabricación de resortes para automoviles, como el acero SAE 6150, para conocer su comportamiento ante el proceso shot peening y medir su resistencia a la fatiga.

80

BIBLIOGRAFÍA A.H. Burr, J.B. Cheathan, Mechanical Analysis and Design, PHI India Pvt. Ltd, 1997. Almen saturation curve [en línea]. Mishawaka, Indiana - USA: shotpeener.com, 2009 [consultado 25 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.shotpeener.com/learning/solver.php ASKELAND, Donald. Ciencia e Ingeniería de los Materiales: propiedades y comportamiento mecánico México: Grupo Editorial Thomson, 2004. 231 p. ASTM. Aceros. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. International E 8M-08 [en línea]. Cali: Universidad Autónoma de Occidente, 2009. [Consultado 5 de Septiembre, 2009]. Disponible en Internet: http://enterprise.astm.org/SUBSCRIPTION/filtrexx40.cgi?-P+cart+sjxd2035+/usr6/htdocs/newpilot.com/SUBSCRIPTION/REDLINE_PAGES/E8E8M.htm Fatigue Life Improvement of Tubular Welded Joints by Ultrasonic Peening [en linea]. Markham, Canada: International Institute Of Welding, 2009 [consultado 19 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.itlinc.com/pdf/41%20IIW-XIII-2117-06.pdf J.A.Porro, C. Molpeceres, M. Morales, J.L. Ocaña; Compressive residual stress field generation in aluminium 2024-t351 using laser shock processing, Opt. Pura Apl. 40 (1) 73-78 (2007). Improvement of Fatigue Strength of Metallic Materials by Cavitation Shotless Peening [en linea]. Wetzikon, Switzerland: Metal Finishing News, 2006 [consultado 1 de noviembre 2009] Disponible en Internet: http://www.mfn.li/article/?id=359 Introducción al Análisis de fatiga o durabilidad [en línea]. Bilbao – España: Iberisa de Ingeniería, 2009 [consultado 11 de septiembre 2009] Disponible en Internet: http://www.iberisa.com/soporte/fatiga/intro.htm

81

Introducción al proceso de Shot Peening [en línea]. Santa fe - Argentina: CYM Materiales S.A, 2009 [consultado 25 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.cym.com.ar/castellano/informes/shot-peening-introduccion.pdf Mejoramiento del proceso de granallado para resortes de ballesta utilizando medición de esfuerzos residuales por difracción de rayos x [en línea]. Bogota - Colombia: Revista Ingeniería e Investigación, 2009 [consultado 15 de septiembre 2009] Disponible en Internet: http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/643/64324306.pdf NORTON, Robert. Diseño de Maquinas: corrosión México: Grupo editorial Pearson Prentice Hall, 1999. 350 p. SHIGLEY, Joseph. Diseño en Ingeniería Mecánica: Introducción a la fatiga de metales México: Grupo editorial McGraw-Hill, 2002. Shot Peening [en linea]. Paramus NJ: Metal Improvement Company, 2009 [consultado 19 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.metalimprovement.com/shot_peening.php Tratamiento por martilleo ultrasónico [en línea]. Holanda: LEST Global, 2009 [consultado 19 de octubre 2009] Disponible en Internet: http://www.lets-global.com/Ultrasonic_Peening_Treatment_es.html Wheelabrator Group - Peening and Surface Engineering Solutions [en linea]. London – United Kingdom: Aerospace-Tecnology, 2010 [consultado 25 de febrero 2010] Disponible en Internet: http://www.osk-kiefer.de/images/graphiken/welle_888x414_neu_de.jpg

New TESIS SAE 5160red.uao.edu.co/bitstream/10614/1315/1/TME00451.pdf · 2019. 9. 18. · ESTUDIO DE...

Documents

Transcript of New TESIS SAE 5160red.uao.edu.co/bitstream/10614/1315/1/TME00451.pdf · 2019. 9. 18. · ESTUDIO DE...