Análisis De Los Materiales Utilizados En La

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

ANÁLISIS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN CIGÜEÑAL DE UN VEHÍCULO CHINO MARCA SAIC WULING MODELO MINI VAN PASAJEROS 1000CC MEDIANTE ENSAYOS DESTRUCTIVOS Y NO DESTRUCTIVOS

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

HERNÁN DARÍO VALENCIA RAMÍREZ

DIRECTOR: MSC. LENÍN OMAR VALENCIA MÉNDEZ

Quito, septiembre 2016

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE 172452804-5 IDENTIDAD: APELLIDOS Y VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO NOMBRES: SAN CARLOS (PEDRO DE ALVARADO N57 75 Y FERNANDEZ DIRECCIÓN: SALVADOR, BLOQUE HUMABI DEP. 102) EMAIL: [email protected] TELÉFONO FIJO: 2596922 TELÉFONO 0983087331 MOVIL:

DATOS DE LA OBRA

ANÁLISIS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN CIGÜEÑAL DE UN VEHÍCULO TITULO: CHINO MARCA SAIC WULING MODELO MINI VAN PASAJEROS 1000CC MEDIANTE ENSAYOS DESTRUCTIVOS Y NO DESTRUCTIVOS

AUTOR O AUTORES: VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE 2016-09-12 TITULACIÓN: DIRECTOR DEL PROYECTO DE MSC. LENÍN OMAR VALENCIA MÉNDEZ TITULACIÓN:

PREGRADO POSGRADO PROGRAMA X TITULO POR EL QUE INGENIERO AUTOMOTRIZ OPTA:

RESUMEN: Mínimo Se realizó el análisis de los materiales utilizados en la 250 palabras construcción de un cigüeñal de un vehículo chino marca Saic Wuling modelo mini van pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos, se utilizó los laboratorios de Metalurgia Extractiva, Metalografía, desgaste y falla, Análisis de Esfuerzos Y vibraciones, y el taller de Mecanizado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional por medio de probetas normalizadas internacionalmente bajo la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) por sus siglas en inglés. Se determinó el tipo de acero del cual está construido el cigüeñal con la caracterización teórica y experimental de las principales propiedades mecánicas.

Se llevó a cabo el análisis químico por espectrometría de chispa, el análisis metalográfico bajo el estándar ASTM A407-07, el ensayo de dureza Rockwell en la escala C bajo el estándar ASTM E13-16, dureza Brinell teórica bajo el estándar ASTM E10-15ª, dureza Vickers teórica bajo el estándar ASTM E92-16 que fueron confirmadas como verdaderas con el estándar SAE J417 para aceros de la industria automotriz, se desarrollaron los ensayos mecánicos destructivos de tracción o tensión bajo el estándar ASTM E8 del cual se construyó la curva Esfuerzo vs Deformación Ingenieril para verificar las propiedades mecánicas existentes en la zona elástica y plástica del material antes, durante y después del ensayo mecánico, se realizó el ensayo de impacto o método Charpy bajo el estándar ASTM E23 08 aɛ1.

Se elaboró una paridad en base a los resultados de la prueba de composición química, al ensayo metalográfico, ensayo de tracción y mapeo de durezas del cual se determinó que el material del objeto base de la investigación se trata de un acero de alto contenido de carbono que pertenece al estándar ASTM A29 en los grados 1055, 1059, 1060, 1064, 1065.

Cigüeñal Acero PALABRAS CLAVES: Ensayos no destructivos Metalografía Composición Química Tracción Charpy

Is has made the analysis of them materials used in the construction of a crankshaft of a vehicle Chinese brand Saic Wuling model minivan passengers 1000cc through trials destructive and not destructive, is used them laboratories of metallurgy extractive, metallography, wear and failure, analysis of efforts and vibrations, and the workshop of machining of the Faculty of engineering mechanical of the Escuela Politecnica National by means of specimens standard internationally low it society American for tests and materials (ASTM) for its acronym in English. Determined the type of steel which is built the crankshaft with the theoretical and experimental characterization of the main mechanical properties.

Was conducted chemical analysis by mass spectrometry of spark, the metallographic analysis under the standard ASTM ABSTRACT: A407-07, the Rockwell scale hardness test C under standard

ASTM E13-16, theoretical standard Brinell hardness ASTM E10- 15th, Vickers hardness theoretical standard ASTM E92-16 were confirmed as true with the standard SAE J417 for automotive steels , developed the destructive mechanical testing of traction or tension under the standard ASTM E8 which was built the effort curve vs deformation engineering to verify the mechanical properties in the elastic and plastic zone of material before, during and after the mechanical test, was the trial's impact or Charpy method under the standard ASTM E23 08 aɛ1.

Was a parity based on the test results of chemical composition, essay metallographic, tensile testing and mapping of hardness which determined that the material of the object the research base is a steel of high carbon content that belongs to the standard ASTM A29 in 1055, 1059, 1060 and 1064 grades 1065.

Crankshaft KEYWORDS Steel

Destructive Testing Non Destructive Testing Metallography Chemical Compositión Tractión Charpy

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

f: VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO 172452804-5

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO CI: 1724528045 autor del proyecto titulado: Análisis de los materiales utilizados en la construcción de un cigüeñal de un vehículo chino marca Saic Wuling modelo mini van pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos, previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría;

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

Quito, 12 de septiembre del 2016

f: HERNÁN DARÍO VALENCIA RAMIREZ C.I. 1724528045 DECLARACIÓN

Yo VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

HERNÁN DARÍO VALENCIA RAMÍREZ C.I. 172452804-5

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis de los materiales utilizados en la construcción de un cigüeñal de un vehículo chino marca SAIC Wuling modelo Mini Van Pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Hernán Darío Valencia Ramirez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.

Msc. Lenin Omar Valencia Méndez DIRECTOR DEL TRABAJO C.I. 171152271-2

DEDICATORIA

Al pensar en dedicatoria lo único que se me viene a la mente son mis padres, por ellos es que he llegado tan lejos y he logrado esto ellos son todo para mi vida, por y para ellos va dedicado esto, por cumplir una meta, un objetivo, un sueño, para ustedes amados Marcia Ramírez y Luis Valencia. A mi hermosa madre por su amor, abnegación y apoyo incondicional por estar a mi lado siempre, pese a los malos momentos que tuve que superar, siempre has estado ahí para mí para darme ánimo cuando no podía más, cuando estuve a punto de rendirme tú ejemplo siempre me dio la fortaleza para llegar hasta este objetivo. A mi padre que es mi mayor ejemplo de trabajo, entrega y superación porque nunca faltó nada en la casa, siempre me inculcó a mí y a mi hermano lo importante que es ser un buen hombre y en especial un buen hijo, siempre recordare lo duro que trabajaste para poder sacar mi carrera adelante, valoro inmensamente cada sacrificio económico que hiciste por mí, hoy gracias a eso soy Ingeniero querido papá. A mi querida familia que cuando más lo necesite me supieron brindar el apoyo, moral, económico, sin ustedes no hubiese podido culminar mi carrera. A todas las personas que se han visto involucradas en la culminación de este objetivo, a mis profesores de la Universidad Tecnológica Equinoccial en la facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias, a mis amigos y compañeros de aula.

AGRADECIMIENTOS

A Dios por concederme la vida, por regalarme a los mejores padres del mundo, por bendecirme con las personas que me rodean, y en especial por haber hecho de mí una buena persona. A mis padres por su apoyo incondicional, porque siempre estuvieron a mi lado brindándome todo lo que necesite para poder cumplir con este ¡nuestro sueño! A mi hermano Gabriel Valencia por todo su cariño y por motivarme a terminar este trabajo, la presión de ser tu ejemplo me dio más fuerzas para terminar mi carrera, sé que también serás un gran profesional querido hermano. A Mireya Porozo porque desde hace tres años se convirtió en mi complemento, apoyo, y fortaleza es quien a diario me brindado su ayuda que junto con emotivas palabras ha hecho de mí una mejor persona, estudiante, e hijo, este logro es el primer paso para lograr todo lo que soñamos. A mis angelitos de cuatro patas Rex y Sashita, por estar conmigo en cada desvelo mostrándome su amor incondicional. Un agradecimiento especial para: Ing. Patricia Proaño especialista del laboratorio de metalurgia de la (EPN), al director de mi tesis Msc. Lenin Valencia por su tiempo y dedicación prestada, al Msc Armando Revelo por su apoyo durante mis pasantías en el taller de Ingeniería Automotriz, a los señores, Msc. Carlos Rosales y Msc Juan Carlos Lucero, por su colaboración y asesoría durante la elaboración del trabajo de grado, al Msc. Edwin Tamayo por sus incesantes consejos no solo académicos sino también personales, y al Msc. Alexander Peralvo que confío en mi para poder realizar mis pasantías en el taller de la universidad durante mi ciclo como estudiante, un grupo no solo de excelentes profesionales sino de mejores personas y seres humanos ¡muchas gracias!.

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN xv

ABSTRACT xvii

1. INTRODUCCIÓN 1

2. MARCO TEÓRICO 4

2.1. EL MOTOR 4 2.1.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS 6 2.1.1.1. Elementos fijos 6 2.1.1.2. Elementos móviles 8 2.2. EL CIGÜEÑAL 9 2.2.1. CRITERIOS DE DISEÑO 10 2.2.1.1. Rigidez 10 2.2.1.2. Dureza 10 2.2.1.3. Elasticidad 11 2.2.1.4. Resistencia a la fatiga 11 2.2.1.5. Resistencia a la rotura 11 2.2.1.6. Esfuerzos Principales 11 2.2.1.7. Equilibrio del cigüeñal 14 2.3. MATERIALES 16 2.3.1. CIGÜEÑALES MONOLÍTICOS 17 2.3.2. CIGÜEÑALES ENSAMBLADOS 18 2.4. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 19 2.5. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS 20 2.5.1. CONTRAPESOS 21

2.5.2. APOYOS 21 2.5.3. MUÑEQUILLAS 21 2.5.4. EL BRAZO O MANIVELA 21 2.5.5. COJINETES DE APOYO 22 2.5.6. COJINETES AXIALES 22 2.6. TIPOS DE CIGÜEÑAL 23 2.6.1. EL CIGÜEÑAL MONOLÍTICO 23 2.6.2. EL CIGÜEÑAL ENSAMBLADO 24 2.7. EL ACERO 25 2.7.1. IDENTIFICACIÓN DE LOS ACEROS 25 2.7.1.1. Sistemas Numéricos 25 2.7.1.2. Código de color 27 2.7.1.3. Prueba de la chispa 28 2.7.2. PROPIEDADES GENERALES DE LOS ACEROS 28 2.7.2.1. Propiedades físicas 28 2.7.2.2. Propiedades químicas 30 2.7.2.3. Propiedades mecánicas 31 2.7.3. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO 34 2.7.4. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS 36 2.7.4.1. Aceros al carbón 36 2.7.4.2. Aceros Aleados 36 2.7.4.3. Aceros inoxidables 37 2.7.4.4. Aceros estructurales y para herramientas 39 2.7.4.5. Aceros de Alto límite elástico (HSS) 39 2.7.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS 40 2.8. ENSAYO DE MATERIALES 42 2.8.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 42 2.8.1.1. Ensayo de dureza 43 2.8.2. ENSAYOS DESTRUCTIVOS 48 2.8.2.1. Ensayo por tracción 49 2.8.2.2. Ensayo de fatiga 55 2.8.2.3. Ensayo de compresión 58

2.8.2.4. Ensayo de flexión o plegado 59 2.8.2.5. Ensayo de torsión 60 2.8.2.6. Ensayo de impacto o resiliencia 61 2.8.3. PRUEBA METALOGRÁFICA 65 2.8.4. ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA 65 2.9. ERROR Y REPRODUCTIBILIDAD EN LA MEDICIÓN 66

3. METODOLOGÍA 68

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 79

4.1. DISEÑO DEL PROCESO EXPERIMENTAL 79 4.1.1. MODELO OPERATIVO DE LA INVESTIGACIÓN 79 4.2. DESARROLLO DEL PROCESO EXPERIMENTAL 79 4.2.1. ELECCIÓN PREELIMINAR DE LA MARCA DEL VEHÍCULO BASE DE LA INVESTIGACIÓN 80 4.2.2. DETERMINACIÓN DEL ELEMENTO PARA EL ANÁLISIS 83 4.2.3. ADQUISICIÓN DEL MATERIAL A PRUEBA 84 4.2.4. EXTRACCIÓN DE LAS PROBETAS 86 4.2.4.1. Probetas para el análisis químico 86 4.2.4.2. Probetas metalográficas 87 4.2.4.3. Probetas para el ensayo de dureza 95 4.2.4.4. Probetas para el ensayo de tracción 95 4.2.4.5. Probetas para el ensayo Charpy 101 4.3. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS 105 4.3.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA 105 4.3.1.1. Equipo utilizado 105 4.3.1.2. Resultados obtenidos 106 4.3.2. METALOGRAFÍA 108 4.3.2.1. Procedimiento previo al análisis metalográfico 108 4.3.2.2. Equipos utilizados 110 4.3.2.3. Resultados del análisis metalográfico 111

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4.3.3. ENSAYO DE DUREZA 115 4.3.3.1. Procedimiento del ensayo de dureza Rockwell C 115 4.3.3.2. Equipos / Maquinas Utilizadas 117 4.3.3.3. Cálculos de dureza 118 4.3.3.4. Resultados y discusión 121 4.3.4. ENSAYO DE TRACCIÓN 123 4.3.4.1. Procedimiento para la elaboración del ensayo 123 4.3.4.2. Equipos / Maquinas Utilizadas 125 4.3.4.3. Cálculos realizados 126 4.3.4.4. Diagrama real Esfuerzo vs Deformación ingenieril 139 4.3.4.5. Análisis del acero de construcción del material base de la investigación 144 4.3.4.6. Análisis de la fractura 149 4.3.5. ENSAYO CHARPY 152 4.3.5.1. Procedimiento para la elaboración del ensayo Charpy 152 4.3.5.2. Equipos / Maquinas Utilizadas 154 4.3.5.3. Cálculos realizados 154 4.3.5.4. Análisis de fractura 161 4.3.6. ANÁLISIS DE ERROR Y REPRODUCTIBILIDAD 163 4.3.6.1. Error para el ensayo de dureza Rockwell C 163 4.3.6.2. Error para el ensayo de tracción 164 4.3.6.3. Error para el ensayo de impacto o Charpy 168

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 172

5.1. CONCLUSIONES 172 5.2. RECOMENDACIONES 174

NOMENCLATURA O GLOSARIO 175

BIBLIOGRAFÍA 181

ANEXOS 191

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA Tabla 1. Clasificación de los motores térmicos 5 Tabla 2. Tipos de aceros utilizados para la construcción de cigüeñales 16 Tabla 3 . Composiciones químicas de los materiales del cigüeñal (%) (Monolítico) 18 Tabla 4. Tipos de aceros utilizados para la construcción de los cigüeñales ensamblados 19 Tabla 5.Tipos de cigüeñales monolíticos 24 Tabla 6. Clasificación de los materiales metalúrgicos, según el Sistema Numérico 26 Tabla 7. Sistema numérico para la identificación de Aceros 27 Tabla 8. Coeficientes de las propiedades físicas de los metales 30 Tabla 9. Fases del diagrama Hierro-Carbono 35 Tabla 10. Clasificación de los aceros al carbóno 36 Tabla 11. Aceros aleados y sus características 37 Tabla 12. Clasificación de los aceros inoxidables 38 Tabla 13. Aceros estructurales y para herramientas 39 Tabla 14. Aceros de Alto límite elástico (HSS) 40 Tabla 15. Tratamientos térmicos en el acero 41 Tabla 16. Ensayos no destructivos 43 Tabla 17. Especificaciones del ensayo Rockwell de dureza 45 Tabla 18. Parámetros para le ensayo de dureza Brinell 46 Tabla 19. Dureza Brinell para aceros al carbono tratados térmicamente 47 Tabla 20. Puntos de porcentaje, distribución Student (extracto) 67 Tabla 21. Mayores productores y vendedores de automotores del mundo (2015) 80 Tabla 22. Importación de vehículos por país de Origen para Ecuador (2015) 81

Tabla 23. Resumen de la industria Automotriz en el Ecuador de los últimos seis años en unidades 81 Tabla 24. Ventas de vehículos de todas las marcas en el Ecuador 82 Tabla 25. Ficha técnica Furgoneta Saic Wuling Modelo Mini Van súper 6376 de 1000cc 85 Tabla 26. Especificaciones técnicas del cigüeñal base de la investigación 86 Tabla 27. Cortadora de disco 89 Tabla 28. Desbastadora de disco (desbaste grueso) 90 Tabla 29. Banco de pulido 92 Tabla 30. Pulidora de paño (pulido grueso y fino) 93 Tabla 31. Sierra mecánica 97 Tabla 32. Torno horizontal 100 Tabla 33. Rectificadora de superficies planas 103 Tabla 34. Limadora mecánica 104 Tabla 35. Espectrómetro de chispa 105 Tabla 36. Composición química del cigüeñal Saic Wuling 106 Tabla 37. Microscopio Metalúrgico 110 Tabla 38. Análisis metalográfico del contrapeso y del muñón 111 Tabla 39. Durómetro 117 Tabla 40. Durezas obtenidas teóricamente 121 Tabla 41. Valores de dureza obtenidos experimentalmente en el Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla 122 Tabla 42. Máquina universal para ensayos mecánicos 125 Tabla 43. Resultados del ensayo de tracción 132 Tabla 44. Propiedades básicas de los aceros ASTM A29, grados 1050-1065 145 Tabla 45. Estándar ASTM/SAE 1064 149 Tabla 46. Microscopio para análisis macrográfico 150 Tabla 47. Máquina universal para ensayos de impacto 154 Tabla 48. Promedios reales del ensayo de dureza Rockwell C 163

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Tabla 49. Error y reproductibilidad para el ensayo de dureza Rockwell C 164 Tabla 50. Promedios reales para la resistencia máxima a la tracción 165 Tabla 51. Promedios reales para el porcentaje de elongación 166 Tabla 52. Error y reproductibilidad para la resistencia máxima a la tracción 167 Tabla 53. Error y reproductibilidad para el porcentaje de elongación 168 Tabla 54. Promedios reales para la energía de impacto 169 Tabla 55. Error y reproductibilidad para la energía de impacto 170

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ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA Figura 1. Motor de combustión interna alternativo de ciclo Otto 4 Figura 2. Elementos fijos y móviles del motor de combustión interna 9 Figura 3. El cigüeñal 10 Figura 4. Esfuerzo de torsión 12 Figura 5. Esfuerzo de Flexión (a) de tres puntos, (b) de cuatro puntos 13 Figura 6. Esfuerzo de tracción en el cigüeñal 14 Figura 7. Esfuerzo de Compresión 14 Figura 8. Mecanizado del cigüeñal 20 Figura 9. Componentes del cigüeñal 20 Figura 10. Cigüeñal monolítico (forjado) para un motor de cuatro tiempos 23 Figura 11. Cigüeñal ensamblado 24 Figura 12. Código de colores en la identificación de aceros 27 Figura 13. Gráfica del comportamiento del acero y sus propiedades mecánicas 31 Figura 14. Diagrama de fase hierro-carburo de hierro 34 Figura 15. Durómetro digital universal DUD-500 44 Figura 16. Esquema del montaje de la probeta en la máquina universal para el ensayo de tracción 49 Figura 17. Dimensiones de la probeta de superficie plana para el ensayo de tracción 50 Figura 18. Fáses del ensayo de tracción 51 Figura 19. Curva Esfuerzo-Deformacion típica para aceros 52 Figura 20. Probeta plana para el ensayo de fatiga bajo el estándar ASTM E 466 56 Figura 21. Esquema del ensayo de fatiga por viga voladiza rotativa 57 Figura 22. Cuerva S-N característica para dos metales 57 Figura 23. Ensayo de compresión 58

Figura 24. Gráfico del ensayo de compresión 59 Figura 25. Esquema del ensayo de flexión de tres puntos 60 Figura 26. Ensayo de torsión realizado en un eje de transmisión 60 Figura 27. Esquema del ensayo de impacto Charpy 61 Figura 28. Dimensiones de la probeta para el ensayo Charpy 62 Figura 29. Furgoneta Saic Wuling Modelo mini van 1000cc 84 Figura 30. Desmontaje del cigüeñal (A) bloque motor (vista frontal), 85 Figura 31. Cuantificación dimensional de cigüeñal por medio de un micrómetro de exteriores de 50-75 mm 86 Figura 32. Delimitación de zonas para la elaboración de las pruebas 87 Figura 33. Probetas para ensayo de composición química 87 Figura 34. Esquema del proceso de elaboración de las probetas metalográficas 88 Figura 35. Probetas metalográficas 88 Figura 36. (A) Impregnación de alcohol, (B) secado de las probetas M1 y M2 89 Figura 37. Desbaste grueso para las probetas metalográficas 90 Figura 38. Pulido fino de la probeta M1 91 Figura 39. (A) Probeta M2 con el aglutinante seco, (B) Aglutinante en el molde en estado líquido 92 Figura 40. (A) Pulido grueso para M1 (B) Pulido grueso para M2 93 Figura 41. (A) Pulido fino con agua para M1, (B) Pulido fino con agua para M2 94 Figura 42. Revisión microscópica de la probeta M1 94 Figura 43. (A) Probeta M1, (B) Probeta M2 pulidas completamente 95 Figura 44. Esquema de extracción y mecanización de las probetas para el ensayo de tracción 96 Figura 45. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción según el estándar ASTM E8 96 Figura 46. Delimitación del área para la extracción de las probetas T1 y T2 97

Figura 47. (A) Montaje del cigüeñal en la sierra mecánica, (B) corte trasversal del muñón de biela 98 Figura 48. (A) Cigüeñal cortado en secciones, (B) figura base de las probetas 98 Figura 49. Rectificado de la superficie trasversal de las probetas T1 y T2 99 Figura 50. Cilindrado de la probeta de tracción 100 Figura 51. (A) Probeta de tracción T1, (B) Probeta de tracción T2 101 Figura 52. Proceso de extracción de las probetas para el ensayo Charpy 101 Figura 53. Dimensiones de las probetas Charpy según el estándar ASTM E23 08 aɛ1 102 Figura 54. Delimitación del área para la extracción de las probetas CH1 y CH2 102 Figura 55. Material base para las probetas CH1 y CH2 103 Figura 56. Probetas CH1 y CH2 acabadas 104 Figura 57. Grado de designación y composición química de aceros con alto contenido de carbono 107 Figura 58. (A) Ataque químico de la probeta M1, (B) Exposición de la probeta M1 al agua 108 Figura 59. Probetas metalográficas opacas después del ataque químico (A) probeta M1, (B) probeta M2 109 Figura 60. Análisis metalográfico de la Probeta M2 109 Figura 61. Metalografía del contrapeso (M1), a 100X inclusiones no metálicas con un tamaño promedio de 8.28 micras (μm) 112 Figura 62. Metalografía del contrapeso (M1) a 100X 112 Figura 63. Metalografía del contrapeso (M1) a 500X 113 Figura 64. Metalografía del muñón (M2) a 100X con inclusiones no metálicas con un tamaño promedio de 24.2 micras (μm) 114 Figura 65. Metalografía del muñón (M2), acero de medio contenido de carbono, microestructura correspondiente a martensita revenida. 100X 114

Figura 66. Metalografía del muñón (M2) a 500X 115 Figura 67. Prueba de dureza Rockwell C, (A) probeta D1, (B) probeta D2 116 Figura 68. Probetas de dureza luego del ensayo, (A) D1, (B) D2 117 Figura 69. Comparación teórica-real de las durezas Rockwell C de las probetas D1 y D2 122 Figura 70. (A) Verificación dimensional de la probeta T1, (B) Calibrado de las probetas T1 y T2 123 Figura 71. (A) Montaje de la probeta T1 en la máquina universal de ensayos, (B) probeta T2 en ensayo de tracción 124 Figura 72. (A) Probeta T2 ensayada, (B) probetas T1 y T2 después del ensayo de tracción 125 Figura 73. Límite elástico para T1 y T2 127 Figura 74. Deformación Ingenieril teórica - Deformación Ingenieril real para T1 y T2 129 Figura 75. Módulo de Young E de diferentes materiales (editado) 131 Figura 76. Resistencia Máxima a la tracción teórica - Resistencia Máxima a la tracción experimental 133 Figura 77. Porcentaje de elongación teórico – Porcentaje de elongación real en 25 mm 135 Figura 78. Porcentaje de reducción del área de la probeta T1 y T2 137 Figura 79. Carga máxima de rotura de las probetas T1 y T2 139 Figura 80. Diagrama Esfuerzo Vs Deformación ingenieril para T1 140 Figura 81. Diagrama Esfuerzo Vs Deformación ingenieril real para T2 142 Figura 82. Resistencia máxima a la tracción extraída de manera teórica y real vs Resistencia mínima y máxima a la tracción de los aceros A29 grados 1055-1065 146 Figura 83. Dureza Rockwell C extraída de carácter teórico y experimental vs Dureza Rockwell C de los aceros A29 grados 1055-1065 147 Figura 84. Dureza Brinell extraída de carácter teórico y experimental vs Dureza Brinell de los aceros A29 grados 1055-1065 148

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Figura 85. Macrografía, vista lateral de la fractura en la Probeta T1 151 Figura 86. Macrografía, vista frontal de la sección de rotura en la probeta T2 151 Figura 87. Montaje de la probeta CH1 en la máquina de ensayos de impacto 152 Figura 88. Ensayo Charpy en ejecución 153 Figura 89. Probetas CH1 y CH2 posterior al ensayo de impacto o Charpy 153 Figura 90. Energía de impacto para las probetas CH1 y CH2 155 Figura 91. Trabajo residual del péndulo 157 Figura 92. Trabajo absorbido por CH1 y CH2 158 Figura 93. Resiliencia para CH1 y CH2 160 Figura 94. Macrografía, vista frontal de la fractura de la probeta CH1 162 Figura 95. Macrografía, vista frontal de la fractura de la probeta CH2 162

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ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA Anexo 1. Elementos constructivos del motor térmico de combsutión interna alternativo 191 Anexo 2. Tablas de equivalencias internacionales de la industria metalúrgica (aceros griñon) 192 Anexo 3. Características generales de los métodos de ensayo de dureza y fórmulas para calcular la dureza 198 Anexo 4. Tabla 2-3 escala de dureza rockwell y sus usos 199 Anexo 5. Tabla para convertir diferentes escalas de dureza del estandar SAE j417 200 Anexo 6. Norma ASTM e8 202 Anexo 7. Norma ASTM e23-07ªɛ1 230 Anexo 8. Cronograma general de actividades 256 Anexo 9. Desarrollo de actividades 257 Anexo 10. Informe del departamento de metalurgia extractiva del la EPN 259 Anexo 11. Informe técnico del Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla de la EPN 259 Anexo 12. Informe técnico del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la EPN 265 Anexo 13. Informe de calibración de la máquina de ensayos de tracción de la EPN 267

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RESUMEN

Para la elaboración de la presente investigación se utilizó los laboratorios de la Escuela Politécnica Nacional (EPN), en los cuales se emplearon probetas normalizadas bajo la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM), esta investigación nació tras la necesidad de conocer los materiales de los cuales están hechos los motores de los automóviles chinos del fabricante Saic Motors, en específico del cigüeñal de la furgoneta modelo mini van pasajeros de hasta 1 000cc, que han ingresado a la República del Ecuador ya que por conocimientos empíricos, constantes en rectificadoras y talleres de la ciudad este tipo de vehículos suelen averiase con mucha frecuencia, se llevó a cabo el análisis químico por espectrometría de chispa del cual el contenido de carbono del material fue de 0.68%, el análisis metalográfico bajo el estándar ASTM A407-07 concluyó que el material presenta una estructura de martensita revenida con alto contenido de carbono, se efectuó el ensayo de dureza Rockwell en la escala C bajo el estándar ASTM E13-16 del cual el material presenta una dureza de promedio 25HRC equivalente a 260.36 HB en escala Brinell determinado teóricamente bajo el estándar ASTM E10-15a y de 278.963VH en escala Vickers establecido teóricamente bajo el estándar ASTM E92-16 que fueron confirmadas como verdaderas con el estándar SAE J417 para aceros de la industria automotriz, se desarrollaron los ensayos mecánicos destructivos de tracción bajo el estándar ASTM E8 en el cual el límite elástico del objeto a prueba es de 855.135MPa que se confirmó como verdadero tras la realización de la curva Esfuerzo vs Deformación Ingenieril, se determinó la resistencia máxima a la tracción de 975.03 MPa en estado revenido y de impacto o método Charpy bajo el estándar ASTM E23 08 aɛ1, del cual el principal parámetro es la energía de impacto que resulto de 69.15J dictaminando que se trata de un acero dúctil pero de elevada tenacidad, esta afirmación fue confirmada mediante un análisis de la rotura de las probetas de tracción y de impacto mediante macroscopía. En base a la composición química y al ensayo metalográfico se determinó que el material del objeto base de la investigación se trata de un acero con alto contenido de carbono que

pertenece al estándar ASTM A29 en los grados 1055, 1059, 1060, 1064, 1065, y de acuerdo a las propiedades mecánicas el acero es un ASTM A29 de grado 1064.

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ABSTRACT

In the elaboration of this research, is have used them laboratories of the Escuela Politécnica Nacional (EPN), in which is employed specimens standard under the American society for testing and materials (ASTM). This research was born the need to know the materials of which automobile engines are made after Chinese manufacturer Saic Motors that have entered the Republic of Ecuador since empirical knowledge, constant in grinding machines and workshops of the city such vehicles are usually averiase very often, was conducted chemical analysis by mass spectrometry of spark that the carbon content of the material was 0.68% under the standard ASTM A407-07 metallographic analysis concluded that the material presents a structure of martensita tempered containing medium carbon, was the trial of Rockwell hardness scale C under standard ASTM E13-16 which the material has a hardness of average equivalent to 260.36 25HRC scale Brinell HB theoretically determined under the standard ASTM E10-15a and 278. 963VH scale Vickers theoretically established under the standard ASTM E92-16 were confirmed as true with the standard SAE J417 for automotive steels, developed the destructive mechanical testing of traction under the standard ASTM E8, in which the elastic limit of the test object is 855. 135MPa which is confirmed as true following the completion of the effort curve vs deformation engineering, determined the maximum tensile strength of 975.03 MPa at tempered status and impact or Charpy method under the standard ASTM E23 08 to Ɛ1, of which the main parameter is energy of impact resulting from 69. 15J ruling that it is a ductile steel but of high tenacity, this statement was confirmed by an analysis of the rupture of the specimens of tensile and impact through macroscopic. Based on the composition chemical and to the essay metallographic is determined that the material of the object base of the research are is of a steel of average content of carbon that belongs to the standard ASTM A29 in them degrees 1055, 1059, 1060, 1064, 1065, and according to them properties mechanical the steel is an ASTM A29 of grade 1064.

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INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCCIÓN

La industria automotriz y la metalurgia se encuentran en constante innovación debido a la gran demanda que existe en el campo de la manufactura automovilística ya que esta busca nuevas aleaciones de acero con altísimas prestaciones de calidad, con mejores propiedades físicas (fusibilidad, calor específico, dilatabilidad, conductividad térmica y eléctrica), propiedades químicas (resistencia a la oxidación y corrosión) y sobre todo mejores propiedades mecánicas (tenacidad, plasticidad, ductilidad, elasticidad, estricción, fragilidad, maquinabilidad, fluencia) para la construcción de elementos fijos, móviles y mecánicos. El pleno funcionamiento del automotor está ligado a la calidad de los materiales con los cuales fue construido y en específico el motor que es el elemento más importante del vehículo, el cual debe cumplir normas estrictas de calidad, de funcionamiento, de montaje, y de acople; los aceros que se emplean para la construcción de los elementos fijos y móviles poseen excelentes propiedades mecánicas, químicas y físicas en general. El motor de combustión interna posee diversos componentes estructurales importantes y vitales durante el funcionamiento normal del vehículo, tal es el caso del cigüeñal que es el encargado de soportar las cargas físicas de fuerza y presión que se producen en el tiempo de combustión y que son trasmitidas a este a través de la biela que está sujeta a los pistones por medio del bulón, para esto es viable la investigación planteada en la cual el objetivo principal de la presente investigación es: el análisis de los materiales utilizados en la construcción de un cigüeñal de un vehículo chino marca SAIC Wuling modelo Mini Van Pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos bajo las normas internacionales dictaminada por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) por sus siglas en inglés, con la finalidad de determinar las propiedades mecánicas del material base de la investigación. Históricamente los ciudadanos que residen en la República del Ecuador han preferido la adquisición y el uso de vehículos de origen alemán, japonés, estadounidense o francés según la Asociación de Empresas Automotrices del

Ecuador (AEDE), debido a parámetros circunstanciales cómo preferencia de marcas, poder adquisitivo, modos de pago, nuevos modelos, innovación de las marcas etc. Pero desde hace algunos años y por beneficio directo de las políticas internas de la República del Ecuador se han visto afectadas estas marcas seculares que han reducido sus ventas anuales, con el ingreso abundante y paulatinamente creciente de vehículos de procedencia china que en año 2015 fue de 33 640 automotores estos han ganado espacio en el competitivo mercado automotriz ecuatoriano principalmente por los precios relativamente más bajos que de los competidores habituales, ganando así adeptos que han adquirido estos vehículos, tanto es la demanda de estos automotores del gigante asiático, que hoy se puede encontrar estos automotores en casas comerciales como Chery antiguamente Cinascar S.A, Mecanosolvers y Savain (Ex Lada), Accpass, Autochina, Ambacar (vendedor de Mazda), siendo la primera mencionada la marca china más demanda en el año 2015 con 1 095 unidades vendidas con los modelo N6376 y N200 de su filial Saic Wuling encabezando la lista. Se decide utilizar el fabricante Saic Wuling importado por Cinascar S.A ahora Chery del Ecuador como centro de la investigación. Para que se puedan caracterizar las propiedades mecánicas del objeto a prueba se identificó la composición química del acero de construcción del cigüeñal del vehículo Saic Wuling, mediante espectrometría por chispa en el taller de Metalurgia extractiva. Se analizó el tipo de microestructura presente en el cigüeñal objeto de la investigación mediante el análisis metalográfico y micrográfico elaborado en el laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla bajo el estándar ASTM A407- 07. Se verifico las principales propiedades mecánicas (dureza, resistencia máxima a la tracción o tensión, límite de fluencia, energía de impacto) que posee el acero del cual fue construido el objeto a prueba, mediante el ensayo de dureza Rockwell en escala C bajo el estándar ASTM E18-16, el ensayo de tracción bajo el estándar ASTM E8 y el ensayo de impacto o Charpy bajo el estándar ASTM E23-07aɛ1 de los cuales los dos últimos fueron realizados en

el laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Escuela Politécnica Nacional. Finalmente se determinó la clasificación ASTM de acero, el grado según el porcentaje de Carbono y la comparación de las propiedades mecánicas obtenidas tras la investigación para determinar si el acero con el cual fue construido el material base es el ideal.

MARCO TEÓRICO

2. MARCO TEÓRICO

2.1. EL MOTOR

De forma general “el motor es una máquina que transforma cualquier tipo de energía que se le aplique, en energía mecánica” (Arias Paz, 2004, pág. 53). Para darle una definición más adecuada en el contexto automotriz se define como: Un motor térmico de combustión interna alternativo o rotativo que puede ser de encendido provocado (ciclo Otto), o de encendido por compresión (ciclo Diesel), que transforma la energía térmica presente en un combustible, en energía mecánica (potencia) para proporcionar un trabajo (movimiento). Está compuesto por una gran cantidad de elementos y sistemas auxiliares como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Motor de combustión interna alternativo de ciclo Otto (Ikonet, 2016)

Los motores térmicos de combustión interna alternativos se pueden clasificar de acuerdo a varios criterios como lo muestra la tabla 1.

Tabla 1. Clasificación de los motores térmicos TIPO DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS

La mezcla estequiométrica (aire-combustible) detona por una chispa producida por la bujía Ciclo Otto El ciclo de trabajo consta de cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Explosión y Escape El aire es comprimido en el interior del cilindro, se Según el ciclo inyecta el combustible, y este se autoinflama por las altas temperaturas Ciclo Diesel Funciona con elevadas cargas de presión y temperatura El ciclo de trabajo consta de cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Expansión y Escape Motores de dos Según el Completan un ciclo por cada vuelta del cigüeñal tiempos número de Motores de ciclos Completan un ciclo por cada dos vueltas del cigüeñal cuatro tiempos Motores Llamados de aspiración natural Según la atmosféricos presión de Motores admisión sobrealimentado Utiliza un turbocompresor s Puede tener de 4 a 6 cilindros ubicados uno detrás del En línea otro Son dos motores en línea, unidos angularmente por un Según el En V número y solo cigüeñal Similar al motor en V pero con un ángulo de disposición En VR de los inclinación de los cilindros mayor cilindros En W Utilizado mayormente por la marca Volkswagen

Opuestos o Es un motor más compacto Boxer Delantero Favorece a la refrigeración del motor Según la transversal ubicación en Delantero Favorece a un mejor reparto de la masa del automóvil el vehículo longitudinal Central Para vehículos deportivos

El presente trabajo se enfocó en el motor térmico de combustión interna alternativo de ciclo Otto ya que el cigüeñal; que es la base del estudio proviene de un motor a gasolina.

2.1.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS

El Motor está compuesto por una serie de elementos y mecanismos esenciales para el pleno funcionamiento del mismo, para fines técnicos se dividió en dos grupos: los elementos fijos y elementos móviles. Ver ANEXO I. A continuación se describirá los elementos más importantes del motor térmico de ciclo Otto del automóvil.

2.1.1.1. Elementos fijos

2.1.1.1.1. Bloque

Es el elemento hecho de una fundición gris, o una fundición de aluminio, que tiene como misión alojar a los elementos fijos y móviles, está diseñado para soportar todas las cargas que se generan durante el régimen normal de funcionamiento del motor de combustión interna, pudiendo ser estas mecánicas o térmicas. Es un elemento robusto, que posee una elevada rigidez estructural, elevada conductividad térmica, resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, luego de su fundición se realizan perforaciones estratégicamente localizadas para facilitar su lubricación.

2.1.1.1.2. Culata

Es el elemento que va montado en la parte superior del bloque, antepuesto por la junta de la culata (empaque de culata) que asegura la estanqueidad entre dicho elemento y el bloque por medio de pernos, está construida por fundición de hierro con aleaciones de cromo y níquel, pero en la actualidad la mayoría de fabricantes prefieren utilizar aleaciones de aluminio, este elemento

proporciona un cierre casi perfecto para los cilindros, debe ser resistente a la presión de gases, poseer una buena capacidad para evacuar la temperatura, una gran estanqueidad (para no dejar escapar los gases de combustión), un alto coeficiente de dilatación y de resistencia mecánica. La culata para motores de ciclo Otto y Diesel son totalmente diferentes debido a la geometría de la cámara de combustión de cada uno.

2.1.1.1.3. Tapa de balancines

Es el elemento que va montado en la parte superior de la culata por medio de tornillos anteponiendo una junta de goma, que cierra al motor en su parte superior. Se construyen de aluminio, chapas de acero o de algún polímero resistente.

2.1.1.1.4. Carter de aceite lubricante

Es el elemento encargado de contener el aceite para la lubricación del motor, va atornillado al bloque del motor en la parte inferior, anteponiendo una junta denominada empaque del carter, se construye de aluminio o chapa metálica además de albergar el aceite lubricante también contiene en su interior una pequeña bomba que es la encargada de succionar el fluido con alto límite de vizcosidad hacia el motor, para que este cumpla sus funciones de refrigerar, lubricar, limpiar, etc.

2.1.1.1.5. Colectores

Existen dos clases de colectores, el de admisión que es el encargado de admitir el aire necesario para que se forme la mezcla estequiométrica (aire- combustible), y el colector de escape que tiene como misión evacuar los gases quemados tras la combustión en el interior del cilindro.

2.1.1.2. Elementos móviles

En el grupo de los elementos móviles más importantes se encuentra el sistema del tren alternativo que está conformado por los siguientes elementos.

2.1.1.2.1. Pistón

Es el elemento encargado de recibir la presión generada durante el tercer tiempo o de combustión, durante el proceso de obtención de energía con la quema del combustible fósil. Son construidos con aleaciones de aluminio o de magnesio, su geometría varía de acuerdo a las dimensiones de la cámara de combustión, de la relación volumétrica etc. Este elemento debe ser liviano, poseer una elevada resistencia térmica, elevada resistencia mecánica, alta conductividad térmica, un reducido coeficiente de rozamiento. En su contorno posee tres segmentos (fuego, compresión, engrase) que impide el paso de aceite hacia la cámara de combustión proporcionando un cierre hermético. Está unido a la biela mediante un bulón que en conjunto forman el denominado mecanismo biela-manivela.

2.1.1.2.2. Biela

Este elemento va montado en el muñón del cigüeñal por medio de su cabeza, y unido al pistón por su pie complementado con un bulón. Es la encargada de transmitir los esfuerzos obtenidos por la presión de los gases en la combustión hacia el cigüeñal y viceversa, está fabricada en una sola pieza con forja o mecanizado, con aceros al carbono aleados con cromo- níquel o con magnesio-silicio, posee una elevada rigidez y resistencia mecánica. Además de estos elementos que se ha descrito también existen otros componentes que si bien son necesarios para el pleno funcionamiento del motor, no son indispensables para la presente investigación, los elementos fijos y móviles descritos con anterioridad son considerados como los más pertinentes como se observa en la figura 2.

Figura 2. Elementos fijos y móviles del motor de combustión interna (Gonzáles Calleja, 2016)

Para propósitos de la investigación se ha hecho una extensa investigación bibliográfica acerca del cigüeñal que también es un elemento del tren alternativo. A continuación se detalla cada aspecto que involucra al cigüeñal.

2.2. EL CIGÜEÑAL

Es la columna vertebral del motor, gracias a su diseño es el elemento que absorbe y soporta las cargas físicas a las que es sometido el motor alternativo de combustión interna durante su ciclo termodinámico de transformación de energía. El cigüeñal transforma el movimiento rotativo en movimiento lineal por medio del mecanismo conocido como biela-pistón, los materiales con los cuales es construido este elemento mecánico deben resistir todos los esfuerzos a los que está sometido, por lo general las empresas constructoras de motores suelen utilizar materiales basados en múltiples aleaciones de acero resistentes a fracturas, deformaciones, roturas, etc. El cigüeñal está conformado por apoyos, contrapesos, muñequillas y un denominado brazo como se muestra en la figura 3.

Figura 3. El cigüeñal (Gonzáles Calleja, 2011)

2.2.1. CRITERIOS DE DISEÑO

Al ser la columna vertebral del motor, este funciona a un régimen constante durante su vida útil, debe cumplir parámetros técnicos de diseño y construcción para poder soportar las cargas a las que es sometido. Debe ser rígido, resistente con un grado prudencial de elasticidad, para que durante su trabajo normal no sufra deformaciones prematuras, que estarán relacionadas directamente con la temperatura en el interior del motor de combustión interna, estas pueden ser leves o permanentes. Durante la fase de diseño es imprescindible tomar en cuenta los diámetros de apoyo y muñequillas para lograr un equilibrio perfecto.

2.2.1.1. Rigidez

El cigüeñal debe ser rígido, ya que es la propiedad que poseen los materiales difíciles de deformar, “es la medida cualitativa de la deformación elástica producida en un material” (Valera Negrete, José Pedro Agustín, 2005, pág. 81).

2.2.1.2. Dureza

El cigüeñal debe poseer una marcada dureza ya que es la propiedad que se denomina como “la resistencia de un material a la penetración por una herramienta con punta” (Budynas & Nisbett, 2008, pág. 36). Se puede medir mediante diversas pruebas, entre las más utilizadas están: dureza Rockwell y dureza Brinell. La dureza que deberá tener el cigüeñal debe ser la ideal para que sea lo suficientemente resistente como para soportar el trabajo mecánico para el cual fue diseñado y a la vez lo necesariamente “duro” como para que no se convierta en un elemento frágil propenso a roturas prematuras.

2.2.1.3. Elasticidad

El cigüeñal debe poseer un límite elástico específico, ya que esta propiedad se “puede definir como la capacidad general de un material para ser deformado plásticamente sin romperse” (Güemes Gordo & Martín Piris, 2012, pág. 21).

2.2.1.4. Resistencia a la fatiga

Debido a que el cigüeñal se encuentra sometido a esfuerzos constantes es necesario que posea una gran resistencia a la fatiga que se define como “la capacidad de un metal para soportar una carga varias veces sin llegar a romperse” (Heredia Enriquez, 2015, pág. 15).

2.2.1.5. Resistencia a la rotura

El cigüeñal debe poseer una elevada resistencia a la rotura, que se define como la propiedad que poseen los metales para soportar una carga constantemente aplicada durante un tiempo determinado en un lugar en específico antes de llegar a la rotura.

2.2.1.6. Esfuerzos Principales

Gracias a las elevadas presiones que experimenta el motor de combustión interna durante su ciclo de trabajo, el cigüeñal sufre de múltiples esfuerzos los cuales contrarresta gracias a su diseño y a las aleaciones de aceros utilizados para su construcción, los principales esfuerzos que experimenta el cigüeñal son: torsión, flexión, tracción y compresión, siendo los dos primeros los más importantes en términos de ingeniería de diseño.

2.2.1.6.1. Torsión

“Es la deformación producida a un cuerpo causada por un par de fuerzas sin que varié el volumen“ (Burbano De Ercilla & Gracia Muñoz, 2003, pág. 293). Este esfuerzo se produce durante las fases de admisión, compresión, y escape, “El giro del cigüeñal se transmite, a través del volante, a la transmisión. La resistencia que opone el vehículo a la marcha (par resistente) somete el cigüeñal a esfuerzos de torsión” (Grupo Planeta (GBS), 2004, pág. 85). En la actualidad se realizan ensayos de torsión para comprobar las características de un determinado material como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Esfuerzo de torsión (Kalpakjian & Schmind, 2008)

2.2.1.6.2. Flexión

“Es el fenómeno de deformación de un cuerpo por defecto de una fuerza proporcional a su dimensión mayor, el sólido se deforma de tal modo que el

sistema de láminas planas paralelas se encorvan formando un haz de superficies curvas” (Burbano De Ercilla & Gracia Muñoz, 2003, pág. 294). Este esfuerzo se produce en el tiempo de expansión en el interior del motor, la presión creada por los gases en este tiempo, obliga a la biela a retornar a su punto de partida con una fuerza directamente proporcional a la presión creada en el interior del cilindro, este esfuerzo afecta principalmente a las muñequillas y a los apoyos de bancada. En la actualidad se realizan ensayos de flexión para comprobar las características de un determinado material, que generalmente son muy frágiles como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Esfuerzo de Flexión (a) de tres puntos, (b) de cuatro puntos (Kalpakjian & Schmind, 2008)

2.2.1.6.3. Tracción

Este esfuerzo se produce principalmente sobre el brazo del cigüeñal a medida que el pistón alcanza su punto muerto superior, en la segunda mitad de su recorrido “tira de la biela y de los brazos de manivela hacia arriba, sometiendo al eje del cigüeñal a flexión y a los brazos a tracción” (Grupo Planeta (GBS), 2004, pág. 85), como se muestra en la figura 6. Este esfuerzo resulta el más importante cuando se trata de la determinación de las propiedades físicas y mecánicas de cualquier material.

Figura 6. Esfuerzo de tracción en el cigüeñal (Grupo Planeta (GBS), 2004)

2.2.1.6.4. Compresión

El esfuerzo de compresión es el opuesto exacto al esfuerzo de tracción, se identifica o se presenta cuando a un cuerpo determinado se le aplican diferentes fuerzas que actúan hacia el interior del cuerpo en los cuales tienden a comprimirlo o aplastarlo, algunos elementos mecánicos que experimentan este esfuerzo sufren de pandeo. Este esfuerzo como se muestra en la figura 7 se suscita en el cigüeñal cuando “los periodos de aceleración del embolo causan efectos de compresión” (Grupo Planeta (GBS), 2004, pág. 85).

Figura 7. Esfuerzo de Compresión (Giancoli, 2006)

2.2.1.7. Equilibrio del cigüeñal

Es una característica indispensable para el pleno funcionamiento del motor de combustión interna. El motor en su conjunto debe estar equilibrado, de modo que durante su régimen normal de funcionamiento las fuerzas y momentos resultantes deben ser constantes en magnitud, dirección y sentido o se anulen

entre sí. Para que se pueda dar esto es necesario que el cigüeñal posea un equilibrio estático y dinámico perfecto. Para esto se suele emplear una serie de procesos de mecanizado en donde se desbasta usualmente los cojinetes y las muñequillas respetando la normatividad vigente para no infringir las tolerancias máximas especificadas por cada fabricante, logrando así un cigüeñal con equilibrio perfecto, es necesario que el desbaste no sea en las áreas cercanas a los orificios de lubricación del eje ya que puede causar una serie de inconvenientes que desembocaran en problemas principalmente del gripado del cigüeñal.

2.2.1.7.1. Equilibrio estático

“Un cigüeñal está equilibrado estáticamente cuando su centro de gravedad está situado en un punto de su eje de giro” (Gonzáles Calleja, Motores térmicos y sus sistemas auxiliares, 2015, pág. 85). De modo que si, se colocó a un cigüeñal entre dos apoyos en sus extremos no debe moverse independientemente cual sea el grado de inclinación que se le pueda propinar, si el cigüeñal llegara a moverse indica que se encuentra desequilibrado y necesita de mecanizado. Esto se puede lograr en máquinas especiales de mecanizado que se encargan de desbastar equitativamente las muñequillas aplicando movimientos de forma angular, además de realizar un procedimiento mecánico denominado variación de masas que se los hace exclusivamente en los contrapesos.

2.2.1.7.2. Equilibrio dinámico

Para que un cigüeñal se encuentre equilibrado dinámicamente debe cumplir varios requisitos indispensables. “Un cigüeñal está equilibrado dinámicamente cuando las fuerzas centrífugas generadas por las masas rotativas están equilibradas” (Gonzáles Calleja, Motores, 2011, pág. 116). Es decir que no generan un par de giro a lo largo de su eje referencial, generalmente se suele

desbastar las muñequillas con un ángulo que no exceda los 180°, estas muñequillas deben estar equilibradas estática y dinámicamente gracias al diseño de su posición.

2.3. MATERIALES

Los materiales que se utilizan para la construcción de un cigüeñal para el empleo en un motor térmico, en especial para la industria automotriz deben ser sumamente resistentes, además de esto deben poseer propiedades elevadas de dureza y resistencia, generalmente se emplean aleaciones de acero para este tipo de elementos mecánicos, uno de los materiales más frecuentes para la construcción del cigüeñal es la fundición de grafito esferoidal que resulta ser un material económico para los fabricantes, otro material que también suele utilizarse es el acero aleado con proceso de estampación o forja. La industria automotriz, y en especial las empresas encargadas de la construcción de los motores y sus componentes emplean cada día más nuevas aleaciones de acero que permiten una mayor vida útil de estos componentes. La calidad y el tipo de aceros elegidos para la construcción de los cigüeñales dictaminará también un aumento del precio de producción y por ende el de venta hacia los potenciales consumidores, esto pasa más por el departamento de ingeniería que evaluará el factor costo- beneficio de la elección de un material a otro. De forma general los tipos de aceros como se muestra en la tabla 2 son:

Tabla 2. Tipos de aceros utilizados para la construcción de cigüeñales DESIGNACIÓN PROPIEDADES RELEVANTES JIS SAE/AISI ASTM DIN RES. TRACCIÓN (MPa)* % C S45C 1045 A29 - 1045 CK45 686-700 0.45 S50C 1055 A29 - 1055 CK50 630 0.50 S55C 1055 A29 - 1055 CK55 670 0.55 SCM415 519 A519 15Cr Mo 4 630 0.15 SCM 420 4118 4118 25Cr Mo 4 517 0.20 SCM435 4137 4137 35 Cr Mo4 650-880 0.35

* Estirado en frío

Cada empresa busca la mejor alternativa para la fabricación de sus automóviles y de sus componentes que será un factor de confiabilidad y garantía que cada empresa ofrece a sus clientes. Las proporciones de los materiales utilizados para los cigüeñales en motores de los automóviles en el 2003 se estima que, por fundición gris fue del 25%, endurecidos (templados a elevadas temperaturas) o acero normalizado del 20%, y acero micro-aleado del 55%. (Yamagata, 2005)

2.3.1. CIGÜEÑALES MONOLÍTICOS

Los cigüeñales monolíticos (un solo elemento compacto), se construyen con aleaciones de acero al carbono (C), de acero al cromo molibdeno (Cr-Mo), que además suelen tener uno o varios tratamientos térmicos para el endurecimiento, entre los más utilizados están el temple con enfriamiento lento, hoy en día se está empleando el Vanadio (V) ya que es un elemento más barato y que reduce los costos de producción al no requerir un proceso de enfriamiento lento, el cigüeñal requerirá de mecanizado para darle su forma intrincada, las empresas constructoras suelen agregarle un 0.1% de Plomo (Pb) o azufre (S) para facilitar el mecanizado o maquinabilidad. Gracias a la diversidad que existe en la industria metalmecánica y en especial a la procedencia y fabricación de la misma existen diversas nomenclaturas para un determinado componente o una determinada aleación ya sea esta de España, Alemania, Japón, Italia, EE.UU o de la Unión Europea. Las diferentes aleaciones tienen el mismo porcentaje de componentes por lo tanto las mismas propiedades físicas, térmicas o mecánicas, lo único que tendrá una variación será la nomenclatura que estará propuesta de acuerdo a la norma de calidad de fabricación de cada país. Ver ANEXO II Entre los tipos de aceros más utilizados para la construcción de un cigüeñal independientemente de que tipo de monolítico sea son el JIS-S45C, JIS SCM- S50C, JIS SCM-S55C, JIS SC-M415, JIS SCM -420 y JIS SCM-435 según el sistema japonés de clasificación de aceros al carbono, los múltiples

componentes químicos que se utilizan en estas aleaciones y sus porcentajes como se muestra en la tabla 3.

Tabla 3 . Composiciones químicas de los materiales del cigüeñal (%) (Monolítico) COMPOSICIÓN QUÍMICA C SI MN P.S CR MO V JIS-S45C 0.45 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00 JIS-S50C 0.50 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00 JIS-S55C 0.55 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00 JIS-SCM415 0.15 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00 JIS-SCM420 0.20 0.25 0.80 0.03 10 0.20 0.00 JIS-SCM435 0.35 0.25 0.80 0.03 10 0.20 0.00 Acero micro aleado 0.50 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.10 (Yamagata, 2005)

2.3.2. CIGÜEÑALES ENSAMBLADOS

Este tipo de cigüeñales generalmente se emplean para los motores monocilíndricos y bicilíndricos, es decir para las motocicletas, los materiales elegidos por el fabricante de todos los elementos funcionales del motor deben cumplir todos los parámetros técnicos de funcionamiento, además de poseer las propiedades mecánicas, físicas, térmicas y químicas necesarias que exige el riguroso proceso de diseño y fabricación de este medio de transporte. Las aleaciones metálicas que se utilizan para este tipo de cigüeñales son de acero al carbono que, posterior a su fundición se mecanizan en máquinas asistidas por un ordenador, tras el rectificado suelen emplearse procedimientos físico-térmicos para mejorar las prestaciones de calidad del cigüeñal, entre los procesos más utilizados están el temple y revenido con enfriamiento lento, en donde la gama del fabricante será el factor para la elección de los aceros empleados para la fabricación de sus componentes. Los fabricantes de mayor poder económico y adquisitivo utilizan aleaciones de acero especiales con porcentajes de Cromo (Cr) o Molibdeno (Mo) que mejoran las propiedades físicas y mecánicas del cigüeñal como se observa en la tabla 4.

Tabla 4. Tipos de aceros utilizados para la construcción de los cigüeñales ensamblados DESIGNACIÓN NORMA JAPONESA JIS-S45 Acero al carbono JIS-S55 CC JIS SCM415 Aceros especiales "Cr-Mo" JIS SCM420

2.4. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN

Posterior a la elección adecuada del material que será empleado para la construcción del cigüeñal y tras el análisis del factor costo-beneficio en el departamento de ingeniería, comienza una serie de procesos metalúrgicos, recubrimientos térmicos, y de mecanizado para dar por finiquitado la construcción del cigüeñal. Entre los procesos metalúrgicos más frecuentemente utilizados están: los procesos de estampación o forja, la fundición; que puede ser fundición gris, de grafito esferoidal o fundición dúctil y el mecanizado completo partiendo de un cilindro de un acero que será mecanizado al cien por ciento. Tras obtenerse la geometría básica del cigüeñal, utilizando uno de los dos primeros procesos metalúrgicos que resultan ser los más económicos, comienza un proceso de mecanizado especialmente en los apoyos y las muñequillas que será de vital importancia para el equilibrio estático y dinámico del cigüeñal, seguidamente se realizan las perforaciones para la lubricación que serán realizadas en puntos estratégicos para que no ocasionen un desbalanceo y pueda acaecer en algún inconveniente futuro. Luego del mecanizado pleno de la forma geométrica del cigüeñal, se procede a la aplicación de una serie de tratamientos térmicos para el endurecimiento superficial enfocándose en las muñequillas y los apoyos que son las partes que tendrán que soportar mayores esfuerzos durante el régimen normal funcionamiento del cigüeñal, los procesos térmicos más empleados son la cementación que consiste en aportar carbono a la superficie del acero a una temperatura adecuada logrando una capa de cementación de 0.5 a 1.5mm, la nitruración que consiste en la absorción de

nitrógeno a una temperatura calibrada logrando una capa nitrurada que oscila entre 0.20 y 0.80mm, al final está el temple superficial por inducción cuyo proceso, coloca al cigüeñal en devanados de inducción de cobre y se calienta mediante corriente de alta frecuencia, permitiendo obtener una capa de 0.7 a 6mm de espesor, cabe recalcar que los espesores de cualquier tipo de tratamiento termoquímicos dependerán directamente de la temperatura y el tiempo que dure el proceso. Al finalizar el proceso el cigüeñal se somete a un proceso de mecanizado como se observa en la figura 8.

Figura 8. Mecanizado del cigüeñal (Weil, 2016)

2.5. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS

El cigüeñal posee una geometría única que garantiza el pleno funcionamiento del motor, es necesario que esté correctamente lubricado, para eso emplea unas perforaciones como se observa en la figura 9.

Figura 9. Componentes del cigüeñal (Gonzáles Calleja, 2015)

2.5.1. CONTRAPESOS

El cigüeñal posee contrapesos que son diseñados estratégicamente para distribuir el peso del elemento mecánico alrededor del eje central para obtener un equilibrio estático y dinámico perfecto, “se sitúan diametralmente opuestas a las muñequillas para equilibrar entre el 50 y 60% de las masas rotativas” (Gonzáles Calleja, Motores, 2011, pág. 114).

2.5.2. APOYOS

Son el eje de giro del cigüeñal y el apoyo del mismo sobre el bloque del motor, generalmente hay uno por cada dos codos del cigüeñal y soportan extensas cargas de trabajo que las contrarrestan gracias a dos semicojinetes de apoyo que tienen la misión de disminuir el rozamiento, lubricar y proteger a los codos de un deterioro prematuro o normal mecánico por el trabajo realizado por el motor. ”Los apoyos y muñequillas, llevan un proceso de Nitruración, tratamiento que consiste en introducir nitruros durísimos hasta una profundidad de 0,8 mm” (Arias Paz, 2004, pág. 71).

2.5.3. MUÑEQUILLAS

Técnicamente es la parte excéntrica del cigüeñal y la función principal es sujetar las cabezas de las bielas, anteponiendo un cojinete para reducir la fricción de los elementos mecánicos; existen tantas muñequillas como cilindros posea un motor, son diseñadas en una posición opuesta con los contrapesos, para poder obtener un equilibrio estático y dinámico ideal.

2.5.4. EL BRAZO O MANIVELA

Es el elemento que está interpuesto entre los apoyos y las muñequillas del cigüeñal, además de unirlas, es clave para que el funcionamiento del

mecanismo biela-manivela se cumpla bajo todos los parámetros técnicos con los cuales fue diseñado y construido.

2.5.5. COJINETES DE APOYO

Tiene como misión principal evitar el contacto mecánico entre el bloque y los apoyos del cigüeñal, facilitando la acción de giro durante el funcionamiento del motor, son diseñados con un canal y con una perforación estratégicamente establecida por el fabricante para la lubricación. Estos cojinetes deben poseer un coeficiente de rozamiento reducido, su composición debe ser extremadamente resistente destacando propiedades como dureza, alta resistencia y conductibilidad de calor debido a que estos elementos son los que mayor carga soportan en el interior del motor, la mayoría de estos cojinetes son recubiertos con metales antifricción (de 0.05 a 0.35mm a base de plomo, estaño, y aluminio) y construidos con aleaciones de acero y cobre. Por su desgaste natural se recomienda reemplazarlos en cada reparación del motor. “Los tipos de cojinetes de fricción hidrodinámicos empleados en vehículos son fundamentalmente cojinetes de fricción radiales cilíndricos circulares (frecuentemente con orificios de cuña doble), idóneos para el apoyo de cigüeñales” (Bosch, 2005, pág. 364).

2.5.6. COJINETES AXIALES

Estos cojinetes tienen como función eliminar el juego axial que se genera en el cigüeñal, son construidas de acero de alta resistencia, la superficie se encuentra recubierta de una fina capa de cobre al plomo que actúa como inhibidor de calor además de generar una menor resistencia frente al rozamiento. La mayoría de motores tienen estos cojinetes instalados en las superficies planas de rozamiento contra el quinto muñón, generalmente tienen forma de una semiluna “se encuentran lubricados con el aceite del motor

disminuyendo su rozamiento y desgaste” (Domínguez Soriano & Ferrer Ruiz, 2008, pág. 27).

2.6. TIPOS DE CIGÜEÑAL

2.6.1. EL CIGÜEÑAL MONOLÍTICO

Es el más empleado en la industria automotriz, debido a que se lo puede destinar a motores multicilindricos y gracias a su diseño, construcción (es un solo elemento compacto) y a los materiales con los cuales es construido representa un elemento mecánico de altísima resistencia que será capaz de soportar los esfuerzos y tensiones a los que es sometido durante las explosiones producidas en el interior de los cilindros en el funcionamiento normal de un motor térmico. El cigüeñal como se muestra en la figura 10 se lo puede obtener por diversos procesos ya sean estos por presión, en una matriz o mecanizados en máquinas-herramienta programables como se muestra en la tabla 5, todos los procesos de fabricación necesitan de un mecanizado largo, exigente y riguroso para darle la geometría adecuada al cigüeñal.

Figura 10. Cigüeñal monolítico (forjado) para un motor de cuatro tiempos (Yamagata, 2005)

Tabla 5.Tipos de cigüeñales monolíticos CLASIFICACIÓN CARACTERÍSTICAS

Se lo realiza en una matriz Por fundición Necesita de mecanizado

Por presión

Por forjado Procesos termodinámicos

Necesita de mecanizado

Mecanizados Mecanizado en máquinas CNC

2.6.2. EL CIGÜEÑAL ENSAMBLADO

El cigüeñal ensamblado es utilizado para motores monocilíndricos y bicilíndricos, permite obtener un mayor rendimiento del motor en condiciones normales de funcionamiento y es el ideal para las motocicletas, consta de una biela, de un contrapeso, rodamiento, muñequilla, muñón, orificios de lubricación como se muestra en la figura 11.

Figura 11. Cigüeñal ensamblado (Yamagata, 2005)

2.7. EL ACERO

“Son aleaciones de hierro-carbono que contienen menos del 1,7% de carbono” (Navarro, Gómez Morales, Garcia Jiménez, & Águeda Casado, 2008, pág. 41). En la industria automotriz el acero y sus aleaciones son el material preferido para la construcción de la mayor parte de componentes externos e internos importantes para el automóvil, dependiendo de su función se suele elegir el tipo de acero necesario para ella. Es un material duro y elástico, capaz de absorber impactos, puede deformarse y extenderse en forma de alambres o chapas, clasificado como un material férreo en donde dos de sus características básicas son: un color gris azulado, su estructura es granular; en donde este factor depende del proceso de fabricación, de los procesos termoquímicos, y por el tipo de enfriamiento al cual se le sometió al acero. La estructura granular es indispensable ya que determinará las propiedades del metal, en especial las mecánicas. Este material férreo se emplea comúnmente para la industria automotriz debido a las propiedades físicas, químicas y mecánicas que posee; estas singularidades se pueden mejorar con múltiples aleaciones que cada día se innovan más en la industria metalúrgica.

2.7.1. IDENTIFICACIÓN DE LOS ACEROS

Debido a la gran variedad de aceros que existen en la actualidad se creó varios métodos para poder identificarlos, entre estos, los más utilizados son: el sistema numérico que utiliza un código alfanumérico, el código de color que los fabricantes le pintan al acero al momento de su venta y la denominada prueba de chispa que utiliza un sistema para detectar el porcentaje de carbono presente para identificar qué tipo de acero resulta ser.

2.7.1.1. Sistemas Numéricos

El Instituto del Hierro y el Acero (IHA) propone una clasificación de los materiales metalúrgicos en cinco grandes grupos, ya que arbitrariamente cada productor de acero asignaba un código, o un valor numérico a sus productos, causando una serie de inconvenientes, existen cinco grandes grupos como se muestra en la tabla 6.

Tabla 6. Clasificación de los materiales metalúrgicos, según el Sistema Numérico DESIGNACIÓN SIGNIFICADO

F Aleaciones férreas

L Ligeras

C De Cobre

V Varias

S Sinterizados

Las series que corresponden a los aceros van desde la F-100 hasta la F-900, el grupo referencia a las propiedades de utilización y finalmente el tipo identifica cada acero normalizado. Para la designación de los diferentes aceros, se utiliza un código alfanumérico, que comprende la letra F (Aleaciones férreas), seguido de un guión y tres cifras que indican la serie, el grupo y el tipo, un claro ejemplo sería la denominación F-124, que indica que se trata de un acero de serie 1, grupo 2 y tipo 4, para esta denominación se utiliza una referencia normalizada por el Instituto del Hierro y el Acero (IHA) como se muestra en la tabla 7. Es indispensable que se pueda reconocer cada tipo de acero lo más rápido y sencillamente posible, ya que en empresas dedicadas a la fabricación de elementos metálicos puede causar una serie de inconvenientes, que finiquita con pérdidas económicas, o retrasos de producción; en sistemas de manufactura bajo la metodología de producción esbelta el retraso de procesos significa enormes pérdidas de dinero, que deben ser corregidas paulatinamente, en el presente y con mucha experiencia se puede reconocer los aceros de acuerdo al sonido que estos presentan al ser impactados.

Tabla 7. Sistema numérico para la identificación de Aceros SERIE GRUPO DENOMINACIÓN 1 Aceros finos al carbono. 2 y 3 Aceros aleados de gran resistencia. 1 Aceros para usos 4 Aceros aleados de gran elasticidad. generales 5 y 6 Aceros de cementación. 7 Aceros de Nitruración. 1 Aceros de fácil mecanización. 2 Aceros de fácil soldadura. 2 Aceros para usos especiales 3 Aceros de propiedades magnéticas. 4 Aceros de dilatación térmica concreta. 5 Aceros resistentes a la fluencia. 3 Aceros resistentes a la 1 Aceros inoxidables oxidación y corrosión 2 y 3 Aceros resistentes al calor. 1 Aceros al carbono para herramientas. 5 Aceros para herramientas 1-3 - 4 Aceros aleados para herramientas. 5 Aceros rápidos. (Gómez Morales, Agueda Casado, García Jiménez, & Martín Navarro, 2011)

2.7.1.2. Código de color

Los fabricantes de acero idearon un sistema basado en colores para la identificación y almacenaje de sus productos “pintando las barras con varios colores representativos, algunos solo pintan los extremos mientras que otros extienden la pintura en toda la barra” (Gómez Morales, Martín Navarro, Águeda Casado, & Garcia Jiménez , 2011, pág. 87). Gracias a este sistema económico se ha podido mantener un régimen de clasificación aceptablemente confiable, en día los fabricantes ya no lo emplean ya que prefieren un código para cada tipo de acero, y más bien utilizan este método para un control interno de almacenaje, los colores han sido normalizados para cada tipo de acero como se muestra en la figura 12.

Figura 12. Código de colores en la identificación de aceros (Navarro, Gómez Morales, Garcia Jiménez, & Águeda Casado, 2008)

2.7.1.3. Prueba de la chispa

Este método consiste en acercar una barra de acero hacia un esmeril y observar el tipo de chispa que se desprende al momento del contacto directo de la muela abrasiva y el acero, es un método no tan confiable, ya que necesita de la experiencia y de la buena percepción visual de la persona encargada de elaborar esta prueba. Gracias al tipo de chispa que se obtiene, se podrá deducir a qué tipo de acero pertenece el objeto a prueba, este método experimental se aplica exclusivamente a los aceros al carbono.

2.7.2. PROPIEDADES GENERALES DE LOS ACEROS

Las propiedades generales de los aceros son características intrínsecas que los diferencian de otros materiales metálicos, en donde, de acuerdo a la composición química, del tipo de fabricación, el tipo de tratamientos térmicos como: el temple, revenido, recocido y el normalizado, el tipo de tratamiento termoquímico como: la cementación, nitruración, cianuración, carbonitruración, sulfinización, y del tipo de enfriamiento (agua, aire, aceites) que los alterarán totalmente. Para la elección del tipo de acero idóneo para la construcción de un cigüeñal se necesitan tener muy claro las propiedades del metal para que el elemento mecánico cumpla con la función bajo la cual fue diseñado, además es necesario para que el componente no sufra de daños prematuros durante su ciclo de vida normal. Las propiedades generales de los aceros están conformado en tres grandes grupos que son: Propiedades Físicas, Propiedades Químicas y Propiedades Mecánicas.

2.7.2.1. Propiedades físicas

2.7.2.1.1. Fusibilidad

Propiedad que tienen los aceros de cambiar de estado sólido a líquido bajo la acción del calor.

2.7.2.1.2. Calor específico

Es la propiedad que permite identificar la cantidad de calor necesaria para que la unidad de masa de un cuerpo se eleve de 0 a 1°C.

2.7.2.1.3. Dilatabilidad

Es la propiedad que indica el aumento unitario real de longitud que experimenta un cuerpo por la acción de un agente externo por efecto del calor y se cuantifica por medio del llamado coeficiente de dilatación lineal.

2.7.2.1.4. Temperatura de fusión

Es una propiedad característica de los metales en donde el aumento progresivo de calor hace que cambie el estado sólido a estado líquido de un metal.

2.7.2.1.5. Conductividad térmica

Es la propiedad presente en los metales, que les permite transmitir de manera progresiva el calor que está experimentando por medio de su masa.

2.7.2.1.6. Conductividad eléctrica

Es una propiedad casi exclusiva de los metales que consiste en la factibilidad y facilidad que poseen estos cuerpos para trasmitir la corriente eléctrica, gracias a su masa, los valores numéricos de las propiedades físicas de los aceros están normalizadas como se muestra en la tabla 8.

Tabla 8. Coeficientes de las propiedades físicas de los metales COEFICIENTE COEFICIENTES TEMPERATURA CONDUCTIVIDAD DE DE MATERIAL DE FUSIÓN TÉRMICA RESISTENCIA DILATACIÓN ELÉCTRICA °C C° W/m°K Ω mm²/m Acero 12 x 10-6 660 58 0.13 Acero 16 x 10-6 690 14 - 16 0.027 Inoxidable Aluminio 23.6 x 10-6 660.3 235 2.75 x 10-8 Zinc 2.6 x 10-6 419.5 106 -140 - Fundición 10.5 x 10-6 1 200 46 - Gris Latón 1.8 x 10-5 996 81 - 116 1 Cobre 1.7 x 10-5 1.083 372.1 - 385.2 1.72 x 10-8 Cromo 0.8 x 10-5 1.875 93.7 - Estaño - 232 64.0 11.50 x 10-8 Hierro 12 x 10-6 1.54 79.5 9.71 x 10-8 Níquel 1.3 × 10-5 1.45 52.3 6.40 x 10-8 Plomo 29 x 10-6 327 35.0 22 x 10-8

2.7.2.2. Propiedades químicas

2.7.2.2.1. Oxidación

Es la degradación de un metal por la exposición al oxígeno que se encuentra en el ambiente, esta propiedad se intensifica por el aumento de temperatura paulatina del medio en el que se encuentra el elemento ferroso.

2.7.2.2.2. Corrosión

Es la propiedad que se genera tras un deterioro lento y progresivo de un metal debido a un agente exterior que generalmente es el agua, el oxígeno o la humedad, llamada corrosión atmosférica siendo esta la más común aunque

también existe la corrosión química que es producida por los ácidos y los álcalis.

2.7.2.3. Propiedades mecánicas

Los fabricantes de elementos metálicos para cualquier tipo de industria en donde se necesiten materiales con dureza, ductilidad, resistencia y tenacidad ponen énfasis en estos criterios al momento de la elección de sus materiales, ya que en la actualidad existe un mercado muy competitivo y es más frecuente que nuevos fabricantes con mejores precios se coloquen en la pugna por adquirir un determinado mercado comercial, estas propiedades permiten determinar o saber cómo reaccionaran los aceros frente a la aplicación de una o varias cargas también denominadas esfuerzos, que habitualmente las deforman o tienden a romperlos. Las propiedades mecánicas de los aceros varían de acuerdo al porcentaje de elementos químicos que tenga su composición (esencialmente el contenido de carbono), tratamientos térmicos, tipo y tiempo de enfriamiento, este tipo de parámetros han sido normalizados, y entre los más importantes se tiene los siguientes como se muestra en la figura 13.

Figura 13. Gráfica del comportamiento del acero y sus propiedades mecánicas (Hibbeler, 2011)

Existen una serie de propiedades de los materiales y en especial de los aceros que son catalogadas como las más importantes al momento de la fabricación de algún elemento mecánico, entre las más representativas e importantes se encuentran, la dureza, resistencia a la rotura, la resistencia a la fatiga que ya han sido mencionadas en la primera parte del presente trabajo escrito, además de estas existen las siguientes:

2.7.2.3.1. Tenacidad

Capacidad que posee un metal para absorber energía antes de romperse.

2.7.2.3.2. Plasticidad

“Capacidad de algunos materiales para sufrir alargamientos grandes y uniformes antes del cuello y la fractura en tensión” (Kalpakjian & Schmind, 2008, pág. 76).

2.7.2.3.3. Maleabilidad

Es la propiedad que poseen algunos metales, que durante su proceso de fabricación permite reducirlos en láminas finas (laminado), gracias a esfuerzos de compresión.

2.7.2.3.4. Ductilidad

Es la propiedad que poseen algunos metales que, durante su serie de acabado les permiten llevar a cabo el proceso de trefilado (reducción de un metal a un alambre o hilo) por esfuerzos de tracción.

2.7.2.3.5. Elasticidad

Es la propiedad de los metales que les permite recuperar su forma básica inicial después de la aplicación de un esfuerzo o carga.

2.7.2.3.6. Estricción

“Es la propiedad que tienen los metales de oponerse a la reducción de su sección cuando están sometidos a una carga de tracción” (Gómez Morales, Agueda Casado, García Jiménez, & Martín Navarro, 2011, pág. 41).

2.7.2.3.7. Fragilidad

Es la propiedad que poseen los metales para llegar a romperse fácilmente bajo la acción de un proceso experimental por choque.

2.7.2.3.8. Resiliencia

Es la propiedad inversa a la fragilidad, ya que es la resistencia que opone un cuerpo a sufrir una rotura por un proceso experimental por choque.

2.7.2.3.9. Maquinabilidad

Esta es una de las características más importantes en la industria metalúrgica para los fabricantes de elementos mecánicos ya que el grado de maquinabilidad facilitará o no la construcción de dichos elementos metálicos y sus acabados, en esta propiedad están incluidas la velocidad de mecanizado, tipo de acabado superficial que puede obtenerse, clase de viruta desprendida etc.

2.7.2.3.10. Fluencia

Propiedad que tienen los metales para deformarse lenta y espontáneamente.

2.7.3. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

En este diagrama se representan las transformaciones que la fundición de hierro y aceros experimentan con la hipertermia durante su fase de fundición, que tendrá como parámetros fundamentales: el tiempo de exposición a determinadas temperaturas, el tiempo y el método de enfriamiento, el porcentaje de contenido de carbono y en la forma en la que este se encuentre en su estado natural como se muestra en la figura 14.

Figura 14. Diagrama de fase hierro-carburo de hierro (Kalpakjian & Schmind, 2008)

“El acero en disolución con el hierro gamma forma austenita, en menor proporción con el hierro alfa forman ferrita, combinado con el hierro delta forma cementita y en estado libre forma grafito” (Gómez Morales, Agueda Casado, García Jiménez, & Martín Navarro, 2011, pág. 51). Las principales fases que se identifican en el diagrama hierro-carbono son cinco como se muestran en la tabla 9.

Tabla 9. Fases del diagrama Hierro-Carbono FASE DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS

Es muy blanda y dúctil

Elevada tenacidad Es una disolución sólida del carbono en el hierro gamma (γ) Resistencia a la tracción de 88 a 105 kg/mm2 Austenita Dureza de 300 HB

Alargamiento del 30 al 60% Contiene 2.11 % Carbono a 1148 °C Procede de la solidificación del metal fundido

Se forma en una transformación en estado sólido Es el hierro alfa (α), hierro casi puro que Resistencia a la tracción de 28 kg/mm2 puede contener en disolución Dureza de 90 HB pequeñas cantidades de Ferrita carbono, silicio, fósforo y Alargamiento del 35 % otras impurezas Fase más blanda del acero

Muy dúctil y maleable

Posee 0.022 % de Es magnética Carbono a 727 °C Es hipoeutectoide

Es la fase más dura y frágil de los aceros al Es 100% de carburo de carbono (65 HRC) hierro Cementita Es magnética a temperatura inferior a 210 °C

Contiene 6.67 % de Puede incluir otros elementos de aleación, como carbono y 93.3% de cromo, molibdeno y manganeso hierro Es eutectoide

Está conformada por finas capas de ferrita Aparece en el enfriamiento lento de la austenita o Perlita (86.5 %) y cementita por transformación isotérmica de la austenita (13.5%)

Dureza de 250 HB

Fase que posee el punto de fusión más bajo

Es una aleación con Excelente fluidez Ledeburita 35.5% de hierro y 64.5% carburo de hierro No es un componente de los aceros gracias a su elevado contenido de carbono

2.7.4. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

En la industria metalúrgica existe una gran variedad de aceros, la clasificación más común es la siguiente:

2.7.4.1. Aceros al carbón

Se denomina también como no aleados, posee pequeñas cantidades de manganeso, silicio, fósforo que entre todos estos elementos químicos no deben superar el 2% del contenido total, se clasifican de acuerdo al porcentaje de carbono que posean como se muestra en la tabla 10.

Tabla 10. Clasificación de los aceros al carbóno % DE CLASIFICACIÓN TIPOS CARACTERÍSTICAS CARBONO

Aceros Extrasuaves 0.1 - 0.2 Acero de bajo Carbono Aceros Suaves 0.1- 0.3

Acero de Carbono Aceros Semisuaves 0.3 - 0.4 Acero al Carbono medio Aceros Semiduros 0.4 - 0.5

Aceros Duros 0.5 - 0.6 Acero de Alto Carbono Aceros Extraduros 0.6 - 1.7

2.7.4.2. Aceros Aleados

Estos aceros contienen elementos metálicos en la cantidad adecuada, suficiente como para alterar sus propiedades físicas, químicas y en especial las mecánicas haciendo de estos metales un material muy demandado en la industria automotriz, generalmente se utilizan aceros al cromo, níquel, o manganeso; se clasifican de acuerdo a su aleación como se muestra en la tabla 11.

Tabla 11. Aceros aleados y sus características ELEMENTO CLASIFICACIÓN CARACTERÍSTICAS DE ALEACIÓN Aumenta la dureza, tenacidad, resistencia al Cromo desgaste ,evita la corrosión Añade resistencia al desgaste, favorece para los Manganeso tratamientos térmicos Molibdeno Añade tenacidad y resistencia Aumenta la resistencia, la tenacidad y evita la Aceros de Aleación Níquel corrosión Silicio Eleva la resiliencia del acero Aumenta la dureza, favorece al acabado Titanio superficial Vanadio Eleva la resistencia mecánica y antichoque Wolframio Eleva la dureza, facilita el mecanizado

2.7.4.3. Aceros inoxidables

Es una aleación de acero que debe poseer como mínimo un 10% de cromo (acero ferrítico), que reacciona de manera protectora formando una capa en la superficie del metal evitando la oxidación (degeneración por el ataque del oxígeno a un metal) y la corrosión (ataque químico y electroquímico gradual sobre un metal producido por la atmósfera, la humedad y otros agentes), además posee níquel (acero austenítico) que mejora las propiedades mecánicas, haciendo de este tipo de acero un producto indispensable para la fabricación de elementos mecánicos fijos y móviles en la industria automotriz, es el caso de la carrocería de los automóviles, o algún elemento que necesite ser mejorado estéticamente como los colectores de escape, ya que este tipo de acero ofrece un acabado superficial brilloso. Se clasifica en tres tipos de aceros como se muestra la tabla 12, ha sido normalizada por el Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI), por sus siglas en inglés, para que a escala mundial su designación e identificación sea la misma, ya que de lo contrario acarrearía problemas entre colaboraciones entre industrias metalúrgicas que se encuentren ubicadas en diferentes países o continentes.

Tabla 12. Clasificación de los aceros inoxidables CLASIFICACIÓN DENOMINACIÓN TIPOS CARACTERÍSTICAS Contiene un 10.5 - 18% de

Acero Cromo y un 1.2% de Carbono inoxidable Son magnéticos Martensíticos simplemente Alto nivel de dureza y al Cromo resistencia mecánica Pobre soldabilidad Contiene un 13% de Cromo y Acero un 0.15% de Carbono Ferrítico inoxidable Resistencia mecánica de 800 extrasuave N/mm² Dureza de 175-205 HB Contiene un 16% de Cromo, un 2% de Níquel y 0.20% de Acero Carbono inoxidable al Resistencia mecánica de 950 cromo-níquel N/mm² (16Cr-2Ni) Aceros Inoxidables Dureza de 275-300 HB Se suelda con dificultad Contiene un 18% de Cromo, un 8% de Níquel y 0.28% de Acero Carbono inoxidable al Resistencia mecánica de 650 Austenítico cromo-níquel N/mm² (18Cr-8Ni) Dureza de 175-200 HB Resistencia al calor de hasta 400 °C Contiene un 11% de Cromo,

Acero un 18% de Manganeso y inoxidable al 0.14% de Carbono cromo- Resistencia mecánica de 650 manganeso N/mm² (18Cr-8Mn) Dureza de 175-200 HB Es amagnético

2.7.4.4. Aceros estructurales y para herramientas

Estos aceros son muy diversos, se los emplea para todo tipo de fabricación estructural y para la elaboración de un sinfín de herramientas de corte, además la mayor parte de ellos son aptos para tratamientos superficiales, que le aportarán nuevas características como se muestra en la tabla 13.

Tabla 13. Aceros estructurales y para herramientas CLASIFICACIÓN CARACTERÍSTICAS Para la fabricación de herramientas cortantes Aceros para herramientas Aptos para tratamientos superficiales Se emplean para acabados superficiales de gran Acero Laminado precisión Incluyen barras, varillas y aceros estructurales Aceros con recubrimientos superficiales Acero Revestido comprenden el galvanizado, electrocincado

Acero Moldeado Para acabados finos, ya que existen en múltiples formas

2.7.4.5. Aceros de Alto límite elástico (HSS)

“Poseen un porcentaje mayor de calcio y pequeñas adiciones de manganeso, vanadio y zirconio” (Gómez Morales, Martín Navarro, Águeda Casado, & Garcia Jiménez , 2011, pág. 95). Estos aceros especiales son empleados con frecuencia en la industria automotriz en especial en la construcción de carrocerías, debido a que presentan propiedades mecánicas superiores como: la resistencia a la rotura, una mayor tenacidad, una mejor soldabilidad que hace de este tipo de acero el ideal para la manufactura estructural sólida de los automotores, este material ofrece múltiples beneficios como el mejoramiento de la seguridad pasiva del vehículo ya que en caso de un siniestro la carrocería se deformaría total o parcialmente para absorber la energía desprendida por el impacto precautelando la seguridad de los

pasajeros u ocupantes; existen varios tipos de aceros de alto límite elástico como se muestra en la tabla 14.

Tabla 14. Aceros de Alto límite elástico (HSS) CLASIFICACIÓN TIPOS

Aceros ALE Microaleados Aceros Dual Fase (Doble fase) Aceros refosforados Aceros de Alto límite elástico (HSS) Aceros Bake Hardenable Aceros IF (Interstical Free) Aceros Trip (Transformatión Induced Plasticity

2.7.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Los tratamientos térmicos en el acero tienen como base la transformación que experimentan los metales en estado sólido, que tendrán como factores indispensables el aporte de calor cuya intensidad y tiempo de aplicación será variable de acuerdo al tipo de tratamiento superficial que se desee brindar a un determinado elemento de acero, el tipo de refrigeración (agua aceite, aire, sales fundidas, plomo fundido) y el tiempo (rápido o lento) que se demore en culminar este proceso, al igual que el calor dependerá única y exclusivamente del tipo de finalidad que se desee obtener al finiquitar todo el procedimiento de endurecimiento superficial, el último factor a tomar en cuenta es el tipo de aleación de acero y las dimensiones de los elementos tomados para ser sujetos a dichos tratamientos. El objeto de estos tratamientos es mejorar las características físicas, las propiedades mecánicas, reestablecer las singularidades iniciales que por procesos metalúrgicos se deterioraron y eliminar las tensiones internas que se forman en el interior del material. Estos tratamientos no modifican la composición química de la aleación bajo la cual se fundió el acero, pero pueden aportar grandes modificaciones a su estructura (tamaño del grano), a su constitución (estado alotrópico del hierro), y a su estado mecánico. Existen cuatro tipos de tratamientos térmicos como se muestra en la tabla 15.

Tabla 15. Tratamientos térmicos en el acero TIPO DE MEDIOS DE CLASIFICACIÓN CARACTERÍSTICAS TIPOS ENFRIAMIENTO ENFRIAMIENTO Mayor dureza Mayor tensión de Agua deformación Enfriamiento Temple total Aceite Mayor resistencia rápido Temple Temple Aire mecánica Enfriamiento superficial Sales fundidas lento Mayor fragilidad Plomo fundido Dificulta para el mecanizado Recocido de ablandamient o Recocido de Ablanda el acero estabilización Regenera la Recocido de estructura del homegenizaci acero ón Elimina las tensiones Recocido total Aire Enfriamiento Recocido internas o de Horno lento Homogeniza la regeneración Agua estructura del Recocido acero globular Elimina la Recocido heterogeidad contra acritud química ( De recristalizació n) Recocido isotérmico Proceso exclusivo del temple Elimina las tensiones internas La velocidad de Aceite Revenido Revenido Aumenta la enfriamiento es Agua total tenacidad despreciable Aire Disminuye ligeramente la dureza y la resistencia mecánica Vuelve al acero al estado normal Enfriamiento más y característico rápido que en el Normalizado Normalizado Solo para aceros recocido, pero Aire ambiente total al carbono más lento que en Mezcla del el temple recocido y el temple

2.8. ENSAYO DE MATERIALES

Los ensayos mecánicos son estudios que se realizan a los materiales, componentes y compuestos de diversos orígenes con la finalidad de poder determinar sus cualidades intrínsecas, su propiedades mecánicas (tenacidad, plasticidad, tensión de rotura, dureza, ductilidad, elasticidad, fluencia), características físicas, de mecanizado, etc. A escala industrial esta clase de ensayos son muy útiles para los fabricantes de elementos metálicos ya que al obtener los resultados se puede determinar que herramientas de corte son las precisas para cada material, además se puede prever que tipo de mecanización es el adecuado y la calidad del producto, este estudio previo se denomina apriori (antes del mecanizado). También se puede realizar este tipo de pruebas a elementos ya construidos y mecanizados con el objetivo de conocer sus prestaciones, identificar si este elemento cumple o no con las necesidades técnicas bajo las cual fueron diseñados y fabricados, para esto se determinan “unas determinadas características en base a unas condiciones de trabajo” (Millán Gómez, 2012, pág. 166). En la actualidad existe una variedad de ensayos que se aplican a casi todas las industrias, que necesitan o no de probetas debidamente normalizadas de acuerdo al material que se desee experimentar, pero en términos generales se los puede clasificar en dos grandes grupos, los que brindan una valiosa información sin la necesidad de destruir el elemento sujeto a prueba, determinados como ensayos no destructivos y aquellos en donde es necesario el deterioro y/o rotura del material denominados ensayos destructivos.

2.8.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Este tipo de ensayos tienen como finalidad detectar fisuras, defectos del proceso de mecanizado, determinar la composición metálica o aleada, comprobar la dureza, etc. Se denomina ensayos no destructivos a todo tipo

de pruebas que no alteren las propiedades físicas, químicas, o mecánicas, además de no perturbar sus dimensiones, es decir, que no dañen al elemento a prueba, existen varios ensayos no destructivos como se muestra en tabla 16.

Tabla 16. Ensayos no destructivos ENSAYO CARACTERÍSTICAS Para elementos de grandes dimensiones Ensayo por ultrasonido Detecta porosidades u oquedades Detecta fisuras internas Detecta porosidades u oquedades Longitud de onda de rayos X elevada Radiografías Detecta fisuras internas Detecta inclusiones de escoria Detecta grietas generadas por tratamientos térmicos Comprueba fisuras, poros, grietas Solo detectan problemas superficiales Líquidos penetrantes Proceso por capilaridad Son económicos Detecta fisuras internas Detecta defectos de discontinuidad Partículas magnéticas No se necesita desmontar el elemento a prueba Solo para aceros

Los ensayos no destructivos tienen una gran aplicación en la industria automotriz, ya que permite obtener características técnicas importantes sin tener que dañar, desmontar algún elemento mecánico; generalmente se aplican estos ensayos para comprobar la calidad del cordón de soldadura de la carrocería. Para la presente investigación se utilizó el ensayo de dureza que se describe a continuación conjuntamente con algunos parámetros importantes. Previamente se realizará dos pruebas; de composición química y el análisis metalográfico.

2.8.1.1. Ensayo de dureza

Es un proceso mediante el cual se puede determinar la resistencia de un material al desgaste, al ser rayado o penetrado, por medio de un equipo llamado durómetro como se muestra en la figura 15, se caracteriza por puntualizar un valor específico en el límite de una escala de dureza, pudiendo ser estas de dureza al rayado, de penetración o dinámica, de manera global los tres métodos más utilizados para determinar la dureza por medio de la penetración son el método Rockwell, el método Brinell y el método Vickers. Las características generales, los métodos de ensayo y los parámetros para determinar la dureza son estandarizados. Ver ANEXO III

Figura 15. Durómetro digital universal DUD-500 (Metrotec S.A, 2015)

2.8.1.1.1. Método Rockwell (HRx)

Desarrollado por S. P. Rockwell en 1922, es un proceso que mide la profundidad de penetración en lugar de la huella dejada (diámetro de indentación) en el elemento a prueba con la asistencia de un durómetro, existen dos tipos de métodos, el primero es el denominado Rockwell C, ideal para aceros templados o materiales duros que utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de conicidad en donde el proceso consiste en aplicar el penetrador con una fuerza de 150 kg por 10 segundos sobre el material a prueba, consiguiente, se debe retirar el penetrador lentamente con una fuerza de 10 kg para poder medir la huella de penetración dejada, logrando así identificar su dureza. El segundo método conocido como Rockwell B, tiene el mismo procedimiento que el método anterior, únicamente

lo que varía es el penetrador que en este caso es una bola de acero duro de 1.50 mm (1/16”) de diámetro con una fuerza aplicada de 100 kg, ideal para materiales blandos, para este método se mide el diámetro de la huella permanente causada por la bola de acero. Para la elección de la escala Rockwell. Ver ANEXO IV Para la denominación correspondiente, las letras (HR) indican el tipo de ensayo (Rockwell), y el espacio (x) indica la denominación del ensayo, con esto se puede determinar por medio de un código alfa numérico el tipo de penetrador, la carga a aplicarse y el material como se muestra en la tabla 17.

Tabla 17. Especificaciones del ensayo Rockwell de dureza DENOMINACIÓN CARGA PENETRADOR MATERIALES Kg

Cono de Materiales duros en extremo, A 60 diamante carburos de wolframio, etc. Materiales de dureza media, aceros B 100 Bola de 1/16" al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc. Cono de Aceros endurecidos, aleaciones C 150 diamante endurecidas y revenidas. Cono de D 100 Acero superficialmente sementado. diamante Hierro fundido, aleaciones de E 100 Bola de 1/8" aluminio y magnesio.

F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.

Cobre al berilio, bronce fosforoso, G 150 Bola de 1/16" etc.

H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.

Hierro fundido, aleaciones de K 150 Bola de 1/8" aluminio. Plásticos y metales suaves, como el L 60 Bola de 1/4" plomo. (Gómez Morales, Martín Navarro, Águeda Casado, & Garcia Jiménez , 2011)

Para determinar la dureza Rockwell mediante un proceso matemático se utiliza la ecuación 1 (American Society for Testing Materials E18 − 16, 2016, pág. 3).

ℎ [ 1 ] HR = N − 푠

Donde: HR: dureza Rockwell N: constante para escala Rockwell C (100) h: incremento de profundidad de la huella (mm) S: constante para escala Rockwell C (0.002)

2.8.1.1.2. Método Brinell (HBS)

Este método consiste en penetrar el material a prueba con una bola de acero como penetrador, para materiales cuya dureza sea menor a 500 y con una bola de carburo de tungsteno a materiales con una dureza exceda este valor, para comenzar con el ensayo se debe apoyar el penetrador sobre el material, con una carga de 500 Kg, 1500 Kg o 3000 Kg, esta fuerza varía según el diámetro del penetrador (mayor diámetro para materiales blandos y menor diámetro para materiales duros) y la dureza del material. Los parámetros para este ensayo se encuentran en el estándar ASTM E10-15a, de los cuales los más relevantes se muestra en la tabla 18.

Tabla 18. Parámetros para le ensayo de dureza Brinell CARGA DIÁMETRO DEL PENETRADOR TIPO DE MATERIAL Kg mm

Materiales duros 3 000 2.5

Materiales de dureza media 1 000 5

Materiales blandos 500 10

Tras la aplicación de la fuerza se retira el penetrador y se mide la huella permanente dejada en forma circular para metales recocidos, y un perfil

afilado para metales trabajados en frío con la asistencia de un microscopio metalográfico. “El número de dureza Brinell (HB) se define como la relación de la carga a la superficie curvada del área de indentación” (Kalpakjian & Schmind, 2008, pág. 80). Este procediendo es ideal para aceros al carbono como se muestra en la tabla 19.

Tabla 19. Dureza Brinell para aceros al carbono tratados térmicamente CARBONO (% C) ESTADO DE TRATAMIENTO 0.15 0.40 0.80

Normalizado 121 170 293

Laminado caliente 126 201 293

Recocido total 111 149 174

Templado y revenido a 205 °C No 262 388

Templado y revenido 650 °C No 192 255

(Nuñez, Roca, & Jorba, 2013)

Para determinar la dureza Brinell mediante un proceso teórico matemático se utiliza la ecuación 2 (American Society for Testing Materials E10 − 15a, 2015, pág. 2).

[ 2 ] 퐹 퐹

HB = 2 = [ ] 퐷 휋 2 2 ((2) 퐷(퐷 − √퐷 − 퐷𝑖 ))

Donde: HB: dureza Brinell F: carga aplicada (Kg) D: diámetro de la esfera de penetración (mm) Di : diámetro de la impresión que dejó la esfera en el material (mm)

2.8.1.1.3. Método Vickers (HV)

Este método es apropiado para materiales con un amplio rango de dureza, que incluye aceros tratados térmicamente que como mínimo deben tener 0.2

mm de espesor, se deriva del método Brinell, y utiliza un penetrador de diamante tallado en forma de pirámide cuadrangular con un ángulo de 136° y una carga de 1 a 120 Kg, en donde en el apogeo del ensayo se utiliza un microscopio para determinar la longitud de la diagonal que forma la huella del penetrador cuadrangular, con esto asignando una valor en la escala Vickers, los métodos utilizados y las durezas mencionadas en este trabajo se pueden transformar entre sí. Ver ANEXO V). Para determinar la dureza Vickers mediante un proceso matemático se utiliza la ecuación 3 (American Society for Testing Materials E92 − 16, 2016, pág. 4).

푃 [ 3 ] HV = 푆

Donde: HV: dureza Vickers (Kgf/mm2) P: carga a aplicar al penetrador (Kg) S: superficie de la huella (superficie lateral de la huella) (mm)

2.8.2. ENSAYOS DESTRUCTIVOS

Este tipo de ensayos tiene como finalidad poder identificar las propiedades mecánicas a profundidad, así como los defectos causados por la construcción, mecanización o por algún tratamiento superficial, esto se logra gracias a la utilización de probetas preparadas previamente que deben cumplir normas específicas, de acuerdo al formato técnico-legal al que esté sujeto el laboratorio que llevará a cabo los ensayos, en la República del Ecuador es común que se utilicen las normas delimitadas por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) por sus siglas en inglés. Luego de realizar los ensayos, las probetas quedan inservibles, ya que son destruidas o rotas, se necesitan realizar varios ensayos para poder puntualizar valores más cercanos a la realidad.

2.8.2.1. Ensayo por tracción

Es el ensayo destructivo más importante para determinar las propiedades mecánicas de un material determinado, ya que ofrece una información valiosa del comportamiento plástico y elástico de los materiales (elasticidad, alargamiento, estricción, carga de rotura, resistencia a la tensión, límite elástico o punto de cedencia), tiene como objetivo principal determinar la resistencia de una material a la deformación, y rotura frente a la aplicación de uno o varios esfuerzos constantes, a una determinada temperatura, en ciclos de tiempo fijos, en una máquina universal para ensayos de tracción que utiliza un embolo hidráulico como se muestra en la figura 16.

Figura 16. Esquema del montaje de la probeta en la máquina universal para el ensayo de tracción (Ashby & Jones, 2008)

Este tipo de ensayo se realiza en laboratorios que cuentan con la máquina universal para ensayos mecánicos correctamente calibrada, el proceso consiste en realizar dos marcas en el sujeto a prueba que se denomina “la calibrada” que es la parte medular de la probeta, esta debe cumplir con las dimensiones específicas como se muestras en la figura 17 que dictamina el estándar ASTM E8.

Figura 17. Dimensiones de la probeta de superficie plana para el ensayo de tracción (American Society for Testing Materials E8, 2010)

Luego de colocar las marcas, se fija la probeta en la máquina de ensayos por medio de mordazas o por los extremos roscados en la probeta, esta debe ser cilíndrica o de perfil cuadrangular, que previamente se mecanizo en torno o fresadora respectivamente, se aplica fuerzas externas axiales de tracción creciente en los extremos de la probeta de manera que esta se estira hasta llegar a romperse, luego se mide los puntos de referencia hechos al principio para determinar cuánto se estiro el material, es indispensable que la máquina universal para ensayos destructivos haya sido calibrada con una fecha que no exceda el año ya que de esta manera se tendrá una medida de confianza muy cercana a la realidad, aunque es sumamente complejo determinar una medida exacta ya que en este proceso existen agraviantes como: el tipo de proceso seguido, el entrenamiento del personal, la percepción visual, condiciones técnicas y ambientales; este ensayo está compuesto de cuatro fases como se muestra en la figura 18.

Figura 18. Fáses del ensayo de tracción (Kalpakjian & Schmind, 2008)

El estándar ASTM E8 dictamina todos los parámetros como: dimensiones de la probeta, fuerza, tiempo y temperatura aplicada, que se deben seguir para que este tipo de ensayos sean exitosos. Ver ANEXO VI Es indispensable tener un orden, y una planificación para que el curso experimental tenga validez técnica. Luego de realizar todo el proceso normalizado, se obtiene la gráfica Esfuerzo vs Deformación teórica como se muestra en la figura 19 en el cual se podrá visualizar las variables más destacadas que involucran el ensayo, principalmente se evidencia la zona elástica cuyo valor alcanza los 220 MPa, en donde el material se comporta como un muelle (recupera su forma inicial) tras la eliminación de la carga, y la zona plástica cuyo valor límite son 370MPa, en donde el alargamiento que se produce en el material es permanente, es decir, el componente ya no recupera su forma inicial tras eliminar la carga aplicada.

Figura 19. Curva Esfuerzo-Deformacion típica para aceros (Mott, 2009)

En la zona elástica se podrá realizar cálculos para obtener algunas propiedades mecánicas como: límite elástico también conocido como el periodo elástico plástico equivalente a la deformación unitaria que se puede determinar mediante la ecuación 4 (Millán Gómez, 2012, pág. 177), representado generalmente por la letra griega (ɛ) que dictamina el alargamiento total producido en la probeta después del ensayo.

퐹 푥 퐿 푙 = 훼 푆 [ 4 ]

Donde: l: alargamiento sufrido (mm) S: Sección o área (mm) L: longitud del hilo (mm) F: fuerza de tracción (Kg) α: coeficiente de alargamiento del material ensayado (MPa)

Es necesario determinar la deformación unitaria también conocida como deformación ingenieril mediante la ecuación 5 y la deformación unitaria real mediante la ecuación 6 (Newell, 2011, pág. 77), que experimentó la probeta luego de realizar el ensayo de tracción.

푙 − 푙 [ 5 ] ∈= 0 푙0 Donde: ∈: deformación ingenieril (mm) 푙: longitud final de la muestra (mm) 푙0: longitud inicial de la muestra (mm)

푙푖 [ 6 ] ∈푡= ln 푙0 Donde:

∈푡: deformación ingenieril real (mm) 푙푖: longitud final de la muestra (mm) 푙0: longitud inicial de la muestra (mm)

También se puede determinar el módulo de elasticidad o de Young mediante la ecuación 7 como lo citó (Caiza Vega, 2011, pág. 34) de (Budynas & Nisbett, 2008, pág. 28) representado generalmente por la letra griega gama (α).

퐹 [ 7 ] σ 푆 E = = ∈ ∆퐿 퐿

Donde: σ: esfuerzo o carga (MPa) E: módulo de elasticidad o de Young (MPa) ∈: deflexión o extensión de la longitud calibrada (mm) 퐹: fuerza o carga aplicada (MPa) S: área de la sección circular (mm) ∆퐿: variación de la longitud (mm) 퐿 longitud inicial (mm)

En la zona elástica también se puede obtener el coeficiente de Poisson determinado mediante la ecuación 8 (Velez Moreno, 2008, pág. 120), que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales (cuello de botella) a la dirección de la fuerza.

퐸 [ 8 ] 휗 = − 1 2퐺 Donde: 휗: coeficiente de Poisson E: módulo de elasticidad o de Young (MPa) G: módulo de rigidez o de corte (MPa)

En la zona plástica o deformación permanente se podrá obtener propiedades mecánicas como: Tensión de rotura, también conocida como la resistencia máxima a la tracción o la tensión ingenieril como se muestra en la ecuación 9 (Newell, 2011, pág. 72), que es la carga máxima que puede soportar un material antes de romperse.

퐹 [ 9 ] σ = 퐴0

Donde:

휎: resistencia máxima a la tracción (MPa) F: fuerza aplicada (N) 2 퐴0: área de la sección transversal inicial de la muestra (mm )

En esta zona en la cual la deformación es permanente se puede determinar la ductilidad del material con la determinación del porcentaje de alargamiento a la rotura también conocida como la elongación mediante la ecuación 10 (Hibbeler, 2011, pág. 87), que se define como la deformación relativa del material hasta la rotura con una carga creciente y constante, luego del ensayo esta deformación se evidencia principalmente en la zona calibrada de la probeta.

퐿푓 − 퐿0 [ 10 ] % A = 푥 100 퐿0 Donde: % 퐴: deformación ingenieril (%) 퐿푓: longitud final de la probeta (mm) 퐿0: longitud inicial de la probeta (mm)

La determinación de la ductilidad del material se complementa con el cálculo del porcentaje de reducción del área de la probeta con el empleo de la ecuación 11 (Mott, 2009, pág. 61), en donde el materia se considera dúctil si su valor es mayor al 0.5% o frágil si este valor es menor al 0.5%.

퐴푓 − 퐴0 [ 11 ] % RA = 푥 100 퐴0 Donde: %푅퐴 : reducción del área (%) 퐴푓: sección final de la probeta (mm) 퐴0: sección inicial de la probeta (mm)

Es indispensable determinar la carga máxima de rotura de un material con la utilización de la ecuación 12 (Millán Gómez, 2012, pág. 178), que es la carga límite que un material tolera antes de la rotura.

퐹푚 [ 12 ] Cr = 푆 Donde:

퐶푟 : carga de rotura (Kg/mm2) Fm: fuerza máxima (Kg) 2 퐴0: sección de la probeta (mm )

2.8.2.2. Ensayo de fatiga

A escala industrial el esfuerzo de fatiga es el responsable (70%) de que aquellos elementos fabricados con materiales de base ferrosa fallen y se

rompan, por esta razón se ideo el ensayo de fatiga que consiste en el método mediante el cual se puede determinar el número de períodos o ciclos de esfuerzos de tensión y compresión que puede experimentar un determinado elemento mecánico antes de fallar y romperse, por medio del límite elástico de resistencia a la rotura por fatiga. Existen varios métodos para determinar la fatiga de un material, pero el método más utilizado es el ensayo de viga voladiza rotativa, que utiliza una probeta cilíndrica previamente mecanizada con dimensiones específicas como se muestra en la figura 20 según el estándar ASTM E466, E468.

Figura 20. Probeta plana para el ensayo de fatiga bajo el estándar ASTM E 466 (Yuan Huang, Ji-Jung, Sheng-Long , Charn-Ying , & Roang-Ching , 2006)

El ensayo por viga voladiza rotativa utiliza un motor rotativo, el procedimiento comienza con montar la probeta sobre el tornillo conectado al motor, en el extremo opuesto se coloca una pesa, el motor comienza a girar produciendo cargas de tracción y compresión alternadas por ciclos constantes, el registro del número de oscilaciones antes de que la probeta se rompa, es llevada por un contador electrónico que utiliza sensores de movimiento como se muestra en la figura 21.

Figura 21. Esquema del ensayo de fatiga por viga voladiza rotativa (Newell, 2011)

Esta curva característica varía de acuerdo al material ensayado, el punto crítico más relevante de esta curva es el límite de fatiga que es el máximo margen que un material puede tolerar antes de romperse. El límite de fatiga de los aceros ya está definido y con esto la vida útil del mismo, este límite esta correlacionado aproximadamente con la resistencia máxima a la tensión y la resistencia del acero que aproximadamente es el 50% de la resistencia a la tracción. Los datos obtenidos tras la elaboración de varios ensayos de fatiga con diferentes magnitudes de cargas o esfuerzos, son guardados y con ellos se elabora la curva S-N (Amplitud de esfuerzo – Número de ciclos) o curva de Wohler que sirve para determinar el límite de resistencia a la fatiga de la probeta ensayada, a un nivel de tensión determinado. Uno de los principales inconvenientes de este ensayo se comete con “la dispersión inherente en los datos hace que el determinar la vida exacta de fatiga para un material sea difícil” (Newell, 2011, pág. 96), esta curva se muestra en la figura 22 es una de las más útiles a escala industrial ya que brinda un apoyo excepcional al momento de elegir los materiales para la construcción de elementos mecánicos.

Figura 22. Cuerva S-N característica para dos metales (Kalpakjian & Schmind, 2008)

2.8.2.3. Ensayo de compresión

Este ensayo se utiliza para medir la resistencia que opone un cuerpo a ser comprimido por medio de la aplicación de fuerzas opuestas que se aplican hacia el centro de un material solido cilíndrico hasta llegar a romperse, generalmente se utiliza la misma máquina con la que se realiza el ensayo de tracción, este ensayo en sí, no se lo suele llevar a cabo a menos que sea estrictamente necesario debido a que los valores obtenidos tras el ensayo de tracción habitualmente son los mismos o son valores muy cercanos al ensayo de compresión debido a que los materiales tienen una estructura casi uniforme y homogénea en su totalidad, a estos cuerpos se los denominan como isotrópicos (mismos valores en tracción y compresión), esta prueba no es recomendada para materiales frágiles o anisotrópicos (diferentes valores en tracción y compresión) en donde se recomienda realizar el ensayo de disco (ensayo de compresión para, vidrios, cerámicas, maderas), pero si para aceros o alguna aleación del mismo con un mínimo de 0.8% de contenido de carbono, es indispensable para la comprobación de algunos polímeros ya que los valores de tracción y compresión suelen ser totalmente distintos. La deformación de los cuerpos pueden clasificarse como: curveada, de corte, de compresión homogénea y de barril, este ensayo comprime al cuerpo cilíndrico entre dos placas metálicas hasta que este llega a deformarse paulatinamente como se muestra en la figura 23.

Figura 23. Ensayo de compresión (Gómez Morales, Agueda Casado, García Jiménez, & Martín Navarro, 2011)

Al finalizar el proceso se obtiene la gráfica Aplastamiento – Compresión, en el cual se puede observar el comportamiento del material durante el ensayo de compresión como se muestra en la figura 24.

Figura 24. Gráfico del ensayo de compresión (Dominguez & Ferrer, 2010)

2.8.2.4. Ensayo de flexión o plegado

Es el ensayo mediante el cual se puede determinar la resistencia a la flexión de algunos materiales hasta que lleguen a romperse, en especial para componentes frágiles, en donde se ensaya especímenes de cerámica, y polímeros, entre los más usuales. Estos materiales no son lo suficientemente tenaces como para ser sujetos al ensayo de tracción. Este ensayo se realiza en probetas cuadrangulares en forma de vigas definidas por el estándar ASTM D790 o su similar para la República del Ecuador la ISO 178, con la aplicación de esfuerzos de tensión y compresión simultáneos. Los procedimientos más comunes son: el sistema de tres puntos, sistema de cuatro puntos, y el ensayo de flexión central como se muestra en la figura 25, en el cual se monta la probeta sobre dos rodillos metálicos, que serán previamente colocados en los extremos inferiores de la viga, posteriormente se aplican los esfuerzos mencionados, logrando la deformación total o parcial de la probeta hasta que esta llega paulatinamente a romperse.

Figura 25. Esquema del ensayo de flexión de tres puntos (Millán Gómez, 2012)

2.8.2.5. Ensayo de torsión

Este ensayo es muy utilizado en la industria automotriz ya que resulta adecuado para probar cualquier tipo de eje, que tenga una sección tubular, se utiliza para determinar las propiedades de los materiales a corte utilizando dos esfuerzos de igual intensidad pero de sentido opuesto cuya torsión será gradualmente creciente hasta llegar a deformar y romper la probeta. El ensayo de torsión como se muestra en la figura 26 se lo realiza en un banco de pruebas especializado; hay ciertas condiciones técnicas que se debe tener en cuenta como: entre mayor sea la longitud del eje y menor sea su sección transversal, este cuerpo cilíndrico tendrá un mayor ángulo de torsión. Este ensayo al igual que sus probetas no se encuentra normalizadas por ningún ente regulador técnico a nivel mundial, por eso se dice que la resistencia a la torsión es de 0.6 a 0.8 de la resistencia a la tracción.

Figura 26. Ensayo de torsión realizado en un eje de transmisión (Dominguez & Ferrer, 2010)

2.8.2.6. Ensayo de impacto o resiliencia

Este ensayo se utiliza para determinar la tenacidad de un material mediante la medición de la cantidad de energía que se necesita para romper alguna probeta hecha de un material que se desee ensayar, generalmente se aplica a metales y polímeros. Los dos métodos más conocidos son el ensayo Charpy o método del péndulo como se muestra en la figura 27, e Izod o método por caída, siendo el primero el más utilizado, en el cual se utiliza un probador de impacto que consta de un péndulo de gran densidad y un peso específico elevado que en su extremo lleva un denominado golpeador, estos elementos poseen dimensiones previamente delimitadas; los ensayos de impacto suelen realizarse a diferentes escalas de temperatura.

Figura 27. Esquema del ensayo de impacto Charpy (Newell, 2011)

El procedimiento comienza en montar las probetas cuadrangulares previamente mecanizadas bajo el estándar ASTM E23-07aɛ1. Ver ANEXO VII Su similar para la República del Ecuador es la norma INEN 130 (1973-03), la probeta se fija en la máquina de ensayos mediante un yunque, teniendo la precaución de colocar la muesca de 2.0 mm de profundidad de la probeta en dirección opuesta de donde se impactará el martillo, luego se libera el golpeador esférico por única vez desde una altura delimitada, cuando el golpeador parte, posee energía potencial que se transformará en energía

cinética, al trascurrir varios milisegundos el golpeador habrá alcanzado su momento angular más bajo de modo que este impactará con la probeta ocasionando su rotura, este procedimiento suele realizarse en varias probetas de sección cuadrangular como se muestra en la figura 28 para asegurar que el proceso técnico sea válido, además de que los valores obtenidos sean los más exactos posibles, estas mediciones están expuestas a errores que en la medida de lo posible deben ser las más acertadas.

Figura 28. Dimensiones de la probeta para el ensayo Charpy (American Society for Testing Materials E23-07 a1, 2011)

La energía la energía de impacto se puede determinar mediante la ecuación 13 (Newell, 2011, pág. 84), el martillo golpeador llego a la probeta con esta energía para ello es necesario determinar la altura h0 con la que este partió, que generalmente viene en el manual del fabricante de la máquina para ensayos Charpy.

푒푙 = 푚푔(ℎ0 − ℎ푓) [ 13 ]

Donde:

푒푙: energía de impacto (J) 푚: masa del martillo (Kg) 푔: aceleración derivada de la gravedad (m/s2) ℎ0: altura inicial del péndulo (m) ℎ푓: altura final del péndulo (m)

La energía de impacto es el parámetro más importante que se puede obtener luego de realizar este ensayo, es indispensable determinar los valores característicos de la máquina de ensayo Charpy asociados directamente al péndulo de la misma, ya que este elemento es quien está estrechamente relacionado con los resultados que se pueden obtener tras finiquitar el proceso experimental. El trabajo potencial del péndulo se puede determinar con la ecuación 14 (Millán Gómez, 2012, pág. 179), que es la energía liberada por el martillo golpeador en el instante que este se impacta con la probeta de geometría cuadrangular.

Tp = P × H [ 14 ]

Donde: Tp: trabajo potencial del péndulo (J) P: fuerza que ejerce el péndulo (N) 퐻: altura de caída del péndulo gravedad (m)

El trabajo residual del péndulo se puede determinar con la ecuación 15 (Millán Gómez, 2012, pág. 180), es la relación existente entre el peso del martillo golpeador con la altura que alcanza el péndulo luego de romper la probeta se mide en unidad de energía Joule (J).

푇푟 = 푃 × ℎ [ 15 ]

Donde: Tr: trabajo residual del péndulo (J) P: fuerza que ejerce el péndulo (N) ℎ: Trayectoria ascendente del péndulo luego de impactar la probeta (m)

El trabajo absorbido por la probeta se puede calcular mediante la ecuación 16 (Millán Gómez, 2012, pág. 180), que es la energía que se pierde cuando el martillo impacta en la probeta, se determina mediante la relación de Tr y Tp.

Ta = Tp − Tr [ 16 ]

Donde: Ta: trabajo absorbido por la probeta (J) Tp: trabajo potencial del péndulo (J) 푇푟: trabajo residual del péndulo (J)

Una vez determinados los parámetros de energía necesario se puede determinar la resiliencia del material ensayado mediante la ecuación 17 (Millán Gómez, 2012, pág. 180), en donde se determina mediante la relación del trabajo absorbido y la sección de la probeta.

푇푎 [ 17 ] R = 푆 Donde: 푅: resiliencia del material (Kgf m) Ta: trabajo absorbido (Kgf) 푆: sección de la probeta (m)

Utilizando la energía cinética es posible determina la velocidad del péndulo con la ecuación 18 (Rubio Rodríguez & Yuquilema Paca, 2012, pág. 52), cuando impacta a la probeta.

[ 18 ] ϑ2 = √2 × 푔 × ℎ1

Donde: 2 ϑ2: velocidad del péndulo (m/s ) 푔: fuerza de atracción gravitatoria (m/s2) ℎ1: altura inicial (m)

Utilizando la energía potencial es factible determinar la energía inicial del péndulo mediante la ecuación 19 (Rubio Rodríguez & Yuquilema Paca, 2012, pág. 53).

퐸0 = 퐸푃 = 푚 × 푔 × ℎ [ 19 ] Donde:

퐸0: energía inicial del péndulo (Kgf m) 퐸푃: energía potencial (J) 푚: masa (Kg) 푔: fuerza de atracción gravitatoria (m/s2) ℎ: altura inicial (m)

A continuación se describirá las pruebas que se necesitan realizar previamente para conocer el tipo de microestructura y la composición química para determinar la aleación de acero del cual se encuentra construido el cigüeñal objeto de la investigación. Estas pruebas son esenciales, ya permitirá elegir la norma o normas técnicas adecuadas a seguir para que el trabajo de investigación sea exitoso.

2.8.3. PRUEBA METALOGRÁFICA

En la industria metalúrgica es el ensayo adecuado para poder determinar la estructura micrográfica de un metal, por medio de la identificación de sus elementos con la ayuda de un microscopio metalográfico. Con este procedimiento se puede observar grietas superficiales o profundas, la forma del grano, la distribución de las fases, la presencia de segregaciones, los tratamientos térmicos, la constitución del grano de fabricación, etc. Estos parámetros influirán directamente en las propiedades físicas y mecánicas de un metal o sus aleaciones, el éxito de este ensayo está directamente relacionado con la meticulosidad con la que se elabore la muestra, ya que no debe presentar ningún tipo de mancha o rayado superficial, debe poseer una superficie sumamente pulida semejante a un a un espejo para que el proceso experimental sea un éxito. Las fases que comprenden este ensayo son: extracción de la muestra, montaje, desbaste, pulido mecánico, pulido electrolítico, ataque químico y la observación de la muestra en el microscopio adecuado.

2.8.4. ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA

Este procedimiento se utiliza para determinar el porcentaje exacto de componentes químicos que posee un determinado material, esta prueba actualmente se utiliza para todo tipo de industria, que necesite el estudio minucioso de la composición atómica de algún elemento. Utiliza un espectrómetro que permite la determinación de la composición química de metales, mediante la vaporización de la muestra y el análisis de las chispas formadas. Los átomos e iones que se desprenden durante este proceso, son excitados y emiten una luz que se conduce hacia sistemas ópticos. En éstos, la luz se mide mediante un detector electrónico fotosensible, que convierte la luz en cargas eléctricas. (Universidad Politécnica de Cataluña, 2016)

2.9. ERROR Y REPRODUCTIBILIDAD EN LA MEDICIÓN

Todos los ensayos mecánicos destructivos pueden tener un margen de error que puede variar de uno a otro pese a que se cumplan todos los parámetros técnicos y de que estos hayan sido realizados por expertos profesionales, sus resultados no serán exactamente igual y en la metrología se admite un margen de error que se puede determinar mediante la aplicación de la estadística. Para determinar el margen de error que presentaron los valores teóricos calculados, es necesario determinar la media muestral o promedio mediante la ecuación 20 (Galindo, 2010, pág. 20).

∑푁 푥𝑖 [ 20 ] X̅ = 𝑖=1 푁 Donde: X̅ : media muestral 푥𝑖: media muestral acumulada 푁: número total de muestras

Es necesario determinar la desviación estándar para conocer la variabilidad de las mediciones reales como un indicador de probabilidad mediante la ecuación 21 (González Manteiga & Péres de Vargas Luque, 2012, pág. 63).

[ 21 ] 푁 2 ∑푖=1(푥𝑖 − 푋̅) S = √ 푁 − 1

Donde: 푥𝑖: raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la media muestral X̅ : media muestral 푁: número total de muestras

Para determinar la tolerancia de error entre las mediciones teóricas calculadas y los valores experimentales obtenidos en la (EPN) se debe cuantificar la barra de error positiva y negativa mediante la ecuación 22 (Newell, 2011, pág. 87), para la cual se debe emplear nivel de incertidumbre y los grados de libertad asociados directamente con el número de ensayos realizados para decretar el rango de probabilidad real que se desee establecer, para esto el grado de confianza varía desde el 60%, 75%, 90%, 96%, 97.5% como se muestra en la tabla 20. [ 22 ] 푡 × 푠 δ = √푁 Donde: δ: barra de error 푡: valor estadístico (nivel de incertidumbre, grados de libertad) s: desviación estándar 푁: Número total de muestras

Tabla 20. Puntos de porcentaje, distribución Student (extracto) F(t) N 0.6 0.75 0.9 0.95 0.975 0.99 0.995 0.9995 1 0.325 1.000 3.078 6.314 12.706 31.821 63.657 636.619 2 0.289 0.816 1.886 2.920 43.003 6.965 9.925 31.598 3 0.277 0.765 1.638 2.353 3.182 4.541 5.841 12.924 4 0.271 0.741 1.533 2.132 2.776 3.747 4.604 8.610 5 0.267 0.727 1.476 2.015 2.571 3.365 4.032 6.869 6 0.265 0.718 1.440 1.943 2.447 3.143 3.707 5.959 7 0.263 0.711 1.415 1.895 2.365 2.998 3.499 5.408 8 0.262 0.706 1.397 1.860 2.306 2.896 3.355 5.041 (Newell, 2011)

METODOLOGÍA

3. METODOLOGÍA

El proceso metodológico que se empleó para el presente trabajo de titulación fue el experimental ya que mediante este método se dictaminó los valores numéricos reales para concluir con la pesquisa planteada con la asistencia de los laboratorios de Metalurgia Extractiva, Metalografía, Desgaste y Falla, y Análisis de Esfuerzos y Vibraciones (LAEV) de la Escuela Politécnica Nacional (EPN). Los métodos que se emplearon para la investigación y desarrollo del trabajo de grado fueron dos: método experimental-deductivo empleado durante toda la fase previa a la elaboración de las pruebas y de los ensayos, y el método experimental-explicativo, utilizado para inferir, interpretar y explicar los datos obtenidos luego de la elaboración de las pruebas y de los ensayos realizados. El curso metodológico fue diseñado fundamentado en el ciclo PHVA (Planificar, Hacer, Verificar, Actuar) o de Deming para que este pueda ser cíclico de modo que permita identificar y corregir las falencias o improvistos, que se puedan suscitar durante el desarrollo de la investigación, el proceso tubo tres etapas, la fase previa o de diseño, la ejecución y el análisis de resultados del proceso experimental esto se suscitó con el siguiente orden cronológico descrito a continuación. Para la fase previa se realizó el análisis de los países que más produjeron y vendieron automóviles a escala global de acuerdo a la Organización Internacional de Fabricantes de Vehículos Motorizados (OICA) del 2015, posterior a esto se realizó la disgregación del estado de la industria automotriz ecuatoriana de los últimos seis años basado en los informes anuales de la Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador (AEDE), de la Cámara de la Industria Automotriz Ecuatoriana (CINAE) y de la Asociación Ecuatoriana Automotriz (AEA) con el fin de conocer las importaciones, exportaciones y la producción nacional para posterior a esto seleccionar la empresa proveedora del vehículo base de la investigación. Luego de conocer la marca que más vendió en los últimos cinco años en el competitivo mercado automotriz se indagó en las rectificadoras más

conocidas en la ciudad de Quito los problemas más frecuentes asociados a los automotores chinos para determinar el vehículo procedente del gigante asiático que mayor tasa de averías presenta, proponiendo a la firma Saic Wuling como base del estudio. Se determinó que por la importancia estructural y de funcionamiento el cigüeñal sea el elemento base de la investigación el cual se adquirió en un taller especializado en la reparación de este tipo de automotores. Se eligió los tipos de pruebas, ensayos no destructivos y destructivos adecuados, influenciados directamente por la importancia de estos para determinar las propiedades mecánicas, del volumen de material, de la geometría del cigüeñal, y de los laboratorios que realicen estos ensayos en la ciudad de Quito, postulando así la elaboración de las pruebas de composición química, metalografía, el ensayo no destructivo de dureza Rockwell en escala C y los ensayos destructivos de tracción y de impacto o Charpy. Se utilizó el laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla de la EPN para la extracción de las probetas para el análisis químico por espectrometría de chispa, probetas metalográficas bajo el estándar ASTM A407-07 con el siguiente proceso: corte del material, desbaste grueso, desbaste fino, pulido grueso, pulido fino; probetas para el ensayo de dureza Rockwell en escala C bajo el estándar ASTM E13-16 con el siguiente proceso: corte y limado. Se utilizó el laboratorio de Maquinas-Herramientas de la EPN para la extracción y mecanizado de las probetas cilíndricas para el ensayo de tracción en donde el proceso involucro el corte del material, limado manual, rectificado, refrentado, cilindrado, y roscado; para las probetas rectangulares con un entalle a 45° en el centro para el ensayo de impacto o Charpy el procedimiento fue el corte del material, limado manual, rectificado, refrenado, limado mecánico, corte a 45° basándose en los estándar ASTM E8 y ASTM E23- 07aƐ1 respectivamente. Luego de obtener las probetas se realizó la prueba de composición química en el laboratorio de metalurgia extractiva en el cual el procedimiento no pudo ser constatado debido a políticas internas del laboratorio.

Tras obtener las probetas pulidas se realizó la prueba de metalografía en el laboratorio que conlleva el mismo nombre con el siguiente proceso: ataque químico y revisión micrográfica, simultáneamente se elaboró el ensayo de dureza Rockwell en escala C de manera teórica y posteriormente experimental para lo cual se empleó la ecuación 1 (American Society for Testing Materials E18 − 16, 2016, pág. 3).

ℎ HR = N − 푠

Donde: HR: dureza Rockwell N: constante para escala Rockwell C (100) h: incremento de profundidad de la huella (mm) S: constante para escala Rockwell C (0.002)

Se calculó la dureza Brinell teórica mediante la ecuación 2 (American Society for Testing Materials E10 − 15a, 2015, pág. 2).

퐹 퐹 HB = 2 = [ ] 퐷 휋 2 2 ((2) 퐷(퐷 − √퐷 − 퐷𝑖 ))

Donde: HB: dureza Brinell F: carga aplicada (Kg) D: diámetro de la esfera de penetración (mm) Di : diámetro de la impresión que dejó la esfera en el material (mm)

Se definió la dureza teórica Vickers mediante la ecuación 3 (American Society for Testing Materials E92 − 16, 2016, pág. 4).

푃 HV = 푆

Donde:

HV: dureza Vickers (Kgf/mm2) P: carga a aplicar al penetrador (Kg) S: superficie de la huella (superficie lateral de la huella) (mm)

Consiguiente se realizó el ensayo destructivo de tracción en el cual se puntualizó las propiedades existentes en la zona elástica como: el límite elástico teórico mediante la ecuación 4 (Millán Gómez, 2012, pág. 177).

퐹 푥 퐿 푙 = 훼 푆 Donde: l: alargamiento sufrido (mm) S: Sección o área (mm) L: longitud del hilo (mm) F: fuerza de tracción (Kg) α: coeficiente de alargamiento del material ensayado (MPa)

Se calculó la deformación ingenieril teórica con la ecuación 5 (Newell, 2011, pág. 77). 푙 − 푙 ∈= 0 푙0 Donde: ∈: deformación ingenieril (mm) 푙: longitud final de la muestra (mm) 푙0: longitud inicial de la muestra (mm)

Se determinó la deformación ingenieril real mediante la ecuación 6 (Newell, 2011, pág. 77).

푙푖 ∈푡= ln 푙0 Donde:

∈푡: deformación ingenieril real (mm) 푙푖: longitud final de la muestra (mm) 푙0: longitud inicial de la muestra (mm)

Posterior a esto se determinó el porcentaje de diferencia existente entre la deformación ingenieril teórica y la real; se calculó el módulo de elasticidad mediante la ecuación 7 (Caiza Vega, 2011, pág. 34). 퐹 σ 푆 E = = ∈ ∆퐿 퐿

Se valoró el coeficiente de Poisson mediante la ecuación 8 (Velez Moreno, 2008, pág. 120). 퐸 휗 = − 1 2퐺 Donde: 휗: coeficiente de Poisson E: módulo de elasticidad o de Young (MPa) G: módulo de rigidez o de corte (MPa)

Se determinaron las propiedades que se presentan en la zona plástica como: la resistencia máxima a la tracción o la tensión ingenieril real y experimental mediante la ecuación 9 (Newell, 2011, pág. 72).

퐹 σ = 퐴0

Donde: 휎: resistencia máxima a la tracción (MPa) F: fuerza aplicada (N) 2 퐴0: área de la sección transversal inicial de la muestra (mm )

Tras obtener los valores de tensión real y experimental se realizó una paridad entre estas cantidades por medio de un gráfico de Pareto. Se calculó el porcentaje de alargamiento teórico y experimental de las probetas de tracción mediante la ecuación 10 (Hibbeler, 2011, pág. 87).

퐿푓 − 퐿0 % A = 푥 100 퐿0 Donde: % 퐴: deformación ingenieril (%) 퐿푓: longitud final de la probeta (mm) 퐿0: longitud inicial de la probeta (mm)

Luego se realizó una comparación numérica entre el porcentaje de elongación teórica y el porcentaje de elongación real por medio de un gráfico de barras paralelas. Se calculó el porcentaje de reducción del área de la probeta teóricamente mediante la ecuación 11 (Mott, 2009, pág. 61).

퐴푓 − 퐴0 % RA = 푥 100 퐴0 Donde: %푅퐴 : reducción del área (%) 퐴푓: sección final de la probeta (mm) 퐴0: sección inicial de la probeta (mm)

Para finalizar el ensayo de tracción se calculó la carga máxima de rotura del material, que se presentó entre las marcas previamente calibradas en la fase previa a la elaboración del ensayo, este parámetro se determinó mediante la ecuación 12 (Millán Gómez, 2012, pág. 178).

퐹푚 Cr = 푆 Donde:

퐶푟 : carga de rotura (Kg/mm2) Fm: fuerza máxima (Kg) 2 퐴0: sección de la probeta (mm )

Se elaboró el diagrama esfuerzo-deformación ingenieril con los datos de fuerza y elongación que fueron obtenidos de manera experimental durante el ensayo de tracción para las dos probetas circulares. Se realizó el análisis del acero de construcción del objeto base del estudio, para determinar el tipo de acero desde el punto de vista químico mediante los resultados obtenidos de la (EPN) poniendo énfasis en el contenido de carbono. Se puntualizó el tipo de acero del cigüeñal desde el punto de vista de las propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de tracción, específicamente de la resistencia máxima a la tracción y del porcentaje de elongación en 25mm obtenidos por los métodos experimental y real con el tipo de acero que concordó por el porcentaje de carbono. Se comparó la dureza Rockwell de grado C que se obtuvieron de manera teórica y real para las probetas con cada grado de acero que concordó con el análisis químico y con las propiedades mecánicas obtenidas previamente. Se realizó el análisis de la fractura de las probetas de tracción mediante la macroscopía en la (EPN). Se realizó el ensayo de impacto o Charpy en el cual se determinó la energía de impacto con la que el martillo golpeador impactó la probeta de sección cuadrada mediante la ecuación 13 (Newell, 2011, pág. 84).

푒푙 = 푚푔(ℎ0 − ℎ푓)

Dónde:

푒푙: energía de impacto (J) 푚: masa del martillo (Kg) 푔: aceleración derivada de la gravedad (m/s2) ℎ0: altura inicial del péndulo (m) ℎ푓: altura final del péndulo (m)

Se calculó los parámetros estrechamente ligados con la maquina universal de ensayos de impacto como el trabajo potencial del péndulo teóricamente mediante la ecuación 14 (Millán Gómez, 2012, pág. 179). Tp = P × H

Donde: Tp: trabajo potencial del péndulo (J) P: fuerza que ejerce el péndulo (N) 퐻: altura de caída del péndulo gravedad (m)

Se determinó el trabajo residual del péndulo teórico mediante la ecuación 15 (Millán Gómez, 2012, pág. 180).

푇푟 = 푃 × ℎ

Donde: Tr: trabajo residual del péndulo (J) P: fuerza que ejerce el péndulo (N) ℎ: Trayectoria ascendente del péndulo luego de impactar la probeta (m)

Se realizó el cálculo del trabajo absorbido por la probeta mediante la ecuación 16 (Millán Gómez, 2012, pág. 180).

Ta = Tp − Tr

Donde: Ta: trabajo absorbido por la probeta (J) Tp: trabajo potencial del péndulo (J) 푇푟: trabajo residual del péndulo (J)

Se determinó la resiliencia del material teórica mediante la ecuación 17 (Millán Gómez, 2012, pág. 180).

푇푎 R = 푆

Donde: 푅: resiliencia del material (Kgf m) Ta: trabajo absorbido (Kgf) 푆: sección de la probeta (m) Se calculó la velocidad del péndulo de la máquina universal de ensayos de impacto mediante la ecuación 18 (Rubio Rodríguez & Yuquilema Paca, 2012, pág. 52).

ϑ2 = √2 × 푔 × ℎ1

Donde: 2 ϑ2: velocidad del péndulo (m/s ) 푔: fuerza de atracción gravitatoria (m/s2) ℎ1: altura inicial (m)

Se determinó la energía inicial del péndulo mediante la ecuación 19 (Rubio Rodríguez & Yuquilema Paca, 2012, pág. 53)

퐸0 = 퐸푃 = 푚 × 푔 × ℎ

Donde:

퐸0: energía inicial del péndulo (Kgf m) 퐸푃: energía potencial (J) 푚: masa (Kg) 푔: fuerza de atracción gravitatoria (m/s2) ℎ: altura inicial (m)

Se realizó el análisis de la fractura de las probetas de impacto para determinar la tenacidad de las mismas observando el tipo de grano presente en las grietas mediante la macroscopía en la (EPN). Finalmente se realizó el análisis del error de reproductibilidad en la medición para los valores obtenidos de forma teórica y experimental, para el ensayo de tracción pese a que la máquina universal de ensayos esta calibrada se examinó las propiedades de resistencia máxima a la tracción, el porcentaje de alargamiento en 25mm.

Se realizó el mismo análisis para el ensayo Charpy en el cual se examinó la energía de fractura, para esto se determinó el margen de error con el cálculo de la media muestral o promedio mediante la ecuación 20 (Galindo, 2010, pág. 20).

∑푁 푥𝑖 X̅ = 𝑖=1 푁

Donde: X̅ : media muestral 푥𝑖: media muestral acumulada 푁: número total de muestras

Se calculó la desviación estándar para determinar la variabilidad de las mediciones como un indicador de probabilidad mediante la ecuación 21 (González Manteiga & Péres de Vargas Luque, 2012, pág. 63).

푁 2 ∑푖=1(푥𝑖 − 푋̅) S = √ 푁 − 1

Donde: 푥𝑖: raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la media muestral X̅: media muestral 푁: número total de muestras

Para determinar el rango de error real se calculó la barra de error mediante la ecuación 22 (Newell, 2011, pág. 87).

푡 × 푠 δ = √푁 Donde:

δ: barra de error 푡: valor estadístico (nivel de incertidumbre, grados de libertad) s: desviación estándar 푁: Número total de muestras

Se comparó la dureza Rockwell C teórica incluido el margen o barra de error determinado anteriormente con la dureza obtenida experimentalmente en la (EPN) con un nivel de confianza muy elevado que certifica que las mediciones se encuentran en la tolerancia del error. Se realizó una paridad de la resistencia máxima a la tracción teórica incluido el margen o barra de error determinado anteriormente, con los valores obtenidos experimentalmente en la (EPN) con un nivel de confianza óptimo que certifica que las mediciones se encuentran en la tolerancia del error. Se equiparó el porcentaje de elongación en 25 mm teórico incluido el margen o barra de error determinado anteriormente, con los valores obtenidos experimentalmente en la (EPN) con un nivel de confianza óptimo que certifica que las mediciones se encuentran en la tolerancia del error.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. DISEÑO DEL PROCESO EXPERIMENTAL

Para el diseño del proceso experimental y para que este pueda mantener un orden adecuado, con el cumplimiento objetivo y de las metas trazadas, se elaboró un cronograma de actividades. Ver ANEXO XIII Este cronograma fue diseñado para los seis meses correspondientes para la elaboración del trabajo de titulación, el cual tiene tres fases, las cuales son: el diseño, el desarrollo y los resultados del proceso experimental, además de estas etapas definidas claramente, en cada una de ellas existe intrínsecamente la verificación y corrección de estas; este modelo experimental está subdividido en semanas.

4.1.1. MODELO OPERATIVO DE LA INVESTIGACIÓN

Tras la elaboración del diseño de todo el proceso experimental, se tenía preestablecido las actividades generales que conllevan la investigación, tras finiquitar el trabajo de grado, se diseñó un cuadro cronológico en donde se colocó todas las actividades que no se tenían pre estipuladas o preestablecida al iniciar la investigación. Ver ANEXO IX Se detalló cada ítem con su respectivo desarrollo, este cuadro fue dividió en seis faces operativas, cada una con etapas, actividades fijas y variables, la meta de dicha actividad, el responsable de que se realizará, el tiempo (número de semana del cronograma general de actividades), y el tipo de recurso utilizado (humano, tecnológico, económico, tiempo), este modelo operativo puede ser variable ya que los recursos que se emplearon son susceptibles a cambios por factores legales, técnicos, institucionales y económicos

4.2. DESARROLLO DEL PROCESO EXPERIMENTAL

4.2.1. ELECCIÓN PREELIMINAR DE LA MARCA DEL VEHÍCULO BASE DE LA INVESTIGACIÓN

Según la Organización de Fabricantes de Vehículos de Motor (OICA) el país que más divisas recibió por la manufactura y venta de automotores a escala global fue China con un 29.99% y 27.43% respectivamente en el año 2015 manteniendo su hegemonía desde hace 10 años sobre otros fuertes competidores como Estados Unidos, Japón o Alemania, en donde su producción y venta duplica a su competidor más cercano como lo muestra la tabla 21.

Tabla 21. Mayores productores y vendedores de automotores del mundo (2015) PRODUCCIÓN VENTAS N° PAÍS N° PAÍS (UNIDADES) (UNIDADES) 1 China 24 503 326 1 China 24 597 583 2 EE UU 12 100 095 2 EEUU 17 470 659 3 Japón 9 278 238 3 Japón 5 046 511 4 Alemania 6 033 164 4 Alemania 3 539 825 Corea del 5 4 555 957 5 India 3 425 336 Sur 6 India 4 125 744 6 Reino Unido 3 061 406 7 México 3 565 469 7 Brasil 2 568 976 8 España 2 733 201 8 Francia 2 345 092 9 Brasil 2 429 463 9 Canadá 1 939 949 Corea del 10 Canadá 2 283 474 10 1 833 786 Sur

China sigue siendo el líder mundial en la construcción y ventas de vehículos desde hace más de ocho años principalmente debido a que las marcas chinas han optado por realizar alianzas estratégicas con marcas de renombre de otros continentes como: Chevrolet que actualmente tiene una de las ensambladoras más grandes del mundo en este gigante asiático. En el 2015 la República del Ecuador importó 33 640 automotores del cual el 12.1% correspondiente a 4 070 vehículos pertenecieron al gigante asiático como lo muestra la tabla 22.

Tabla 22. Importación de vehículos por país de Origen para Ecuador (2015) PAIS % N° Automotores

Corea del sur 25.7 8 645 Japón 18 5 988 China 12.1 4 070 México 9.7 3 263 Colombia 11 3 700 EEUU 4.5 1 514 Tailandia 5.4 1 817 Indonesia 2 673 Otros 11.9 4 003 (Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador, 2015)

En el porcentaje de participación de los vehículos de origen chino importados están incluidas las marcas más conocidas del medio como Chery, Saic Wuling, Dongfeng etc. Actualmente existen cuatro ensambladoras en el país que se encargan de la producción nacional que para el 2015 manufacturaron 50 732 automotores de los cuales el 66.6% corresponden a automóviles, el 30.7% a camionetas y el 2.7% a Suv´s; estas ensambladoras están lideradas por Omnibus BB con una participación del 72.1% seguida de AYMESA con el 13.1%, de MARESA con el 11.2% y CIAUTO con el 3.6% de producción nacional. La exportación de vehículos creció paulatinamente desde el año 2010 como se muestra en la tabla 23.

Tabla 23. Resumen de la industria Automotriz en el Ecuador de los últimos seis años en unidades PRODU VENTAS VENTAS VENTAS Año EXPORTACIÓN IMPORTACIÓN NACIONAL NACIONAL IMPORT TOTALES

2010 76 252 19 736 79 685 55 683 76 489 132 172

2011 75 743 20 450 75 101 62 053 77 840 139 893

2012 81 398 24 815 66 652 56 395 65 051 121 446

2013 66 844 7 211 62 595 55 509 58 303 113 812

2014 63 972 8 368 57 093 61 855 58 205 120 060

2015 50 732 3 274 33 640 43 962 37 347 81 309

(Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador, 2015)

De acuerdo a la Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador (AEDE) la marca china que más automotores vendió en los últimos cinco años en la República del Ecuador es Chery antiguamente Cinascar S.A importador directo de Saic Wuling, con una media de 1 194 vehículos por año como se muestra en la tabla 24.

Tabla 24. Ventas de vehículos de todas las marcas en el Ecuador MARCA 2010 % 2011 % 2012 % 2013 % 2014 % 2015 %

CHEVROLET 53 429 40.4 59 189 42.3 54947 45.2 50195 44.1 53 574 44.6 40265 49.5

KIA 10 908 8.3 11 965 8.6 10144 8.35 12300 10.8 12 038 10.0 7 647 9.40

HYUNDAI 17 241 13 14 879 10.6 12296 10.1 9 629 8.46 10 623 8.85 5 678 6.98

NISSAN 9 407 7.1 10 080 7.2 7 051 5.81 6 576 5.78 6 019 5.01 3 794 4.67

MAZDA 8 589 6.5 8 012 5.7 5 120 4.22 6 402 5.63 6 916 5.76 3 651 4.49

TOYOTA 8 722 6.6 6 730 4.8 6 840 5.63 6 425 5.65 6 476 5.39 3 651 4.49

HINO 3 831 2.9 4 133 3.0 3 625 2.98 3 735 3.28 4 578 3.81 3 385 4.16

GREAT WALL 679 0.5 2 085 1.49 2 088 1.72 1 688 1.48 2 160 1.80 2 445 3.01

FORD 4 080 3.1 4 385 3.13 4 254 3.50 4 086 3.59 4 164 3.47 1 771 2.18

RENAULT 5 126 3.9 5 441 3.89 2 707 2.23 2 624 2.40 2 587 2.15 1 128 1.39

VOLKSWAGEN 2 603 2 3 590 2.57 2 969 2.44 1 846 1.62 1 942 1.62 1 105 1.36

CHERY 490 0.4 1 515 1.08 1 854 1.53 1 134 1.00 1 117 0.93 1 059 1.30

JAC 406 0.3 924 0.66 1 086 0.89 1 175 1.03 1 314 1.09 891 1.10

DFSK 0.00 0.1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 765 0.64 558 0.69

CITROEN 115 0.2 137 0.10 178 0.15 184 0.16 453 0.38 329 0.40 MERCEDEZ 451 0.3 446 0.32 327 0.27 44 0.04 335 0.35 316 0.39 BENZ

MITSUBISHI 1 034 0.8 983 0.70 371 0.31 454 0.40 419 0.23 256 0.31

FIAT 98 0.1 68 0.05 169 0.14 508 0.45 278 0.25 236 0.29

DONGFENG 96 0.1 163 0.12 90 0.07 140 0.12 303 0.04 216 0.27

FAW 3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 49 0.37 206 0.25

JEEP 71 0.1 155 0.11 237 0.20 409 0.36 443 0.15 203 0.25

INTERNATIONAL 168 0.1 234 0.17 263 0.22 161 0.14 186 0.16 192 0.24

AUDI 111 0.08 131 0.09 150 0.12 150 0.13 191 0.39 182 0.22

KENWORTH 271 0.21 353 0.25 480 0.40 492 0.43 472 0.25 179 0.22

BYD 138 0.10 77 0.06 140 0.12 31 0.03 299 0.00 171 0.21

FUSO 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 151 0.19

LIFAN 189 0.14 288 0.21 300 0.25 73 0.06 25 0.15 146 0.18

PEUGEOT 238 0.18 349 0.25 241 0.20 162 0.14 184 0.12 146 0.18

Tabla 24. Ventas de vehículos de todas las marcas en el Ecuador continuación… HONDA 198 0.15 214 0.15 216 0.18 171 0.15 147 0.09 121 0.15

JMC 42 0.03 107 0.08 122 0.10 241 0.21 106 0.00 121 0.2 GOLDEN 0.00 0.00 65 0.05 52 0.04 41 0.04 2 0.12 117 0.14 DRAGON BMW 203 0.15 212 0.15 152 0.13 149 0.13 150 0.22 114 0.14

SKODA 745 0.56 647 0.46 551 0.45 525 0.46 261 0.23 100 0.12

FREIGHTLINER 219 0.17 249 0.18 276 0.23 341 0.30 272 0.07 96 0.12

UD TRUCKS 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 86 0.11 78 0.10

FOTON 29 0.02 20 0.01 21 0.02 48 0.04 128 0.08 76 0.09

MACK 171 0.13 199 0.14 389 0.32 227 0.20 100 0.04 63 0.08

BEIBEN 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 52 0.04 49 0.06

YUTONG 0.00 0.00 54 0.04 49 0.04 36 0.03 48 0.04 49 0.06

OTRAS 2192 1.66 1828 1.31 1711 1.41 1501 1.32 798 1.41 371 0.46

TOTAL 2172 13 100 893 139 100 466 121 100 812 113 100 060 120 100 309 81 100 (Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador, 2015)

Se eligió la empresa Chery que antiguamente era la comercializadora Cinascar S.A, puntualizando el modelo minivan N637 de Saic Wuling que es su marca filial, esto fue relacionado con el crecimiento económico de la empresa en los últimos cinco años demostrando que cada vez más personas han optado por adquirir un vehículo de esta firma.

4.2.2. DETERMINACIÓN DEL ELEMENTO PARA EL ANÁLISIS

Existe una constate en los talleres y en las rectificadoras de motores de vehículos que utilizan combustible fósil de gasolina o Diesel en el Distrito Metropolitano de Quito ya que presentan un crecimiento gradual de automotores chinos con serias averías principalmente asociadas con el motor, que en la mayoría de casos necesita una rectificación de cabezote o culata, una rectificación de cilindros y un cambio de pistones, es así como surgió la importancia de realizar un estudio para determinar las principales propiedades mecánicas que posee el acero con el cual fue construido el motor y esencialmente el cigüeñal ya que es la “columna vertebral” de todo el tren

motriz como se había mencionado en el capítulo dos del presente trabajo de titulación. Es indispensable conocer el desgaste real del cigüeñal que principalmente se presenta en los muñones de biela y bancada pese a que esté se encuentra bien lubricado y de que utiliza cojinetes para minimizar la fricción que existe en el interior del motor.

4.2.3. ADQUISICIÓN DEL MATERIAL A PRUEBA

En un principio se planteó la idea de adquirir un cigüeñal completamente nuevo de Cinascar S.A ahora Chery del Ecuador, importador directo de la marca Saic Wuling pero se optó por conseguir uno usado para poder realizar las mediciones adecuadas y determinar el grado de desgaste que este elemento ha sufrido; luego de una búsqueda realizada en el Distrito Metropolitano de Quito, el cigüeñal fue encontrado y adquirido en el taller de servicios mecánicos “Tecnicentro Automotriz Guanoliquín”. En mutuo acuerdo con el dueño de la furgoneta china como se observa en la figura 29, y cuyas especificaciones como se observan en la tabla 25 cumplían con los requerimientos para el desarrollo del trabajo de investigación, se procedió a verificar el estado del automóvil y en especial el motor de esta furgoneta que se encontraba totalmente inutilizado.

A B

Figura 29. Furgoneta Saic Wuling Modelo mini van 1000cc (A) Vista frontal (B) Vista posterior

Tabla 25. Ficha técnica Furgoneta Saic Wuling Modelo Mini Van súper 6376 de 1000cc MARCA Saic Wuling MODELO Mini Van 6376 COLOR Blanco PLACA PBB 2099 LONGITUD LATERAL (mm) 3 810 LONGITUD TRANSVERSAL (mm) 1 510 ALTURA (mm) 1 820 PESO (Kg) 1 575 NÚMERO DE CHASIS LJ465Q-1AE6 706101257 NÚMERO DE CILINDROS 4 CILINDRAJE 998 cc RPM HP POTENCIA 5 600 60.35 NM RPM TORQUE 85 3 500

Tras el desmontaje y desarme como se observa en la figura 30 se pudo evidenciar que el cigüeñal había sufrido una rotura trasversal.

A B

Figura 30. Desmontaje del cigüeñal (A) bloque motor (vista frontal), (B) cigüeñal

Tras haber obtenido el cigüeñal se realizó una limpieza superficial, ya que se encontraba totalmente cubierto por el aceite lubricante, luego de lo cual el

objeto a prueba fue llevado al taller de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial en el campus occidental, donde se realizó la cuantificación dimensional como se observa en la figura 31 y caracterización física (peso, longitud) en el cual se pudo obtener los datos exactos del mismo como se observan en la tabla 26.

Figura 31. Cuantificación dimensional de cigüeñal por medio de un micrómetro de exteriores de 50-75 mm

Tabla 26. Especificaciones técnicas del cigüeñal base de la investigación PESO (Kg) 23 LONGITUD (mm) 404

MUÑÓN DE BANCADA MUÑÓN DE BIELA CONTRAPESOS N° mm mm mm 1 50.1 ± 0.05 37.0 ± 0.05 10 ± 0.02 2 50.1 ± 0.05 36.9 ± 0.05 10 ± 0.02 3 50.1 ± 0.05 37.0 ± 0.05 10 ± 0.02 4 50.1 ± 0.05 36.9 ± 0.05 10 ± 0.02 5 50.1 ± 0.05 - 10 ± 0.02 6 - - 10 ± 0.02 7 - - 10 ± 0.02 8 - - 10 ± 0.02

4.2.4. EXTRACCIÓN DE LAS PROBETAS

4.2.4.1. Probetas para el análisis químico

Las probetas para el análisis químico fueron tomadas de la zona B del cigüeñal como se muestra en la figura 32, en donde se extrajo dos muestras que fueron llevadas al laboratorio de Metalurgia extractiva de la facultad de Ingeniería Mecánica de la (EPN) para su completo análisis.

Figura 32. Delimitación de zonas para la elaboración de las pruebas y ensayos en el cigüeñal Saic Wuling

Debido a que este laboratorio maneja estrictas normas de salubridad y un control de personal riguroso no fue posible la intervención directa para constatar los siguientes subprocesos que se le dieron a las probetas extraídas para el análisis químico como se muestra en la figura 33.

A B

Figura 33. Probetas para ensayo de composición química (A) del muñón de bielas, (B) del contrapeso

4.2.4.2. Probetas metalográficas

El proceso de elaboración de las probetas metalográficas se puede evidenciar en la figura 34.

Figura 34. Esquema del proceso de elaboración de las probetas metalográficas

 Corte del material

Para la extracción de las dos probetas metalográficas se utilizó la zona B del cigüeñal, en donde se realizó el corte de uno del contrapeso (probeta metalográfica 1= M1) como se muestra en la figura 35 por aproximadamente 20 minutos, se debe recordar que se debe cortar materiales de origen férreo mediante abundante refrigerante, ya que de lo contrario este proceso podría alterar la microestructura interna de las probetas. Para la probeta extraída del muñón se realizaron dos cortes, el primero fue longitudinal a 90° de inclinación y el segundo un corte transversal a 45°, para la segunda probeta extraída del contrapeso se realizó el mismo procedimiento que para la probeta anterior, estos procedimientos fueron realizados mediante una avance de corte constante de 0.01 m/s2 a 2 000 revoluciones por minuto.

Figura 35. Probetas metalográficas

Luego de realizar las incisiones mediante la cortadora de disco industrial en donde los datos referentes a este equipo se muestran en la tabla 27, se debe rosear las probetas metálicas con alcohol de 99.8° de pureza también llamado absoluto como se observa en la figura 36 para evitar que estas se oxiden, el exceso de alcohol es eliminado por medio de una secadora de calor.

Tabla 27. Cortadora de disco

EQUIPO Cortadora de disco

MARCA American Machine Clean

VOLTAJE (V) 220

MOTOR (Hp) 10

MEDIO Disco de corte para aceros ABRASIVO

MEDIO DE Agua REFRIGERACIÓN

A B

Figura 36. (A) Impregnación de alcohol, (B) secado de las probetas M1 y M2

 Desbaste grueso

Para la probeta M1 y M2 se realizó el desbaste grueso como se muestra en la figura 37, para retirar todas las rebabas que quedaron en las superficies laterales y planas de las probetas.

Figura 37. Desbaste grueso para las probetas metalográficas

Este procedimiento fue realizado aproximadamente por 10 minutos en la desbastadora de disco en donde los datos referentes a este equipo se muestran en tabla 28 utilizando lijas de lona de 80 y 100 granos/pulgada con abundante agua.

Tabla 28. Desbastadora de disco (desbaste grueso) EQUIPO Desbastadora de disco

MARCA Buehler

MODELO 121-OM-84

VOLTAJE (V) 120

MOTOR (Hp) 1

MEDIO ABRASIVO Lija 100-80 (granos/pulg)

REFRIGERACIÓN Agua

 Desbaste fino

Antes de realizar el desbaste fino se etiquetó cada probeta, y se procedió a realizar el desbaste para la probeta M1 por aproximadamente una hora, ya que de este procedimiento depende el éxito de la pulida final anterior a la prueba metalográfica. Para que el desbaste fino como se muestra en la figura 38, sea exitoso es necesario que todas las líneas que se forman en la superficie plana de la probeta se encuentren en un solo sentido de dirección, porque de lo contrario la muestra expuesta al microscopio tendría serias fallas, impidiendo que el resultado esperado sea el ideal. Para este procedimiento manual es indispensable el conocimiento empírico del operario, ya que un mal movimiento en el desbaste podría arruinar la probeta ocasionando que se repita el pulido grueso.

Figura 38. Pulido fino de la probeta M1

El desbaste fino se realiza con lijas de 240, 320, 400, 600, 2 000 granos/pulgada, en el banco de pulido en donde los datos referentes a este equipo se muestran en la tabla 29 con un caudal constante de agua con movimientos rectilíneos transversales a las líneas anteriores dejadas por el desbaste grueso para que estas se pierdan, es necesario cambiar las lijas bajo un tiempo prudencial de uso, ya que el papel abrasivo se deteriora con cada barrido de las probetas. Es indispensable que la persona encargada de realizar el pulido de las probetas metalográficas tenga una elevada destreza en las manos ya que un mal movimiento durante la ejecución de este procedimiento podría rayar la probeta

Tabla 29. Banco de pulido EQUIPO Banco de pulido

MARCA Buehler

MODELO 121-OM-84

VOLTAJE (V) 110

MEDIO ABRASIVO Lijas 240-320-400- (granos/pulg) 600-2 000

MEDIO DE Agua REFRIGERACIÓN

Para la probeta M2 es necesario realizar otro proceso antes de seguir con el pulido grueso y fino debido a que la geometría y la superficie de la misma no facilitan la manipulación por parte del operario, tras la pulida gruesa se colocó la probeta en un anillo circular de un acrílico común de 5 mm de diámetro y 4 mm de espesor de color blanco en donde se realizó la preparación de un aglutinante con resina de polyester (25-30ml), catalizador (5-7 gotas), y un endurecedor (30-40 gotas), que será vertido en el molde, luego se esperó un periodo de 30 a 40 minutos para que esta goma se solidifique para posteriormente retirar la probeta M2, como se muestra en la figura 39.

A B

Figura 39. (A) Probeta M2 con el aglutinante seco, (B) Aglutinante en el molde en estado líquido

 Pulido grueso y fino

Este procedimiento es riguroso en donde el conocimiento empírico en pulido de superficies metálicas es esencial, el pulido grueso tanto para M1 y M2 como se muestra en la figura 40 se realizó por 4 horas cada una, con alúmina de 1 micrón en suspensión líquida al 3 con agua, con revoluciones bajas en la pulidora de paño en la cual los datos técnico se muestran en al tabla 30, para este pulido es necesario que el paño que se utiliza este limpio y en la medida de lo posible sea nuevo.

A B

Figura 40. (A) Pulido grueso para M1 (B) Pulido grueso para M2

Tabla 30. Pulidora de paño (pulido grueso y fino) EQUIPO Pulidora de paño MARCA Buehler MODELO 115-RM-1 850 VOLTAJE (V) 110 MOTOR (Hp) 1 Pulido grueso: MEDIO ABRASIVO Alúmina de 1 micrón (granos/pulg) Pulido Fino: Alúmina de 0.3 micrones MEDIO DE Agua

REFRIGERACIÓN

El pulido fino como se muestra en la figura 41 se realizó con alúmina de 0.3 micrónes en suspensión líquida al 3 con agua durante 8 horas a revoluciones medias, tanto para M1 y para M2, posteriormente se realizó el pulido súper fino por aproximadamente 6 horas con altas revoluciones únicamente con agua con un caudal constante, para este procedimiento se debe cambiar el paño o a su vez realizar una limpieza profunda para que los restos de alúmina sean eliminados por completo ya que estos restos microscópicos pueden causar rayaduras profundas en las probetas dificultando la observación de la microestructura en la prueba de metalografía.

A B

Figura 41. (A) Pulido fino con agua para M1, (B) Pulido fino con agua para M2

Tras finalizar este proceso en donde la probeta esta directamente expuesta al contacto con el agua, se colocó alcohol sobre la superficie para evitar que esta se oxide, se debe secar el exceso de este líquido con una secadora normal; se colocó las probetas pulídas para la observación en un microscópio obteniendo una revisión profunda para evitar que aparescan unas líneas como se muestra en la figura 42 que dificultaran el análisis metalográfico.

Figura 42. Revisión microscópica de la probeta M1 (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

Tras finalizar todo el porceso de pulido se obtiene probetas con una superficie plana como espejo como se muestra en la figura 43, listas para realizar el ataque químico y la prueba metalográfica.

A B

Figura 43. (A) Probeta M1, (B) Probeta M2 pulidas completamente

4.2.4.3. Probetas para el ensayo de dureza

Las probetas que se utilizaron para el ensayo de dureza Rockwell escala C, son las mismas probetas que se emplearon para el análisis metalográfico debido que para el ensayo no destructivo de dureza Rockwell es necesario que estos elementos posean una superficie completamente plana como lo especifica el estándar ASTM E18-16, quedando delimitado que la probeta metalográfica M1 es la probeta de dureza D1, y la probeta metalográfica M2 es la probeta de dureza D2.

4.2.4.4. Probetas para el ensayo de tracción

El proceso de extracción y mecanización de las probetas de sección cilíndrica para el ensayo de tracción es un sistema ordenado de acciones manuales y mecánicas, elaboradas a partir de la zona A del cigüeñal, las probetas T1 y T2, fueron creadas en el taller de Máquinas y Herramientas en la facultad de Ingeniería mecánica de la (EPN) bajo el estándar requerido, este proceso se muestra en la figura 44.

Figura 44. Esquema de extracción y mecanización de las probetas para el ensayo de tracción

Para que el ensayo de tracción sea exitoso se siguió el estándar ASTM E8, que dictamina las dimensiones que deben poseer las probetas como se muestra en la figura 45, en donde se eligió la sección para especímenes pequeños debido a que la geometría del cigüeñal es irregular impidiendo obtener probetas con dimensiones mayores.

Figura 45. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción según el estándar ASTM E8 (American Society for Testing Materials E8, 2010)

 Corte

Antes de comenzar con el proceso de corte, se identificó el área del cigüeñal de donde se obtuvo las probetas como se muestra en la figura 46, quedando así que qué la probeta T1 se obtenga del contrapeso 2 y T2 del contrapeso 5.

A B

Figura 46. Delimitación del área para la extracción de las probetas T1 y T2

Se utilizó la sierra mecánica como se muestra en la tabla 31, para realizar una serie de cortes trasversales en cada unión de muñón y contrapeso, con un correcto montaje del cigüeñal asistido con unas alzas de madera, para este procedimiento se utilizó taladrina para refrigerar el área de corte evitando que esta superficie cambie su microestructura.

Tabla 31. Sierra mecánica

EQUIPO Sierra mecánica

MARCA Uniz

MODELO 00020-2

VOLTAJE (V) 110

Durante la realización de cortes como se muestra en la figura 47 se debe utilizar un arco de sierra completamente nuevo al iniciar el proceso.

A B

Figura 47. (A) Montaje del cigüeñal en la sierra mecánica, (B) corte trasversal del muñón de biela

Se realizaron 18 cortes utilizando la sierra mecánica, para poder obtener el suficiente material para mecanizar las secciones cuadrangulares de 4x10.5mm como se muestra en la figura 48, es necesario obtener la figura base de las probetas, siempre realizando las mediciones necesarias para asegurar que los elementos base queden a una dimensión en donde se pueda obtener las probetas según el estándar ASTM E8.

Figura 48. (A) Cigüeñal cortado en secciones, (B) figura base de las probetas

 Rectificado

Antes del rectificado de las superficies es necesario quitar las rebabas dejadas por el anterior proceso de corte, por medio de una lima plana de grano grueso, en donde fueron montadas las probetas T1 y T2 en una entenalla y se procedió al limado de la superficie. Luego de quitar las rebabas las probetas fueron montadas en la rectificadora de superficies planas como se muestra en la figura 49 en donde se desbasto y se refrentó un promedio de 0.12 mm de cada lado de la probeta dándoles una forma rectangular, este procedimiento de desbaste se realizó con taladrina a una media de 380 rpm.

Figura 49. Rectificado de la superficie trasversal de las probetas T1 y T2

 Cilindrado

Tras el rectificado de cada una de las caras planas de la probeta se montó la probeta en el torno horizontal cuyas características se muestran en la tabla 32; con la ayuda de un mandril de cuatro muelas debido a la geometría cuadrangular que posee el material base, se realizó una perforación de centros en la superficie lateral de la probeta para que esta se sujete correctamente al contrapunto para evitar que este elemento se mueva durante el proceso de cilindrado. Posterior a esto se cilindro la probeta alrededor de 1.2 mm como se muestra la figura 50, hasta alcanzar las dimensiones que dictamina la norma en la parte central de la probeta de 20 ± 0.4 mm.

Tabla 32. Torno horizontal EQUIPO Torno Horizontal MARCA Torrent MODELO Mod.T.72-42 VOLTAJE (V) 220 LUBRICACIÓN Taladrina NÚMERO DE 12 (35 - 2300 rpm) VELOCIDADES PESO (Kg) 1 550

Figura 50. Cilindrado de la probeta de tracción

Se realizó un chaflán de 1x45° a 19 mm desde el borde de la probeta hacia el centro de la misma (25 mm) en cada lado.

 Roscado

El proceso de mecanizado de la probeta se finaliza tras realizar el roscado de 10 hilos/pulgada en una sección de 1 plg en cada lado de las probetas, de acuerdo a lo estipulado, este roscado puede variar de acuerdo a la máquina de ensayos de tracción que se utiliza, la sección central de la probeta es la más importante ya que en esta área es en donde se realiza el calibrado de la muestra a 0.4 plg cada punto. Al finalizar el mecanizado se obtiene la probeta de tracción como se muestra en la figura 51 bajo las dimensiones del estándar ASTM E8.

100

Figura 51. (A) Probeta de tracción T1, (B) Probeta de tracción T2

4.2.4.5. Probetas para el ensayo Charpy

El proceso de extracción y mecanización de las probetas de sección rectangular para el ensayo de impacto como se muestra en la figura 52, es un sistema ordenado de acciones manuales y mecánicas, elaboradas a partir de la zona B del cigüeñal, las probetas CH1 y CH2 fueron creadas en el taller de Máquinas y Herramientas en la facultad de Ingeniería mecánica de la (EPN), es necesario que estas probetas tengan las dimensiones exactas para que los resultados obtenidos sean los más cercanos a la realidad.

Figura 52. Proceso de extracción de las probetas para el ensayo Charpy

Para que el ensayo de impacto o Charpy sea exitoso se siguió el estándar ASTM E23 08 aɛ1, que dictamina las dimensiones que deben poseer las

101

probetas como se muestra en la figura 53, en donde se eligió el estándar para especímenes pequeños debido a que la geometría del cigüeñal es irregular impidiendo obtener probetas con dimensiones mayores, es indispensable que la muesca a 45° este perfectamente mecanizada ya que de ello dependerá que los resultados del ensayo sean los más cercanos a la realidad.

Figura 53. Dimensiones de las probetas Charpy según el estándar ASTM E23 08 aɛ1 (American Society for Testing Materials E23-07 a1, 2011)

 Corte

Antes de comenzar con el proceso de corte, se identificó el área del cigüeñal de donde se obtuvo las probetas como se muestra en la figura 54, quedando así que qué la probeta CH1 se obtenga del contrapeso 4 y CH2 del 6.

A B

Figura 54. Delimitación del área para la extracción de las probetas CH1 y CH2

102

Los cortes para estas probetas fueron realizadas por la sierra mecánica como se indicó en el proceso anterior (corte de las probetas de tracción), en donde se obtuvieron las muestras base de las probetas de impacto como se muestra en la figura 55, que tuvieron una superficie de 57x1.2x1.2 mm para ser mecanizadas, para este procedimiento se utilizó taladrina para refrigerar el área de corte evitando que esta superficie cambie su microestructura.

Figura 55. Material base para las probetas CH1 y CH2

 Rectificado

Se realizó un rectificado en cada superficie lateral y frontal de la probeta para darle una figura rectangular de 56x11x11 mm en donde se utilizó taladrina como refrigerante para evitar que la microestructura interna de las probetas se altere, para que este procedimiento sea exitoso se empleó una rectificadora de superficies planas como se muestra en la tabla 33.

Tabla 33. Rectificadora de superficies planas EQUIPO Rectificadora

MARCA Doall

MODELO 000654-5

VOLTAJE (V) 220 LONGITUD DE LA MESA DE 482.6 TRABAJO (mm) PESO (Kg) 3 000

 Limado mecánico

103

Se realizó un limado de aproximadamente 1mm para cada superficie lateral y frontal de la probeta para darle las dimensiones que dictamina el estándar ASTM E23 08 aɛ1 para ensayos Charpy, en este procedimiento se tomaron medidas constantemente para evitar que el limado sea excesivo ocasionando que las dimensiones de las probetas no sean las adecuadas, para que este proceso sea exitoso de utilizó una limadora mecánica como se muestra en la tabla 34, con abundante taladrina para refrigerar las probetas.

Tabla 34. Limadora mecánica

EQUIPO Limadora mecánica

MARCA Unifal Pinondo

MODELO TF-500

VOLTAJE (V) 220

CURSO MÁXIMO DE 510 LIMADO (mm)

 Corte a 45°

Tras obtener las dimensiones que dictamina el estándar para probetas Charpy, se marcó el centro de las mismas a 27.5 mm de cada lado, en donde se realizó una muesca de 2 mm con una cuchilla industrial de 45°, al finalizar este proceso se obtuvo las probetas CH1 y CH2 completamente terminadas como se muestra en la figura 56.

CH1

CH2

Figura 56. Probetas CH1 y CH2 acabadas

104

4.3. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS

4.3.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA

La prueba de composición química fue elaborada con una muestra extraída del cigüeñal durante su fase de corte, el procedimiento que se siguió no pudo ser constatado personalmente debido a políticas internas del Departamento de Metalurgia Extractiva de la (EPN).

4.3.1.1. Equipo utilizado

Para la prueba de composición química se utilizó un espectrómetro de chispa como se muestra en la tabla 35. El equipo funciona por medio de un arco eléctrico que calienta la muestra a temperaturas elevadas para excitar los átomos. Esta chispa hace que los átomos emitan una luz en varias longitudes de onda que son detectadas por un sistema óptico propio de la máquina que cuenta con sensores CCD de alta resolución, múltiples detectores ópticos, tecnología ClearSpectrum y un montaje Paschen. (Cárdenas Abril, 2015)

Tabla 35. Espectrómetro de chispa

Espectrómetro de emisión EQUIPO óptica

MARCA Bruker

MODELO Q4 TASMAN

VOLTAJE (V) 100-240

FRECUENCIA (Hz) 50/60

ORDENADOR WINDOWS 10/CORE I5

(IZASA, 2016)

105

4.3.1.2. Resultados obtenidos

Tras la realización de la prueba de composición química se obtuvieron los resultados como se muestra en la tabla 36, en donde se dedujo que se trata de un acero con alto contenido de carbono. Ver ANEXO X

Tabla 36. Composición química del cigüeñal Saic Wuling CIGÜEÑAL N METALES %

1 Carbono (C) 0.63

2 Silicio (Si) 0.23

3 Manganeso (Mn) 0.77

4 Fósforo (P) 0.04

5 Azufre (S) 0.01

6 Cromo (Cr) 1.00

7 Molibdeno (Mo) 0.01

8 Níquel (Ni) 0.01

9 Cobre (Cu) 0.02

10 Aluminio (Al) 0.01

11 Bismuto (Bi) 0.02

12 Cerio (Ce) 0.02

13 Plomo (Pb) 0.02

14 Hierro (Fe) 97.13

Total 99.9

(Laboratorio de Metalúrgia Extractiva de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

De acuerdo al estándar ASTM A29 (Especificación estándar para Requisitos Generales para barras de acero, carbono y aleaciones, forjadas en caliente1), el acero del cigüeñal concordó con los grados de designación ASTM 1055, ASTM 1059, ASTM 1060, ASTM 1064, y ASTM 1065 desde el punto de vista químico como se muestra en la figura 57.

106

Figura 57. Grado de designación y composición química de aceros con alto contenido de carbono (American Society for Testing Materials A29, 2016)

107

4.3.2. METALOGRAFÍA

4.3.2.1. Procedimiento previo al análisis metalográfico

Luego de que las probetas metalográficas fueron pulidas se sometieron a un ataque químico en donde se utilizó una solución de Nital al 10, en una proporción de 10 ml de ácido nítrico (HNO3) en 100 ml de etanol al 95 según lo especifica el estándar ASTM A 407-07, (Práctica estándar para micro grabado de Metales y Aleaciones).

 Se vertió 15 ml del Nital sobre una placa Petri, luego se sumergió la probeta M1 sobre este compuesto durante 2s aproximadamente como se muestra en la figura 58; el prolongar la exposición de la probeta metálica con el agente químico durante más de 2s ocasionaría que esta se “quemara”, es decir que la superficie a analizar quede demasiado opaca impidiendo el análisis de microscopia.

A B

Figura 58. (A) Ataque químico de la probeta M1, (B) Exposición de la probeta M1 al agua

 Luego de la exposición de la probeta a la solución química se limpió el exceso de nital con abundante agua y algodón es necesario que se verifique que no se queden pelusas ni huellas digitales en la superficie pulida de la probeta antes de proseguir con el atáque químico.

108

 Para la probeta M2 se siguió el mismo procedimiento obteniendo dos superficies opacas listas para la prueba metalográfica como se muestra en la figura 59; si la opacidad de las probetas excede a lo permitido se debe realizar todo el procedimiento otra vez.

A B

Figura 59. Probetas metalográficas opacas después del ataque químico (A) probeta M1, (B) probeta M2

 Se colocó las probetas M1 y M2 en el microscopio para realizar el análisis metalográfico a 100x - 500x con la asistencia de Ing. Patricia Proaño experta del laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla de la (EPN) como se muestra en la figura 60.

Figura 60. Análisis metalográfico de la Probeta M2

109

4.3.2.2. Equipos utilizados

Para el análisis metalográfico de las probetas M1 y M2 se empleó el microscopio metalúrgico Olympus SC30 como se muestra en la tabla 37.

Tabla 37. Microscopio Metalúrgico

MARCA Olympus MODELO SC30 TIPO DE CHIP CMOS TAMAÑO DEL CHIP (plg) 1 AREA EFECTIVA (mm) 6.55 x 3.2 TAMAÑO DEL PIXEL (um) 3.2 x 3.2 BINNING 2x-3x-4x RESOLUSIÓN (Pixeles) MAXIMA RESOLUCIÓN 2048 x 1532 COLOR BINNING 2X 1024 x 768 COLOR BINNING 3X 680 x 512 COLOR BINNING 4X 508 x 384 FRECUENCIA EN LA RESOLUSIÓN (fps) 10 HARDWARE / SOFTWARE PROCESADOR Intel Pentium D 3.0 GHz MEMORIA RAM (MB) 512 DISCO DURO(GB) 30 MEDIO DE EXTRACCIÓN DVD-ROM MONITOR 1280 X 1042 43 BIT Microsoft Windows XP - 32 Bit SISTEMA OPERATIVO Microsoft Windows Vista - 32 Bit Buscador de internet predeterminado Microsoft Internet Explorer 6.0 (Olympus, 2014)

110

4.3.2.3. Resultados del análisis metalográfico

Los resultados obtenidos para las probetas extraídas del cigüeñal como se muestra en la tabla 38, tienen varias observaciones, en la cual se destaca que es un acero de medio contenido de carbono, con una estructura martensita revenida a 100X, que es una matriz ferrita estable con precipitados de manganeso a 500X.

Tabla 38. Análisis metalográfico del contrapeso y del muñón Muestra Aumento Observaciones

Acero de medio contenido de carbono, se observan gran cantidad de inclusiones no metálicas con 100X tamaño promedio de 8.28 μm (micras), la Contrapeso microestructura corresponde a martensita revenida. (M1) La matriz corresponde a ferrita estable, con 500X precipitados de manganeso.

Acero de medio contenido de carbono, se observan gran cantidad de inclusiones no metálicas con tamaño promedio de 24.2 μm (micras), algunas de 100X Muñón ellas se encuentran alineadas en ciertas zonas del muñón, la microestructura corresponde a martensita (M2) revenida.

La matriz corresponde a ferrita estable, con 500X precipitados de manganeso.

(Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

Para la interpretación de los resultados obtenidos es necesario que las fotos metalográficas sean lo más claras posibles en donde se dedujo que:

4.3.2.3.1. Para el contrapeso (M1)

 A 100X

111

La probeta M1 (contrapeso del cigüeñal) posee una microestructura de martensita revenida con una gran cantidad de inclusiones no metálicas como se muestra la figura 61, observadas a un aumento de 100X.

Figura 61. Metalografía del contrapeso (M1), a 100X inclusiones no metálicas con un tamaño promedio de 8.28 micras (μm) (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

La probeta M1 (contrapeso del cigüeñal) es un acero de medio contenido de carbono, con una microestructura martensita revenida como muestra la figura 62 observadas a un aumento de 100X.

Figura 62. Metalografía del contrapeso (M1) a 100X (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

112

 A 500X

La probeta M1 (contrapeso del cigüeñal) muestra una microestructura de matriz martensita revenida con precipitados de manganeso como muestra la figura 63 observadas a un aumento de 500X.

Figura 63. Metalografía del contrapeso (M1) a 500X (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

4.3.2.3.2. Para el muñón (M2)

 A 100X

Con un aumento a 100X, la probeta M2 extraída de uno de los muñones del cigüeñal presenta una gran cantidad de inclusiones no metálicas (alineadas) con un tamaño promedio de 24.2 micras (μm), que de forma específica estas formaciones son irregularidades en la microestructura del acero en el cual, al ser golpeado en este punto el material tiende a romperse por la misma cadena lineal causando serios daños a cualquier elemento que esté construido con este tipo de metal, esta singularidad se muestra la figura 64.

113

Figura 64. Metalografía del muñón (M2) a 100X con inclusiones no metálicas con un tamaño promedio de 24.2 micras (μm) (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

La probeta M2 construida con el muñón del cigüeñal es un acero de medio contenido de carbono con una microestructura de martensita revenida como muestra la figura 65.

Figura 65. Metalografía del muñón (M2), acero de medio contenido de carbono, microestructura correspondiente a martensita revenida. 100X (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

114

 A 500X

La probeta M2 (muñón del cigüeñal) presenta una matriz ferrita estable con precipitados de manganeso como muestra la figura 66.

Figura 66. Metalografía del muñón (M2) a 500X (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

4.3.3. ENSAYO DE DUREZA

Para el ensayo de dureza se utilizó las probetas metalográficas de modo que; la probeta metalográfica M1 corresponde a la probeta de dureza D1 extraída del contrapeso del cigüeñal , y la probeta metalográfica M2 corresponde a la probeta de dureza D2 extraída del muñón de bancada del cigüeñal , debido a que, en el Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla de la (EPN) existe un durómetro Rockwell y para este ensayo es preciso que la superficie a analizar este totalmente plana, se empleó el estándar ASTM E18-16 (Métodos de prueba estándar para la dureza de Rockwell de materiales metálicos1,2).

4.3.3.1. Procedimiento del ensayo de dureza Rockwell C

 Se seleccionó la escala [C] para las probetas de acero, para realizar el ensayo de dureza Rockwell.

115

 Se seleccionó el indentador de punta de diamante tallado a 120° de conicidad para la escala de dureza Rockwell [C] correspondiente a aceros.  Se montó el indentador de punta de diamante en el durómetro con mucha precaución.  Se colocó la probeta a analizar en el soporte bajo el indentador.  Se giró la perilla horizontal (en forma de cruz), en sentido horario, para que la probeta ascienda lentamente hasta que esta tope la punta del indentador como muestra la figura 67.

A B

Figura 67. Prueba de dureza Rockwell C, (A) probeta D1, (B) probeta D2

 Se procedió a encerar la medición ya que la aguja del indentador topó la probeta.  Se procedió a dar varias vueltas a la perilla (en forma de cruz) de manera constante y progresiva, hasta que la aguja grande del reloj medidor de tres vueltas completas sin detenerse.  Se giró la manilla lateral inferior derecha para poder cargar la muestra.  Se esperó 5s hasta que la aguja del reloj medidor se quede inmóvil.  Se regresa la manilla lateral derecha hacia su posición inicial para descargar la muestra.  Se procedió a leer el valor de dureza Rockwell C.

Luego se realizó la toma de siete mediciones de dureza para las probetas D1 y D2 como muestra la figura 68, para asegurar que el promedio de estas nos

116

indique la dureza real aproximada de las probetas D1 y D2, para realizar la media de durezas se tomó únicamente cinco mediciones ya que se debe descartar la medición mayor y la menor para obtener un rango de medida aceptable ya que este procedimiento no puede dictaminar la dureza real exacta de los materiales sujetos al ensayo de dureza Rockwell en escala C por factores como: la observación de los resultados por parte del operario, el rango de tolerancia máxima aceptada de error del durómetro que está comprendido entre 9±1HRC.

A B

Figura 68. Probetas de dureza luego del ensayo, (A) D1, (B) D2

4.3.3.2. Equipos / Maquinas Utilizadas

Para el ensayo de dureza Rockwell C de las probetas D1 y D2 se empleó el durómetro Hardrocker 150-A como muestra la tabla 39.

Tabla 39. Durómetro EQUIPO Durómetro MARCA Hardrocker MODELO 150-A ESCALA DE MEDICIÓN Rockewell: A-B-C CARGA (Kgf) Min: 10; Max 60-100-150 MODO DE CONTROL DE Sistema de amortiguador CARGA hidráulico DISPLAY Analógico De punta de acero de INDENTADOR diámetro 1/16 pulgadas (Worldoftest, 2004)

117

4.3.3.3. Cálculos de dureza

4.3.3.3.1. Dureza Rockwell (HRC)

Para determinar la dureza Rockwell se empleó la ecuación 1, para este cálculo es necesario determinar la escala, que dependerá del tipo de material, para este caso se empleó la escala C que utiliza como penetrador un cono con punta de diamante tallado a 120° de conicidad, para aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.

 Determinación de la dureza Rockwell C teórica para la probeta D1 elaborada con el contrapeso del cigüeñal.

ℎ HR = N − 푠 ℎ HR = N − 푠 0.148 푚푚 HR = 100 − 0.002 퐇퐑 = ퟐퟔ 퐇퐑퐂

 Determinación de la dureza Rockwell C teórica para la probeta D2 elaborada con el muñón de bancada del cigüeñal.

ℎ HR = N − 푠 ℎ HR = N − 푠 0.1524 푚푚 HR = 100 − 0.002 퐇퐑 = ퟐퟑ. ퟖ 퐇퐑퐂

4.3.3.3.2. Dureza Brinell (HBS)

118

Se determinó la dureza Brinell teóricamente mediante la ecuación 2 ya que únicamente se realizó el ensayo de dureza Rockwell C de manera práctica. Para poder determinar los parámetros necesarios para este ensayo se utilizó el anexo V, en donde se determina la fuerza, el diámetro del penetrador, y la huella dejada tras el ensayo.

 Determinación de la dureza Brinell para la probeta D1 elaborada con el contrapeso del cigüeñal.

퐹 HB = 휋 2 2 (2) 퐷(퐷 − √퐷 − 퐷𝑖 )

3 000 퐾푔 HB = { } 휋 2 2 [(2) 10 푚푚 (10푚푚 − √(10 푚푚) − (3.72푚푚) )]

퐇퐁 = ퟐퟔퟔ. ퟏퟏퟖퟒ ퟏퟎ/ퟑퟎퟎퟎ/ퟏퟓ

Es una dureza Brinell de 266.1184 medida con un penetrador esférico de 10mm con una fuerza de 3 000 Kg, durante un período de 15 segundos.

 Determinación de la dureza Brinell para la probeta 2 elaborada con el muñón de bancada del cigüeñal.

퐹 HB = 휋 2 2 (2) 퐷(퐷 − √퐷 − 퐷𝑖 )

3 000 퐾푔 HB = { } 휋 2 2 [(2) 10 푚푚 (10푚푚 − √(10 푚푚) − (3.8푚푚) )]

퐇퐁 = ퟐퟓퟒ. ퟔퟎퟐퟎ ퟏퟎ/ퟑퟎퟎퟎ/ퟏퟓ

119

Es una dureza Brinell de 254.6020 medida con un penetrador esférico de 10 mm con una fuerza de 3 000 Kg, durante un período de 15 segundos.

4.3.3.3.3. Dureza Vickers (HV)

Se determinó la dureza Vickers teóricamente mediante la ecuación 3 ya que únicamente se realizó el ensayo de dureza Rockwell de manera práctica. Para poder determinar los parámetros necesarios para este ensayo se utilizó el anexo V, en donde se determinó la fuerza (P), y la huella dejada tras el ensayo

(S) que esta dictaminado por d1 y d2 como la diagonal existente en la huella dejada por el penetrador en forma piramidal con 136° de inclinación (ya que este método se lo determinó de manera matemática se tomó como valor de S el mismo diámetro de la huella dejada por el método Brinell), este método comúnmente se realiza a metales endurecidos superficialmente.

 Determinación de la dureza Vickers para la probeta D1

푃 HV = 1.854 × 푆 푃 퐻푉 = 1.854 × 2 2 √푑1 + 푑2

83 퐾푔푓 퐻푉 = 1.854 × [ ] (√0.372푚푚2 + 0.372푚푚2) 퐾푔푓 퐻푉 = 281.9303 푚푚2

푯푽 = ퟐퟖퟏ. ퟗퟑퟎퟑ ퟖퟑ/ퟏퟓ

Es una dureza Vickers de 281.9303 bajo una carga de 83Kgf, aplicada durante 15 segundos.

 Determinación de la dureza Vickers para la probeta D2

120

푃 HV = 1.854 × 푆 푃 퐻푉 = 1.854 × 2 2 √푑1 + 푑2

83 퐾푔푓 퐻푉 = 1.854 × [ ] (√0.38푚푚2 + 0.38푚푚2) 퐾푔푓 퐻푉 = 275.9950 푚푚2

푯푽 = ퟐퟕퟓ. ퟗퟗퟓퟎ ퟖퟑ/ퟏퟓ

Es una dureza Vickers de 275.9950 bajo una carga de 83Kgf, aplicada durante 15 segundos.

4.3.3.4. Resultados y discusión

Tras haber determinado matemáticamente la dureza de las probetas 1 y 2 como muestra la tabla 40, se comparó con las medidas de dureza obtenidas mediante el método experimental que constan en el informe del laboratorio de Metalografía, desgaste y falla de la (EPN). Ver ANEXO XI La discusión se realizó mediante un gráfico de barras como muestra la figura 69, únicamente se comparó las durezas Rockwell C obtenidas ya que este método se lo realizó de manera teórica y práctica.

Tabla 40. Durezas obtenidas teóricamente DUREZA

N MUESTRA ROCKWELL VICKERS BRINELL

HRC HV HB

D1 CONTRAPESO 26 281.9303 266.1184

D2 MUÑÓN 23.8 275.9950 254.6020

PROMEDIO 25 278.9626 260.3602

121

ROCKWELL C 26 26 23,8 24 10

0 TEÓRICO REAL TEÓRICO REAL D1 D2

Figura 69. Comparación teórica-real de las durezas Rockwell C de las probetas D1 y D2

 El promedio de las durezas obtenidas de manera experimental como muestra en la tabla 41, para D1 obtenidas son 26 HRC, que es una medida igual al comparar con la dureza obtenida matemáticamente igual a 26 HRC teniendo en cuenta la tolerancia de error de la máquina de dureza utilizada es de 9±1 HRC, se puede concluir que la medida experimental está en el rango de medida para el ensayo Rockwell C.

 Para D2 se obtuvo una dureza 23.8 HRC de manera teórica que al comparar con la dureza obtenida de manera experimental de 24 HRC resulta una medida aceptable que se encuentra en el rango de tolerancia de falla (9±1 HRC) de la máquina de dureza utilizada para el ensayo Rockwell C.

Tabla 41. Valores de dureza obtenidos experimentalmente en el Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla PROMEDIO N MUESTRA 1 2 3 4 5 ROCKWELL HRC D1 CONTRAPESO 26 25 26 26 26 26 D2 MUÑÓN 23 24 24 24 24 24 (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

122

 Para D1 elaborada con el muñón del cigüeñal se obtuvo una dureza teórica Vickers de 281.9303 Hv y Brinell de 266.1184 HB, en donde estos resultados se pueden evidenciar como correctos en la tabla de conversiones de dureza en el anexo V al ubicar una línea horizontal partiendo de la dureza Rockwell obtenida con una media de 25 HRC.

 Para D2 elaborada con el contrapeso del cigüeñal se obtuvo una dureza teórica Vickers de 275.9950 Hv y Brinell de 254.6020 HB, en donde estos resultados se pueden evidenciar como correctos en la tabla de conversiones de dureza en el anexo V al ubicar una línea horizontal partiendo de la dureza Rockwell obtenida con una media de 25 HRC.

4.3.4. ENSAYO DE TRACCIÓN

4.3.4.1. Procedimiento para la elaboración del ensayo

 Se etiquetó cada probeta, luego se realizó la confirmación geométrica y dimensional de las probetas T1 y T2 como se muestra en la figura 70 de acuerdo al estándar ASTM E8.

A B

Figura 70. (A) Verificación dimensional de la probeta T1, (B) Calibrado de las probetas T1 y T2

123

 Se realiza el calibrado de las probetas T1 y T2 con una distancia de 25mm entre cada marca como se mostró en la figura 70 (B), estas marcas se realizaron en la zona central de las probetas con una máquina diseñada para específicamente para este procedimiento.  Se montó el acople de 3/8 plg en el soporte superior de la máquina universal de ensayos mecánicos.  Se montó las probetas como se muestra en la figura 71 en la máquina, con un suave movimiento horario para que la zona roscada del espécimen no se dañe.  Se giró la perilla lateral izquierda para que la parte inferior del carro de la maquina suba hasta topar la probeta para poder ajustarla.  Se encendió la máquina, y se realizó le programación de las escalas que se desea trabajar, para nuestro caso en Mega Pascales (MPa) y Néwtones (N).

A B

Figura 71. (A) Montaje de la probeta T1 en la máquina universal de ensayos, (B) probeta T2 en ensayo de tracción

 Se esperó alrededor de 7 minutos para que la probeta T1 se fracture como se muestra en la figura 72.  Se siguió el mismo procedimiento para ensayar la probeta T2.

124

A B

Figura 72. (A) Probeta T2 ensayada, (B) probetas T1 y T2 después del ensayo de tracción

4.3.4.2. Equipos / Maquinas Utilizadas

Para el ensayo destructivo de tracción para las probetas T1 y T2 se empleó, la máquina universal de ensayos como se muestra en la tabla 42 del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la (EPN).

Tabla 42. Máquina universal para ensayos mecánicos Máquina universal para EQUIPO ensayos mecánicos

MARCA Tinius-Olsen

MODELO SUPER “L” 3006

VOLTAJE (V) 220

RECOLECCIÓN DE Software Navigator DATOS

DISPLAY Digital

CAPACIDAD MÁXIMA 1.32 x 105 (N) APLICACIÓN DE LA Sistema hidráulico

CARGA (Tinius Olsen, 2016)

125

4.3.4.3. Cálculos realizados

Para la realización de los cálculos necesarios para determinar las propiedades mecánicas por el ensayo de tracción se dividió en dos secciones; la primera es la sección de la zona elástica de la curva de esfuerzo-deformación en donde se determinó de manera teórica:

4.3.4.3.1. Límite elástico

También conocido como el periodo elástico plástico que indica cuanto se puede alargar la probeta, para determinar teóricamente esta propiedad se empleó el diámetro, la fuerza y la longitud de T1 obtenido del informe del Laboratorio de Análisis, Esfuerzos y Vibraciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional (Anexo XII), se empleó la ecuación 4.

 Para la probeta T1 elaborada con el muñón de bancada del cigüeñal.

퐹 × 퐿 푙 = 훼 × 푆

2664.648 퐾푔 × 80푚푚 푙 = 5 × 10−4푀푃푎 × [ ] 휋 × (5.86푚푚)2 ( 4 )

풍 = ퟑ. ퟗퟓퟐퟎ 풎풎

 Para la probeta T2 elaborada con el contrapeso del cigüeñal.

퐹 × 퐿 푙 = 훼 × 푆

2755.428 퐾푔 × 80푚푚 푙 = 5 × 10−4푀푃푎 × [ ] 휋 × (5.92푚푚)2 ( 4 )

126

풍 = ퟒ. ퟎퟎ 풎풎

4.3.4.3.1.1. Resultados y discusión

Para realizar una comparación equivalente del límite elástico obtenido teóricamente para T1 y para T2 se elaboró un diagrama de barras como se muestra en la figura 73 en donde:  La probeta T1 sufrió un alargamiento teórico de 3.952mm en donde el porcentaje de variación con la probeta T2 es del 1.2.  La probeta T2 sufrió un alargamiento de 4mm.

5 3,952 4 4

mm 2

0 T1 T2 Probetas

Figura 73. Límite elástico para T1 y T2

4.3.4.3.2. Deformación ingenieril

La deformación ingenieril teórica y real se calculó para la zona calibrada de cada probeta destinada al ensayo de tracción en donde se sumó el límite elástico obtenido en la ecuación 4 para T1 y T2 respectivamente más la longitud calibrada de 25mm.

 Para T1 푙 − 푙 ∈= 0 푙0

127

(28.95푚푚 − 25푚푚) ∈= [ ] 25푚푚

∈= ퟎ. ퟏퟔ 퐦퐦

 Para T2 푙 − 푙 ∈= 0 푙0 (29푚푚 − 25푚푚) ∈= [ ] 25푚푚

∈= ퟎ. ퟏퟔ퐦퐦

 Deformación ingenieril real

Para determinar la deformación ingenieril real se utilizó el límite elástico obtenido de T1 y T2 más la longitud de 25mm de la zona calibrada de dichas probetas.

 Para T1

푙푖 ∈푡= ln 푙0 28.952푚푚 ∈ = [ln ( )] 푡 25푚푚

∈풕= ퟎ. ퟏퟒퟕ풎풎

 Para T2

푙푖 ∈푡= ln 푙0 29푚푚 ∈ = [ln ( )] 푡 25푚푚

128

∈풕= ퟎ. ퟏퟓ풎풎

4.3.4.3.2.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación equivalente entre la deformación ingenieril teórica y la deformación ingenieril real para T1 y para T2 mediante un diagrama de barras como se muestra en la figura 74 en donde:

0,25

0,2 0,16 0,16 0,147 0,15 0,15

mm 0,1

0,05

0 TEÓRICO REAL TEÓRICO REAL T1 T2 Probeta

Figura 74. Deformación Ingenieril teórica - Deformación Ingenieril real para T1 y T2

 La probeta T1 sufrió una deformación ingenieril teórica de 0.16mm y una deformación real de 0.16 mm equivalentes que dictamina que el proceso experimental cumple todos los parámetros necesarios de calidad que dictamina el estándar ASTM E8.

 La probeta T2 sufrió una deformación ingenieril teórica de 0.147 y una deformación real de 0.15mm en donde se determinó un margen de discordia de 2 que dictamina que el proceso experimental cumple todos los parámetros necesarios de calidad que dictamina el estándar ASTM E8.

4.3.4.3.3. Módulo de elasticidad

129

Se utilizó F= 26 124N = 2.6124 x 10-2 MPa obtenido del informe del laboratorio de Análisis de esfuerzos y vibraciones. Ver ANEXO XII

 Para la probeta T1 σ E = ∈

2.6124 × 10−2 푀푃푎 E = 0.16푚푚

퐄 = ퟏ. ퟔퟑퟑ × ퟏퟎ−ퟏ 퐌퐏퐚

 Para la probeta T2 σ E = ε

2.7014 × 10−2 푀푃푎 E = 0.16푚푚

퐄 = ퟏ. ퟔퟖퟕퟓ × ퟏퟎ−ퟏ 퐌퐏퐚

4.3.4.3.3.1. Resultados y discusión

 Se puede evidenciar que el módulo de elasticidad (E) obtenido Para T1= 1.633×10-1 MPa, está dentro del límite que dictamina la gráfica de módulos de Young como muestra la figura 75, para poder ubicar este valor se transformó a GPa, teniendo como resultado T1= 163.275 GPa.

 El módulo de elasticidad (E) obtenido Para T2= 1.6875×10-1 MPa, está en el límite que dictamina la gráfica de módulos de Young, para poder ubicar este valor se transformó a GPa, teniendo como resultado T2= 168.838 GPa.

130

Figura 75. Módulo de Young E de diferentes materiales (editado) (Budynas & Nisbett, 2008)

4.3.4.3.4. Coeficiente de Poisson

Este coeficiente está determinado como una constante de 3 adimensionalmente para los aceros como una propiedad elástica que está directamente ligado a la estricción y al alargamiento producido por el ensayo de tracción en la zona calibrada. Se demostró esta constante con la ecuación 8 utilizando; el módulo de elasticidad ideal para el acero de 2.1 ×105 MPa.

퐸 휗 = − 1 2퐺 2.1 × 105푀푃푎 휗 = { } − 1 [2 × (8.1 × 104 푀푃푎)] 흑 = ퟎ. ퟐퟗퟔ 푴푷풂

4.3.4.3.4.1. Resultados y discusión

131

Se demostró el módulo de Poisson bajo condiciones ideales de gravedad y elasticidad del acero un valor teórico de 0.296MPa que está en un rango de tolerancia de la constante de 3MPa, que para este caso las unidades que adopta son Megapascales en el cual el margen de error es de 0.13%.

4.3.4.3.5. Resistencia máxima a la tracción o tensión ingenieril

En la curva de esfuerzo vs deformación unitaria a partir de la resistencia máxima de tracción o tensión ingenieril se encuentra la zona plástica en donde la deformación de los materiales será permanente. Esta propiedad de la zona plástica no es la única pero si la más importante desde el punto de vista de un fabricante de elementos mecánicos, se determinó de manera teórica y experimental tanto para la probeta T1 y T2. Para determinar la resistencia máxima a la tracción se utilizó los parámetros para fuerza y el área de las probetas como se mostró en la tabla 43.

Tabla 43. Resultados del ensayo de tracción DIÁMETRO CARGA MÁXIMA LÍMITE DE RESISTENCIA A ELONGA Id PROMEDIO REGISTRADA FLUENCIA LA TRACCIÓN CIÓN EN mm lbf N ksi MPa ksi MPa 25 mm T1 5.86 5 873 16 124 123.22 849.56 140.49 968.64 15.8 T2 5.92 6 073 27 014 124.83 860.71 142.34 981.42 25.72 (Laboratorio de Análsis de Esfuerzos y Vibraciones de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

Se determinó la resistencia máxima a la tracción teórica para T1 Y T2 mediante la ecuación 9.

 Para la probeta T1 퐹 σ푚푎푥 = 퐴0

26 124 σ = [ ] 푚푎푥 휋 × (5.86푚푚)2 ( 4 )

132

훔풎풂풙 = ퟗퟔퟖ. ퟔퟐퟐퟓ 퐌퐏퐚

 Para la probeta T2

퐹 σ푚푎푥 = 퐴0

27 014 σ = [ ] 푚푎푥 휋 × (5.92푚푚)2 ( 4 )

훔풎풂풙 = ퟗퟖퟏ. ퟒퟐퟏퟔ 퐌퐏퐚

4.3.4.3.5.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre la resistencia a la tracción teórica y la resistencia a la tracción real para T1 y para T2 mediante un diagrama de barras como se muestra en la figura 76 en donde:

1400

1200 968,6225 968,64 981,4216 981,42 1000

800

MPA 600

400 200

0 TEÓRICO PROCESO TEÓRICO PROCESO EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL T1 T2 PROBETA

Figura 76. Resistencia Máxima a la tracción teórica - Resistencia Máxima a la tracción experimental

133

 La probeta T1 obtuvo una resistencia a la tracción teórica de 968.6225 MPa y una resistencia a la tracción real de 968.64 MPa, que al compararlas tienen un margen de error del 1.8 x10-3 que dictamina que el proceso experimental y el teórico cumple todos los parámetros necesarios de calidad que dictamina el estándar ASTM E8.  La probeta T2 obtuvo una resistencia a la tracción teórica de 981.4216 MPa y una resistencia a la tracción real de 981.42 MPa, que al compararlas tienen un margen de error del 1.6 x10-4 que dictamina que el proceso experimental y el teórico son equivalentes en donde los parámetros que exige el estándar ASTM E8 se han cumplido.

4.3.4.3.6. Porcentaje de alargamiento a la rotura

Este parámetro se encuentra en la zona plástica de la curva esfuerzo vs deformación unitaria, y dictamina si un material es dúctil (mayor al 5) o frágil (menor al 4.9). Este valor se lo determino de manera teórica con la ecuación 10 y experimentalmente como se mostró en la tabla 38.

 Para la probeta T1

퐿푓 − 퐿0 A = 푥 100 퐿0 (28.952푚푚 − 25푚푚) A = [ ] 푥 100 25푚푚

퐀 = ퟏퟓ. ퟖퟏ %

 Para la probeta T2

퐿푓 − 퐿0 A = 푥 100 퐿0 (29.58푚푚 − 25푚푚) A = [ ] 푥 100 25푚푚

134

퐀 = ퟏퟖ. ퟑퟐ%

4.3.4.3.6.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre el porcentaje de elongación teórica y el porcentaje de elongación real para T1 y para T2 mediante un diagrama de barras como muestra la figura 77 en donde:

30 25,72 25

20 18,32 15,81 15,8

% 15

0 TEÓRICO PROCESO TEÓRICO PROCESO EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL T1 T2 PROBETA

Figura 77. Porcentaje de elongación teórico – Porcentaje de elongación real en 25 mm

 La probeta T1 obtuvo un porcentaje de elongación teórica de 15.81 en 25mm y un porcentaje de elongación real de 15.8mm, que al compararlas resultaron equivalentes demostrando que el proceso teórico y el experimental se encuentran correctamente realizados.

 La probeta T2 obtuvo un porcentaje de elongación teórica de 18.32% y una elongación real de 25.72% en 25 mm, que al compararlas tienen un margen de error de 40.44% que dictamina que existió algún factor externo, mecánico, físico o de proceso en el material a prueba o en la maquina

135

universal de ensayos durante la realización del proceso experimental en el laboratorio de Análisis y Esfuerzos de la facultad de Ingeniería Mecánica de la (EPN).

4.3.4.3.7. Porcentaje de reducción del área de la probeta

Este parámetro se determinó a partir de la zona calibrada de las probetas T1 y T2 de 25 mm en donde se realizó la toma de dimensiones de los cuellos previo a la rotura de las probetas (퐴푓) mediante un calibrador Vernier digital, este valor se lo calculó mediante la ecuación 11 de manera teórica.

 Para la probeta T1

퐴푓 − 퐴0 RA = 푥 100 퐴0

휋 × (4.5푚푚)2 휋 × (5.86푚푚)2 ( 4 ) − ( 4 ) RA = [ ] 푥 100 휋 × (5.86푚푚)2 ( 4 )

퐑퐀 = ퟏퟓ. ퟗퟎ

 Para la probeta T2

퐴푓 − 퐴0 RA = 푥 100 퐴0

휋 × (4.7푚푚)2 휋 × (5.92푚푚)2 ( 4 ) − ( 4 ) RA = [ ] 푥 100 휋 × (5.92푚푚)2 ( 4 ) 퐑퐀 = ퟏퟕ. ퟑퟓ

136

4.3.4.3.7.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre el porcentaje de reducción del área de la probeta teórica para T1 y para T2 mediante un diagrama de barras como muestra la figura 78 en donde:

20 17,35 18 15,9 16 14 12

% % 10 8 6 4 2 0 T1 T2 Probeta

Figura 78. Porcentaje de reducción del área de la probeta T1 y T2

 La probeta T1 obtuvo un porcentaje de reducción del área teórica de 15.9 en 25mm.  La probeta T2 obtuvo un porcentaje de porcentaje de reducción del área teórica de 17.35% en 25 mm, que al comparar con el valor obtenido para T1 tienen un margen de diferencia de 8.35% que dictamina que existió algún factor externo, mecánico, físico o de proceso en el material a prueba o en la maquina universal de ensayos durante la realización del proceso experimental en el laboratorio de Análisis y Esfuerzos de la facultad de Ingeniería Mecánica de la (EPN).

4.3.4.3.8. Carga máxima de rotura

Es la máxima carga que puede experimentar un material antes de romperse, generalmente debe coincidir con la resistencia máxima a la tracción del mismo material y se mide en Kgf/mm2. Para poder determinar la carga máxima de rotura de las probetas T1 y T2 se utilizó la ecuación 12, los parámetros que

137

se emplearon para fuerza (퐹푚) y el área de las probetas (푆) fueron tomadas de la tabla 43 vista con anterioridad, que fueron transformadas en las unidades necesarias para realizar los cálculos.

 Para la probeta T1

퐹푚 Cr = 푆

2 663.9 퐾푔푓 Cr = [ ] 휋 × (5.86푚푚)2 ( 4 )

푲품풇 퐂퐫 = ퟗퟖ. ퟕퟕퟐ 풎풎ퟐ

 Para la probeta T2 퐹푚 Cr = 푆

2 754.7 퐾푔푓 Cr = [ ] 휋 × (5.92푚푚)2 ( 4 )

푲품풇 퐂퐫 = ퟏퟎퟎ. ퟎퟖ 풎풎ퟐ

4.3.4.3.8.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre la carga máxima de rotura para T1 y para T2 mediante un diagrama de barras como se muestra la figura 79 en donde:

138

120 98,772 100,08 100

kgf/mm² 60

0 T1 T2 Probeta

Figura 79. Carga máxima de rotura de las probetas T1 y T2

 La probeta T1 obtuvo una carga máxima de rotura de 98.771 Kgf/mm2 que equivale a 968.622 MPa que al comparar con la resistencia a la tracción teórica de 968.6225 MPa y a la tracción real de 968.64 MPa, son equivalentes determinado que el proceso experimental y el teórico cumple todos los parámetros necesarios que dictamina el estándar ASTM E8.  La probeta T2 obtuvo una carga máxima de rotura de 100.08 Kgf/mm2 que equivale a 981.50 MPa que al comparar con la resistencia a la tracción teórica de 981.4216 MPa y una resistencia a la tracción real de 981.42 MPa, son equivalentes determinado que el proceso experimental y el teórico cumple todos los parámetros necesarios que dictamina el estándar ASTM E8.

4.3.4.4. Diagrama real Esfuerzo vs Deformación ingenieril

Tras haber determinado las propiedades que se presentan en la zona elástica (en donde la probeta actúa como un muelle) como el límite elástico, el módulo de elasticidad, deformación ingenieril, el coeficiente de Poisson y la zona plástica (en donde la deformación de la probeta es permanente) como la tensión de rotura también llamada la resistencia máxima a la tracción, porcentaje de alargamiento y de rotura, y la carga máxima de rotura de la probeta, se realizó el diagrama Esfuerzo-Deformación ingenieril con los datos

139

de Fuerza y elongación que fueron obtenidos de manera experimental en laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la facultad de Ingeniería Mecánica de la (EPN) durante la elaboración del ensayo de tracción para las probetas T1 y T2 respectivamente.

4.3.4.4.1. Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para el ensayo de tracción 1 (T1)

Para realizar la verificación de que los cálculos realizados para la deformación ingenieril, límite de fluencia, resistencia máxima a la tracción y carga máxima de rotura están en lo correcto se realizó el Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real como se muestra en la figura 80 en donde:

1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 Deformación ingenieril =0,1601 mm 700 Límite de fluencia = 849,6025268 MPa 650

600 (MPa)

σ 550 500 Límite elástico = 3,9916 mm Resistencia máxima 450 a la tracción = 968,6225194MPa 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 ɛ (mm)

Figura 80. Diagrama Esfuerzo Vs Deformación ingenieril para T1

140

 Para T1 se verificó que el límite de fluencia de 849.56MPa como se observó en la tabla 43 extraída del informe del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la (EPN) que coincide con el valor obtenido de 849.60MPa (eje Y) tras la realización del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real en donde el margen de fluctuación de un valor a otro es del 4.7 x 10-3% verificando así que los cálculos realizados de manera teórica se encuentran en lo verídico.  Se comparó la deformación ingenieril obtenida de carácter teórico para T1 de 0.16mm con el valor obtenido experimentalmente de 0.1601mm tras la realización del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real en donde estos valores son equivalentes constatando así que los cálculos realizados de manera teórica se encuentran en lo correcto.  En el Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para T1 se obtuvo una resistencia máxima a la tracción de 968.6225MPa que se comparó numéricamente con la resistencia máxima a la tracción teórica y experimental de 968.64MPa extraída del informe del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la (EPN) como se observó en la tabla 43, en donde estos valores son equivalentes verificando que se realizó el cálculo teórico de la resistencia a la tensión de manera acertada.  La carga máxima de rotura obtenida para T1 de carácter teórico de 98.772Kgf/mm2 que equivale a 968.622MPa se comparó con la resistencia máxima a la tracción del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real de 968.622MPa en donde se dedujo que son equivalentes constatando que se realizó el cálculo teórico de manera acertada ya que el valor de resistencia máxima a la tracción coincide numéricamente con la carga máxima de rotura en el gráfico.  El límite elástico del material a prueba comprendido entre la zona calibrada de 25mm se expandió 3.9520mm de carácter teórico en donde se comparó numéricamente con el límite elástico obtenido del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para T1 de 3.9916mm en donde se determinó que estos valores son semejantes con un margen de fluctuación entre sí

141

de 0.01% constatando que se realizó el cálculo teórico de manera acertada.

4.3.4.4.2. Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para el ensayo de tracción 2 (T2)

Se siguió el mismo procedimiento que en la probeta T1 en la probeta T2 donde se pudo verificar que los cálculos realizados para la deformación ingenieril, límite de fluencia, resistencia máxima a la tracción y carga máxima de rotura están en lo correcto, para esto se realizó el Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real como lo muestra la figura 81 en donde:

1050 1000 950 900 850 800 750 700 Límite elástico= 4,1001 mm 650 Resistencia máxima a la tracción= 981,4215744 MPa 600 550

500 σ(MPa) 450 Deformación ingenieril = 0,1601 mm 400 Límite de fluencia = 860,7329511 MPa 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 ɛ(mm)

Figura 81. Diagrama Esfuerzo Vs Deformación ingenieril real para T2

142

 Para T2 se verificó que el límite de fluencia de 860.71MPa como se observó en la tabla 43 extraída del informe del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la (EPN) que coincide con el valor obtenido de 860.73MPa (eje Y) tras la realización del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para T2 en donde estos valores son equivalentes con un margen de fluctuación de 2.3 x 10-3% entre sí constatando así que los cálculos realizados de manera teórica se encuentran en lo correcto.  Se comparó la deformación ingenieril obtenida de carácter teórico para T2 de 0.16mm con el valor obtenido experimentalmente de 0.1601mm tras la realización del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real en donde estos valores son equivalentes constatando así que los cálculos realizados de manera teórica se encuentran en lo correcto.  En el Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para T1 se obtuvo una resistencia máxima a la tracción de 981.42MPa que se comparó numéricamente con la resistencia máxima a la tracción teórica y experimental de 981.42MPa extraída del informe del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la (EPN) como se observó en la tabla 43, en donde estos valores son equivalentes verificando que el proceso teórico y experimental se realizaron de manera acertada.  La carga máxima de rotura obtenida para T1 de carácter teórico de 100.08 Kgf/mm2 que equivale a 981.45MPa se comparó con la resistencia máxima a la tracción del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real de 981.42MPa en donde se dedujo que son equivalentes con un margen de discordia de 3 x 10-3 % constatando que se realizó el cálculo teórico de manera acertada ya que el valor de resistencia máxima a la tracción coincide numéricamente con la carga máxima de rotura en el gráfico para T2.  El límite elástico del material a prueba comprendido entre la zona calibrada de 25mm se expandió 4.00mm de carácter teórico en donde se comparó numéricamente con el límite elástico obtenido del Diagrama Esfuerzo vs Deformación ingenieril real para T2 de 4.1mm en donde se determinó que

143

estos valores son semejantes con un margen de error entre sí de 0.1% constatando que se realizó el cálculo teórico de manera acertada.

4.3.4.5. Análisis del acero de construcción del material base de la investigación

Una vez que se realizó la comparación numérica de los valores obtenidos de carácter teórico y experimental de las propiedades más relevantes obtenidas del ensayo de tracción se determinó que son equivalentes, partiendo de este hecho se realizó una paridad entre los resultados obtenidos de la prueba de composición química del laboratorio de Metalurgia Extractiva como se mostró en la tabla 36, con las composiciones químicas de los aceros que en teoría debería ser construido el cigüeñal como se mostró en las tabla 2 y 3, o de acuerdo a un trabajo de grado que se titula “ENSAYOS DESTRUCTIVOS EN CIGÜEÑALES DE MOTORES A GASOLINA RECUPERADOS MEDIANTE EL PROCESO DE METALIZACIÓN CON LA MÁQUINA TAFA MODELO 8830 EN LA EMPRESA RECTIFICADORA PAZMIÑO S.A. PARA GARANTIZAR LA CALIDAD DEL PRODUCTO TERMINADO” que se realizó en La República del Ecuador en el año 2011 por el Ing. Caiza Vega José Sebastián de la Universidad Técnica de Ambato en el cual se falló que el acero con el cual fue construido el cigüeñal del vehículo Chevrolet Corsa de 1400 cc fue el acero AISI 4140, para esta equiparación los compuestos químicos que mayor valor absoluto se toman en consideración son el porcentaje de Carbono (C), Manganeso (Mn), Fósforo (P), Azufre (S), Silicio (Si), Cromo (Cr), y Hierro (Fe) en la cual se puntualizó que el contenido de carbono de 0.63 obtenido en el Informe de Metalurgia extractiva de la EPN y las propiedades de tracción, dureza Rockewell C como se mostró en la Tabla 2 no concuerdan con ninguno de los aceros que se mencionó en el marco teórico, ni con las conclusiones del informe del Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla.

4.3.4.5.1. Análisis Químico

144

Se realizó una búsqueda exhaustiva del tipo de acero que concordara con las características que se habían delimitado teórica y experimentalmente tras la pruebas y ensayos realizados en la (EPN) estos parámetros son: porcentaje de carbono de 0.63, una resistencia máxima a la tracción con un promedio de 975 MPa, una dureza Rockwell C de promedio 30 HRC, o Brinell de 260 HB, y una carga máxima a la rotura de 535 Kgf/mm2, se determinó que el acero desde el punto de vista químico con el cual se construyó el cigüeñal base de la investigación pertenece al estándar ASTM A29 como se mostró en la figura 57, de los cuales se ejecutó una búsqueda de las principales propiedades físicas de cada acero en el grado de designación ASTM 1055 - ASTM 1065 como se muestra la tabla 44.

Tabla 44. Propiedades básicas de los aceros ASTM A29, grados 1050-1065

AISI σ DUREZA COMPOSICIÓN QÚIMICA ASTM JIS /SAE MPa HRC HB ( C) (Mn) (P) (S)

123- 1055 1055 S55CM 740-880 30 0.50-0.60 0.60-0.90 0.040 0.050 235

1059 1059 S59CM 850-1000 30 201 0.55-0.65 0.50-0.80 0.040 0.050

233- 1060 1060 S60CM 780-920 30 0.55-0.65 0.55-0.65 0.040 0.050 275 235- 1064 1064 S64C 850-1000 30 0.60-0.70 0.60-0.80 0.040 0.050 268 235- 1065 1065 65C6 720-790 30 0.60-0.70 0.60-0.90 0.040 0.050 268 σ= Resistencia máxima a la tracción (con proceso de revenido)

4.3.4.5.2. Análisis de Tracción

Los aceros pertenecientes al estándar ASTM A29 en los grados 1055, 1059, 1060, 1064, y 1065 coincidieron químicamente con el resultado de la probeta extraída del cigüeñal como se mostró en la tabla 36, partiendo de este hito se ejecutó una comparación numérica entre la resistencia máxima a la tracción

145

de cada acero con los resultados obtenidos teórica y experimentalmente de promedio 975MPa como se muestra en la figura 82.

1100 975 1000 1000 1000 920 880 900 850 850 780 790 800 740 720 700 600

(MPa) 500 σ 400 300 200 100 0 Valor 1055 1059 1060 1064 1065 teórico Aceros ASTM- AISI/SAE

Resistencia mínima a la Tracción Resistencia máxima a la Tracción

Figura 82. Resistencia máxima a la tracción extraída de manera teórica y real vs Resistencia mínima y máxima a la tracción de los aceros A29 grados 1055-1065

Luego de realizar la comparación numérica se determinó que:  Los aceros ASTM A29 grado 1059 y ASTM A29 grado 1064 son los que mayor grado de paridad poseen con el valor experimental y teórico obtenido de 975 MPa.

 Se descartó los aceros ASTM A29 grado 1055, 1060, 1065 ya que su resistencia máxima a la tracción no concuerda con el valor teórico y experimental de 975 MPa pese a que su composición química está en los límites de tolerancia permitidos.

146

4.3.4.5.3. Análisis de Durezas

Se desarrolló la comparación numérica entre la dureza Rockwell C de promedio 27 HRC obtenida de manera experimental y teórica con las durezas de los aceros del estándar ASTM A29 como se observa en la figura 83 que coincidieron químicamente con la muestra del cigüeñal que fue analizada.

35 30 30 30 30 30 30 27 25

Rockwell(HRC) 10

0 Valor 1055 1059 1060 1064 1065 teórico Aceros ASTM- AISI/SAE

Figura 83. Dureza Rockwell C extraída de carácter teórico y experimental vs Dureza Rockwell C de los aceros A29 grados 1055-1065

Luego de realizar la comparación numérica se determinó que:

 Los aceros del estándar ASTM A29 grado 1055, 1059, 1060, 1064 y 1065 se encuentran en el rango de la medida teórica y experimental de 27 HRC debido a que el durómetro que se empleó para realizar el ensayo posee un margen de error de 9 ±1HRC por lo tanto las durezas de los aceros en cuestión resultaron equivalentes y visto desde este parámetro podría ser cualquiera de los aceros que coincidió con la prueba química del cigüeñal.

Se elaboró la comparación numérica entre la dureza Brinell de promedio 260 HB obtenida de carácter teórico con las durezas de los aceros del estándar

147

ASTM A29 como se muestra en la figura 84 que coincidieron químicamente con la muestra del cigüeñal que fue analizada.

350

300 275 260 268 268 250 235 233 235 235 200 201 200

150 123

100 Dureza Brinell (HB) 50

0 Valor 1055 1059 1060 1064 1065 teórico Aceros ASTM- AISI/SAE

Mínima dureza Brinell Máxima dureza Brinell

Figura 84. Dureza Brinell extraída de carácter teórico y experimental vs Dureza Brinell de los aceros A29 grados 1055-1065

Luego de realizar la comparación numérica se determinó que:  Los aceros del estándar ASTM A29 grados 1060, 1064 y 1065 son los que mayor grado de paridad poseen con el valor experimental y teórico obtenido de 260 HB.

 Se descartó los aceros ASTM A29 grado 1055 y 1059 ya que la dureza máxima Brinell no concuerda con el valor teórico y experimental de 260HB pese a que su dureza Rockwell C de promedio 30 HRC y la composición química está en los límites de tolerancia permitidos.

4.3.4.5.4. Resultados y discusión

Luego de haber realizado la prueba de composición química, los cálculos de dureza, tracción de manera teórica y de haber sido confirmados experimentalmente con el grafico de esfuerzo vs deformación ingenieril, se

148

determinó que el acero pertenece al estándar ASTM A29/A29M (2004), en donde se elaboró la comparación numérica real de los resultados de las pruebas y ensayos realizados en la Escuela Politécnica Nacional, se dedujo que el cigüeñal base de la investigación es un acero con alto contenido de carbono para piezas para el sector marítimo y la construcción de máquinas con una resistencia de 750 a 950 N/mm2 apto para el temple superficial que pertenece a los estándar ASTM A29 de grado 1064, o sus equivalentes AISI C1064, SAE 1064, JIS S64C, DIN CK60 con una resistencia máxima a la tracción de 850-1000 MPa en revenido, que presenta una dureza Rockwell C de 30HRC y Brinell de 235-268HB. Las normas que más se destacan en la clasificación de aceros en el mundo son las emitidas por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) por sus siglas en inglés, y para la industria automotriz las normas emitidas por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) por sus siglas en inglés que han sido modificadas a través de los años, para el acero identificado como ASTM 1064 esta ha sido su evolución desde el año 2002 como se muestra en la tabla 45.

Tabla 45. Estándar ASTM/SAE 1064 ESTANDAR GRADO ASTM A682/A682M (2002) 1064 ASTM A830/A839M (2002) G10640 ASTM A510/A510M (2003) G10640 ASTM A568/A568M (2004) 1064 ASTM A713 (2004) 1064 ASTM A29/A29M (2004) 1064 SAE J1397 (1992) 1064 SAE J1249 (2000) 1064 (Cverna, y otros, 2002)

4.3.4.6. Análisis de la fractura

El tipo de fractura mecánica del material dictamina si este es dúctil o frágil aportando una información preliminar al ensayo de impacto antes de su

149

realización, este análisis macrográfico se elaboró a partir de las probetas de tracción T1 y T2 rotas.

4.3.4.6.1. Equipo utilizado

El equipo que se utilizó para el análisis macrográfico como lo muestran los datos presentados en la tabla 46, está localizado el laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla de la facultad de Ingeniería Mecánica de la (EPN).

Tabla 46. Microscopio para análisis macrográfico

SISTEMA ÓPTICO Sistema óptico de galileo AUMETO TOTAL 4.0x - 336 x -1 Tubo de observación binocular/trinocular/inclinable TUBO DE OBSERVACIÓN Triocular AUMENTO AUMENTO TIPO N/A WD(mm) TOTAL 0.5x Plan de Achromat 0.05 171 4x-28x LENTE DEL Plan de OBJETIVO 1x 0.1 81 8x-56x Apocromático 1.5x Plan de Achromat 0.15 45.5 12x-84x 2x Plan de Achromat 0.2 33.5 16x-112x Dimensiones 194mm x 253mm x 403mm Peso 4.5 Kg (Olympus, 2016)

4.3.4.6.2. Resultados y discusión

150

La probeta de tracción T1 mostró una fractura de exfoliación mecánica en la zona de rotura en forma de puntas variables que suelen presentar los materiales dúctiles como se muestra en la figura 85.

Figura 85. Macrografía, vista lateral de la fractura en la Probeta T1 (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

La probeta T2 mostró en la zona central múltiples grietas con cavidades porosas como se muestra en la figura 86.

Figura 86. Macrografía, vista frontal de la sección de rotura en la probeta T2 (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

151

4.3.5. ENSAYO CHARPY

Este ensayo fue realizado a temperatura ambiente (20-25°C) en el Distrito Metropolitano de Quito, la máquina tiene un error de 8 ftp/plg2, que debe ser considerado cuando se obtenga las mediciones reales de cada ensayo tanto para la probeta CH1 y CH2.

4.3.5.1. Procedimiento para la elaboración del ensayo Charpy

 Se etiquetó cada probeta como CH1 y CH2.  Se realizó la confirmación geométrica y dimensional de las probetas CH1 y CH2 de acuerdo al estándar ASTM E23 08 aɛ1.  Se calibró la maquina en cero.  Se elevó el péndulo a una distancia de 102mm  Se colocó la probeta CH1 en el yunque soporte como se muestra en la figura 87 por medio de unas pinzas especiales diseñadas para este procedimiento (se debe colocar la probeta con la muesca a 45° del lado opuesto de donde se impactará el martillo golpeador).

Figura 87. Montaje de la probeta CH1 en la máquina de ensayos de impacto

152

 Se dejó caer el péndulo que contiene el martillo golpeador como se muestra en la figura 88.  Se anotó las medidas correspondientes para CH1.  Se siguió le mismo procedimiento para la probeta CH2.

Figura 88. Ensayo Charpy en ejecución

Al finalizar el ensayo las probetas quedan totalmente rotas como se muestra en la figura 89, en donde se procedió a realizar una prueba macrografía de la zona de ruptura de las probetas para determinar el tamaño del grano del acero empleado para la construcción del cigüeñal base de la investigación, se tomó en cuenta la tolerancia de falla que posee la maquina universal de impactos de 8 ftp/plg2, este valor fue restado de la medida observada en los resultados para las probetas Ch1 y CH2 respectivamente.

Figura 89. Probetas CH1 y CH2 posterior al ensayo de impacto o Charpy

153

4.3.5.2. Equipos / Maquinas Utilizadas

Las probetas CH1 y CH2 fueron ensayadas en la máquina universal para ensayos de impacto como se muestra la tabla 47 del laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la facultad de Ingeniería Mecánica de la (EPN).

Tabla 47. Máquina universal para ensayos de impacto Máquina universal para EQUIPO ensayos de impacto MARCA Tinius-Olsen

MODELO IT 406 TIPO DE ENSAYO Impacto (Charpy) VOLTAJE (V) 110 VELOCIDAD DE 5.47 IMPACTO (m/s) DISPLAY Analógico CAPACIDAD MÁXIMA 140 (lb/pie)

(Tinus Olsen, 2016)

4.3.5.3. Cálculos realizados

4.3.5.3.1. Energía de Impacto

Para determinar la energía con la que el martillo golpeador se impactó contra las probetas CH1 y CH2 se empleó la ecuación 13.

 Para CH1

푒푙 = 푚 × 푔 (ℎ0 − ℎ푓) 푚 푒 = 27.2 퐾푔 × 9.81 (0.993푚 − 0.699푚) 푙 푠2

풆풍 = ퟕퟖ. ퟒퟐ 푱

154

 Para CH2

푒푙 = [푚 × 푔 (ℎ0 − ℎ푓)] 푚 푒 = [27.2 퐾푔 × 9.81 (0.993푚 − 0.771푚)] 푙 푠2

풆풍 = ퟓퟗ. ퟐퟏퟕ 푱

4.3.5.3.1.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre la energía de impacto teórica y la energía de impacto real para CH1 y para CH2 mediante un diagrama de barras como lo muestran los datos presentados en la figura 90 en la cual:

100 78,42 78,64 80 59,217 59,217 60

40 JOULE 20 0 TEÓRICO PROCESO TEÓRICO PROCESO EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL CH1 CH2 PROBETA

Figura 90. Energía de impacto para las probetas CH1 y CH2

 La probeta CH1 obtuvo una energía de impacto teórica de 78.42J y una energía de impacto real de 78.64J, que al compararlas tienen un margen de error del 0.28 que dictamina que el proceso experimental y el teórico cumple todos los parámetros necesarios de calidad que dictamina el estándar ASTM E23-07aɛ1.

 La probeta CH2 obtuvo una energía de impacto teórica de 59.21J y una energía de impacto real de 59.22J, que dictamina que el proceso

155

experimental y el teórico son equivalentes en donde los parámetros que exige el estándar ASTM E23-07aɛ1 se han cumplido.

4.3.5.3.2. Trabajo potencial del péndulo

Este parámetro está estrechamente relacionado con la máquina de ensayos de impacto que dictamina el trabajo realizado por el péndulo al momento del impacto tras partir de su punto máximo, se utilizó la ecuación 14.

Tp = P × H 푚 Tp = [(27.2 Kg × 9.81 ) × 0.993m] 푠2

퐓퐩 = ퟐퟔퟒ. ퟖퟕ 퐉

4.3.5.3.2.1. Resultados y discusión

El trabajo potencial del péndulo para CH1 y CH2 será el mismo ya que se empleó la misma fuerza (P) y el péndulo se elevó a la misma altura (H), el resultado resultó en 264.87 J.

4.3.5.3.3. Trabajo residual del péndulo

Este parámetro dictamina la energía del péndulo luego de impactarse con la probeta, para esto se utilizó la ecuación 15.

 Para CH1

푇푟 = 푃 × ℎ 푚 푇푟 = [(27.2 Kg × 9.81 ) × 0.699m] 푠2

푻풓 = ퟏퟖퟔ. ퟑퟐ 푱

156

 Para CH2

푇푟 = 푃 × ℎ 푚 푇푟 = [(27.2 Kg × 9.81 ) × 0.771m] 푠2

푻풓 = ퟐퟎퟓ. ퟓퟐ 푱

4.3.5.3.3.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre el trabajo residual del péndulo para CH1 y para CH2 mediante un diagrama de barras como lo muestran los datos presentados en la figura 91 en la cual:

250

200 205,52 186,32 150

100 JOULE 50

0 CH1 CH2 PROBETA

Figura 91. Trabajo residual del péndulo

 La probeta CH1 obtuvo un trabajo residual del péndulo de 186.32J y la probeta CH2 obtuvo un trabajo residual del péndulo de 205.52J que al compararlas tienen un margen de error del 9.34% que dictaminó que existió una variación en el proceso o algún agente exterior para que los resultados entre si sufran una alteración mayor al 5%, sin embargo el resultado obtenido para CH2 se considera en el límite del margen de error de la máquina universal de ensayos de 8 ftp/plg2.

157

4.3.5.3.4. Trabajo absorbido por la probeta

Este parámetro dictamina la diferencia entre la energía del péndulo en su caída y la energía absorbida por la probeta durante su rotura, para esto se utilizó la ecuación 16.

 Para CH1 Ta = Tp − Tr Ta = (264.87 J − 186.32 J)

퐓퐚 = ퟕퟖ. ퟓퟒퟖ 퐉

 Para CH2 Ta = Tp − Tr Ta = (264.87 J − 205.52 J) 퐓퐚 = ퟓퟗ. ퟑퟓ 퐉

4.3.5.3.4.1. Resultados y discusión

Se realizó una comparación numérica entre el trabajo absorbido por la probeta para CH1 y para CH2 mediante un diagrama de barras como se muestran los datos presentados en la figura 92 en la cual:

80 78,548 60 59,35

40 Joule

0 CH1 CH2 Probeta

Figura 92. Trabajo absorbido por CH1 y CH2

158

 La probeta CH1 obtuvo una absorción de energía de 78.55J y la probeta CH2 obtuvo un trabajo de absorción de energía igual a 59.35J que al compararlas tienen un margen de error del 24.44 % que dictamina que existió una variación en el proceso, en el material a prueba o algún agente exterior para que los resultados entre si sufran una alteración mayor al 10%. Sin embargo el promedio del trabajo absorbido por la probeta es de 68.95J que concuerda con el rango de la energía de impacto del péndulo.

4.3.5.3.5. Resiliencia del material

Este parámetro está estrechamente relacionado con la tenacidad del material que es una relación directamente proporcional pero no lineal, para esto se utilizó la ecuación 17.

 Para CH1 푇푎 R = 푆 8.01 퐾푔 R = [ ] (0.1푚 × 0.1푚)

퐑 = ퟖퟎퟏ 퐊퐠 퐦 ≈ ퟖퟎퟏퟎퟎ 퐊퐠 풄풎ퟐ

 Para CH2 푇푎 R = 푆 6.05 퐾푔 R = [ ] (0.1푚 × 0.1푚)

퐑 = ퟔퟎퟓ 퐊퐠 퐦 ≈ ퟔퟎퟓퟎퟎ 퐊퐠 풄풎ퟐ

4.3.5.3.5.1. Resultados y discusión

159

Se realizó una comparación numérica entre la resiliencia para CH1 y para CH2 mediante un diagrama de barras como se muestra en la figura 93 en donde:

900 801 800 700 605 600 500

Kgm 400 300 200 100 0 CH1 CH2 Probeta

Figura 93. Resiliencia para CH1 y CH2

 La probeta CH1 obtuvo una resiliencia de 801 Kg m ≈ 80100 Kg cm2 y la probeta CH2 obtuvo una resiliencia de 605 Kg m ≈ 60500 Kg cm2 que al compararlas tienen un margen de error del 24.44% que dictaminó que existió una variación en el proceso, en el material a prueba o algún agente exterior para que los resultados entre si sufran una alteración mayor al 10%. Sin embargo el promedio de resiliencia del material es de 703 Kg m ≈ 70300 Kg cm2 que indica que el material posee una elevada tenacidad.

4.3.5.3.6. Velocidad del péndulo

Este parámetro está estrechamente relacionado con la máquina de ensayos de impacto involucra a la energía cinética, a la gravedad y a la altura de la cual parte el péndulo, para esto se utilizó la ecuación 18.

ϑ2 = √2 × 푔 × ℎ1 푚 ϑ = [√(2 × 9.81 × 0.993푚)] 2 푠2 풎 훝 = ퟒ. ퟒퟏퟑ ퟐ 풔ퟐ

160

4.3.5.3.6.1. Resultados y discusión

La velocidad del péndulo tanto para CH1 y CH2 será la misma ya que se utilizaron los mismos parámetros de cálculo, resultando 4.413 m/s2 que resultó semejante a la velocidad de impacto que proporciona el fabricante de 5.47 m/s2 que tiene un error de 19.32% El margen de error puede deberse a factores como: la mala calibración de la máquina universal de impactos, falta de mantenimiento o el deterioro debido a que es una máquina tiene más de 10 años en funcionamiento.

4.3.5.3.7. Energía inicial del péndulo

Utilizando la energía potencial es factible determinar la energía inicial del péndulo, para esto se utilizó la ecuación 19.

퐸0 = 퐸푃 = 푚 × 푔 × ℎ 푚 퐸 = (27.2 퐾푔 × 9.81 × 0.993푚) 0 푠2

푬ퟎ = ퟐퟔퟒ. ퟖퟕퟒ 푱

4.3.5.3.7.1. Resultados y discusión

La energía inicial del péndulo tanto para CH1 y CH2 será la misma ya que se utilizaron los mismos parámetros de cálculo, resultando 264.874 J ≈ 27.028 Kgf m.

4.3.5.4. Análisis de fractura

El tipo de fractura mecánica del material dictamina si este es dúctil o frágil, este análisis macrográfico se elaboró a partir de las probetas de impacto Charpy CH1 y CH2 rotas, se utilizó un microscopio Olympus como se mostró en la tabla 46.

161

4.3.5.4.1. Resultados y discusión

La probeta de impacto Charpy 1 mostró una fractura de exfoliación mecánica en la zona de rotura en forma de una ceja que suelen presentar los materiales dúctiles pero de alta tenacidad como se muestra en la figura 94.

Figura 94. Macrografía, vista frontal de la fractura de la probeta CH1 (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

La probeta Charpy 2 mostró una fractura en forma de una pequeña ceja localizada en la parte lateral de la probeta que es típica de los materiales frágiles pero de elevada tenacidad como se muestra la figura 95.

Figura 95. Macrografía, vista frontal de la fractura de la probeta CH2 (Laboratorio de Metalografía, Desgaste y falla de la Escuela Politécnica Nacional, 2016)

162

4.3.6. ANÁLISIS DE ERROR Y REPRODUCTIBILIDAD

4.3.6.1. Error para el ensayo de dureza Rockwell C

Se determinó el margen de error mediante la media muestral o promedio mediante la ecuación 20 con los valores de dureza para D1 y D2 obtenidos teóricamente.

∑푁 푥𝑖 X̅ = 𝑖=1 푁 ∑2 (23.8 + 26) X̅ = 𝑖=1 2 퐗̅ = ퟐퟒ. ퟗퟎ

Se calculó la desviación estándar para determinar la variabilidad de las mediciones como un indicador de probabilidad mediante la ecuación 21, para esto se obtuvieron las proyecciones de las medias muéstrales como se muestra en la tabla 48.

Tabla 48. Promedios reales del ensayo de dureza Rockwell C N X (X- X̅ ) (X- X̅ 2)

1 23.8 -1.10 1.21

2 26 1.10 1.21

TOTAL 49.8 0 2.42

푁 2 ∑푖=1(푥𝑖 − 푋̅) S = √ 푁 − 1

∑2 (2.42)2 S = √ 푖=1 2 − 1

퐒 = ퟏ. ퟓퟔ

163

Se calculó la barra de error mediante la ecuación 22 para la cual se empleó el nivel de incertidumbre t = 2.571, n=1 y los grados de libertad para decretar el rango de probabilidad real igual desde el 60 al 99.5% como se mostró en la tabla 20.

푡 × 푆 δ = √푁 6.314 × 1.56 δ = √2 훅 = ퟔ. ퟗ

4.3.6.1.1. Interpretación de resultados

Tras obtener los parámetros estadísticos necesarios se realizó el análisis comparativo entre la dureza teórica incluida la barra de error permitido con la dureza experimental obtenida de la (EPN) como se muestra en la tabla 49 en donde:

Tabla 49. Error y reproductibilidad para el ensayo de dureza Rockwell C N° PROBETA TEÓRICA (HRC) EXPERIMENTAL (HRC) D1 23.8 24 D2 26 26 PROMEDIO 24.9 25 MEDIA 24.90 DESVIACIÓN ESTÁNDAR 1.56 BARRAS DE ERROR 60% 75% 90% 95% 97.5% 99% 99.95% 0.4 1.1 3.4 6.9 14.0 35.0 70.0

 Con una confiabilidad del 95% la dureza experimental está en el rango de la dureza teórica de promedio 24.9 ± 6.9 HRC.

4.3.6.2. Error para el ensayo de tracción

164

Pese a que el ensayo de tracción fue elaborado bajo el reglamento técnico legal, siempre existirá una diferencia de mediciones de un ensayo a otro, es necesario que la máquina este calibrada. Ver ANEXO XIII Se determinó el margen de error mediante la media muestral o promedio mediante la ecuación 20 con los valores de la resistencia máxima a la tracción y para el porcentaje de elongación en 25 mm obtenidos teóricamente.

 Para la resistencia máxima a la tracción

∑푁 푥𝑖 X̅ = 𝑖=1 푁 ∑2 (968.62 + 981.41) X̅ = 𝑖=1 2 퐗̅ = ퟗퟕퟓ.ퟎퟐ

Tabla 50. Promedios reales para la resistencia máxima a la tracción N X (X - X̅ ) (X- X̅ 2) T1 968.62 -6.40 40.95 T2 981.42 6.40 40.95 TOTAL 1 950.04 0 81.91

푁 2 ∑푖=1(푥𝑖 − 푋̅) S = √ 푁 − 1

∑2 (81.91)2 S = √ 푖=1 2 − 1

퐒 = ퟗ. ퟏ

165

푡 × 푆 δ = √푁 6.314 × 9.1 δ = √2 훅 = ퟒퟎ. ퟒ

 Para el porcentaje de elongación en 25mm

∑푁 푥𝑖 X̅ = 𝑖=1 푁 ∑2 (15.82 + 1832) X̅ = 𝑖=1 2 퐗̅ = ퟏퟕ. ퟎퟕ

Tabla 51. Promedios reales para el porcentaje de elongación N X (X - X̅) (X- X̅ 2) T1 15.82 -1.25 1.56 T2 18.32 1.25 1.56 TOTAL 34.14 0.00 3.13

166

∑푁 (푥𝑖 − 푋̅)2 S = √ 푖=1 푁 − 1

∑2 (3.13)2 S = √ 푖=1 2 − 1

퐒 = ퟏ. ퟕퟕ

푡 × 푆 δ = √푁 6.314 × 1.77 δ = √2 훅 = ퟕ. ퟗ

4.3.6.2.1. Interpretación de resultados

 Para la resistencia máxima a la tracción

Tras obtener los parámetros estadísticos necesarios se realizó el análisis comparativo entre resistencia máxima a la tracción teórica incluida la barra de errores permitidos con una confiablidad del 95%, en relación a los valores obtenidos de la (EPN) como se muestra en la tabla 52 en la cual:

Tabla 52. Error y reproductibilidad para la resistencia máxima a la tracción N TEÓRICA (MPa) EXPERIMENTAL (MPa) T1 968.62 958.64 T2 981.42 981.42 PROMEDIO 975.02 970.03 MEDIA 975.02 DESVIACIÓN ESTÁNDAR 9.1

167

BARRAS DE ERROR 60% 75% 90% 95% 97.5% 99% 99.95% 2.1 6.4 19.7 40.4 81.3 203.6 407.4

 Con una confiabilidad del 95% el promedio de la resistencia máxima a la tracción experimental está en el rango del promedio de los valores obtenidos teóricamente de 975.02 ± 40.4 MPa.

 Para el porcentaje de elongación en 25mm

Tras obtener los parámetros estadísticos necesarios se realizó el análisis comparativo entre el porcentaje de elongación teórico incluida la barra de errores permitidos con una confiabilidad del 95% en relación a los valores obtenidos experimentalmente en la (EPN) como se muestra en la tabla 53 en la cual:

Tabla 53. Error y reproductibilidad para el porcentaje de elongación N TEÓRICA (%) EXPERIMENTAL (%) T1 15.82 15.8 T2 18.32 25.72 PROMEDIO 17.07 20.76 DESVIACIÓN ESTÁNDAR 1.77 BARRAS DE ERROR 60% 75% 90% 95% 97.5% 99% 99.95% 0.4 1.3 3.8 7.9 15.9 39.8 79.6

 Con una confiabilidad del 95% el promedio del porcentaje de elongación experimental está en el rango del promedio de los valores obtenidos teóricamente de 17.07 ± 7.9%.

4.3.6.3. Error para el ensayo de impacto o Charpy

168

Se determinó el margen de error mediante la media muestral o promedio mediante la ecuación 20 con los valores de dureza para D1 y D2 obtenidos teóricamente.

∑푁 푥𝑖 X̅ = 𝑖=1 푁 ∑2 (78.64 + 59.66) X̅ = 𝑖=1 2 퐗̅ = ퟔퟗ. ퟏퟓ

Tabla 54. Promedios reales para la energía de impacto N X (X- X̅) (X- X̅ 2)

1 78.64 9.49 90.06

2 59.66 -9.49 90.06

TOTAL 138.3 0.00 180.12

푁 2 ∑푖=1(푥𝑖 − 푋̅) S = √ 푁 − 1

∑2 (180.12)2 S = √ 푖=1 2 − 1

퐒 = ퟏퟑ. ퟒ

Se calculó la barra de error mediante la ecuación 22 para la cual se empleó el nivel de incertidumbre t = 2.571, n=1 y los grados de libertad para decretar el

169

rango de probabilidad real igual desde el 60 al 99.5% como se mostró en la tabla 20.

푡 × 푆 δ = √푁 6.314 × 13.4 δ = √2 훅 = ퟓퟗ. ퟗ

4.3.6.3.1. Interpretación de resultados

Tras obtener los parámetros estadísticos se realizó el análisis entre la energía de impacto incluida la barra de error permitido con los valores obtenidos de manera experimental en la (EPN) como se muestra en la tabla 55 en la cual:

Tabla 55. Error y reproductibilidad para la energía de impacto N TEÓRICA (J) EXPERIMENTAL (J) D1 58 58 D2 44 44 PROMEDIO 51 51 DESVIACIÓN ESTÁNDAR 9.9 BARRAS DE ERROR 60% 75% 90% 95% 97.5% 99% 99.95% 3.1 9.5 29.2 59.9 120.6 302.0 604.1

 Con una confiabilidad del 95% la energía de impacto experimental está en el rango de su similar determinado de manera teórica de promedio 69.15 ± 59.9J.

170

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

 La prueba de composición química del acero de construcción del cigüeñal del vehículo chino Saic Wuling, mediante espectrometría por chispa en el taller de Metalurgia extractiva de la (EPN) determinó que: el material posee 0.63 de Carbono, 0.23 de Silicio, 0.77 de Manganeso, 1.00 de Cobre, 97.13 de hierro entre sus valores reales más destacados, en los cuales el acero del objeto a estudio se encuentra dentro de los rangos establecidos por el estándar ASTM A29 en los grados 1055,1059, 1060, 1064 y 1065.

 La microestructura presente en el cigüeñal objeto de la investigación mediante el análisis metalográfico y micrográfico bajo el estándar ASTM A407-07 presentó una microestructura de tipo martensita revenida con gran cantidad de inclusiones no metálicas posiblemente formadas durante el proceso de obtención del metal típica para aceros con alto contenido de carbono.

 Se verificó las principales propiedades mecánicas del cigüeñal como: dureza Rockwell en escala C bajo el estándar ASTM E18-16 en la cual se obtuvo un promedio de 25 ± 6.9HRC, una resistencia máxima a la tracción o tensión bajo el estándar ASTM E8 con un promedio teórico real de 975.02 ± 40.4MPa, un límite de fluencia de promedio teórico real de 855.14MPa, un porcentaje de elongación en 25mm de promedio teórico real de 17.07 ±7.9% y una energía de impacto bajo el estándar ASTM E23- 07aɛ1 de promedio 69.15 ± 59.9J, todas con un porcentaje de confiablidad del 95%.

 Se determinó que el acero con alto contenido de carbono corresponde al estándar ASTM A29 en el cual se elaboró una comparación numérica con las propiedades mecánicas obtenidas en los talleres y laboratorios de la

172

Escuela Politécnica Nacional, llegando a la conclusión que el grado que mayor similitud presenta es el 1064 denominado como: acero al carbono, para piezas para el sector marítimo y para la construcción de máquinas con una resistencia de 750 a 950 N/mm2, apto para el temple superficial.

173

5.2. RECOMENDACIONES

 Se debe realizar una investigación más extensa de los materiales utilizados para la construcción de elementos fijos, móviles y mecánicos de la marca Saic Wuling.

 Se sugiere que para la elección de la norma base (ASTM) antes de a la realización de los ensayos mecánicos, ésta se elija de acuerdo al contenido de carbono que presentan los resultados del laboratorio de Metalurgia extractiva de la (EPN).

 Se debe tomar en cuenta la geometría y la cantidad de material para la mecanización de las probetas para los ensayos destructivos y no destructivos, en donde para obtener mejores resultados se debe ensayar una base mínima de cinco probetas.

 se recomienda utilizar el estándar ASTM A370 para ensayos mecánicos de tracción para aceros con alto contenido de carbono.

 Se sugiere a la Universidad Tecnológica Equinoccial implementar laboratorios para la realización de ensayos mecánicos, metalográficos, microscópicos, macroscópicos.

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NOMENCLATURA O GLOSARIO

Acero al carbono Es la aleación de hierro y carbono cuya cantidad de carbono no pasa del 2%. No lleva ningún otro componente y su temperatura de trabajo no puede sobrepasar los 300 °C. Acero al dulce Se caracteriza por ser muy maleable (con gran capacidad de deformación) y tener una concentración de carbono inferior al 0,2%. Por encima de esta proporción de carbono, el acero se vuelve más duro, pero más frágil. Acero Son aleaciones de hierro-carbono que contienen menos del 1,7% de carbono, es un metal de color gris azulado. Acero inoxidable Acero que presenta una gran resistencia a la acción de la oxidación, característica que se consigue aleándolo con el cromo y el níquel. Aceros Aleados Son los aceros que además de llevar hierro y carbono llevan otros metales tales como Manganeso, Silicio, etc., en cantidades muy pequeñas pero que mejoran la calidad de los aceros que lo contienen y mejoran sus propiedades. AEDE Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador.

Aleación Sustancia con propiedades metálicas compuesta por dos o más elementos químicos de los cuales al menos uno es un metal. Amagnético Metal que no es susceptible de ser imantado. Antifricción Que evita, reduce o elimina la fricción entre dos determinadas superficies metálicas o no.

175

Anisotrópico Metales que tienen diferentes valores en el ensayo de tracción y compresión. ASTM American Society for Testing and Materials. Austenita Es un componente que entra en la formación de la estructura de los aceros, es una solución sólida de carburo de hierro, en hierro gamma. Es un componente blando y dúctil. Bicilíndricos Término que índica un motor de combustión interna dotado de dos cilindros. La posición de los cilindros puede ser en línea, en V (estrecha, de 90° o de más de 90°) y opuestos (180°). Biela Parte del motor que une el pistón con el cigüeñal. Se encarga de recoger la fuerza de la combustión y transmitirla al cigüeñal, transformando el movimiento lineal del pistón en rotatorio. Se fabrican en acero forjado y templado. Capilaridad Es la facilidad que tienen los líquidos de mar de adherirse a las paredes de la vasija donde se encuentran. Cementación Es un tratamiento térmico que se aplica a los aceros con el fin de aumentar la dureza de su superficie añadiéndoles carbono mientras el núcleo de la pieza no sufre alteración. Cementita Es uno de los constituyentes que entra en la formación de los aceros. Es un carburo de hierro con un contenido en carbono de 6.67%. Es el constituyente más duro y frágil que entra en la composición de los aceros. Cianuración Es un tratamiento térmico capaz de aumentar la dureza de la superficie del acero mediante la aplicación de sales fundidas de cianuros y nitrógeno. Cilíndricos Termino que indica que en su forma geométrica se asemeja a un cilindro o tiene forma de este.

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Corrosión Ataque químico y electroquímico gradual sobre un metal producido por la atmósfera, la humedad y otros agentes. Curva S-N Curva que traza los resultados de los ensayos de varias muestras a diferentes niveles de esfuerzo que se utiliza para determinar la vida de fatiga de un material a un nivel de esfuerzo dado. Desgaste Deterioro progresivo de una materia como consecuencia del uso o del rose. Diametralmente De un extremo hasta el opuesto. DIN Deutsches Institut für Normung. Ductilidad Propiedad que poseen algunos metales de dejarse estirar mediante esfuerzos de tracción. Dureza Fuerza de un cuerpo que se opone al ser rayado. Durómetro Es la máquina capaz de medir la dureza de un determinado material. Con ella se someten los materiales al ensayo de dureza. Elasticidad Es la propiedad de los materiales que dictamina la deformación de un cuerpo al aplicarle una fuerza, este se deforma , pero al cese de la fuerza, el cuerpo vuelve a su posición inicial sin presentar deformación alguna. Energía Se llama energía al trabajo realizado por un cuerpo cuando se le aplica una fuerza y este se desplaza un espacio. Ensayo Charpy Ensayo de un solo golpe llamado así por Georges Charpy en el cual la muestra mellada es rota por un péndulo en movimiento. Ensayo de viga Método utilizado para determinar la fatiga alternado los voladiza esfuerzos de tracción y compresión de una muestra. Esfuerzos Como esfuerzo se denomina a la fuerza que se aplica contra algún impulso o resistencia, para contrarrestarlo o revertirlo. Asimismo, se llama esfuerzo a la energía o

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el vigor que se pone en la realización de algo, venciendo obstáculos. Espectrómetro Equipo que permite la determinación de la composición química de metales, mediante la vaporización de la muestra y el análisis de las chispas formadas. Estampado Fabricación de piezas mediante la presión de un molde sobre una plancha de materia prima. Excéntrico (a) Elemento mecánico circular que gira en torno a un eje que no pasa por su centro geométrico. Puede considerarse como un caso particular de leva y, como tal, se emplea para transformar el movimiento uniforme de rotación del eje del que forma parte, en el movimiento rectilíneo alternativo del elemento que se halla en contacto con ella. Fatiga Capacidad que posee un material para soportar cargas repetitivas sobre el mismo punto paulatinamente. Forja Formación de un metal en caliente bien golpeándolo, bien ejerciendo presión. Frágiles Materiales que fallan por completo al inicio de la deformación plástica. Fundición blanca Metal duro, quebradizo y magnético. Se rompe rápidamente al golpearlo con un martillo y la fractura es de color plateado y blanco. Fundición gris Forma más común del hierro fundido utilizado principalmente en fundiciones. La fractura es de color gris oscuro, siendo utilizada para bancadas, bases, etc. Galvanizado Revestimiento del acero con zinc para así evitar la corrosión. ISO International Organisation for Standardization. Isotrópico Metales que poseen el mismo valor en el ensayo de tracción y compresión. JIS Japanese Industrial Standards.

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Límite de Nivel de tensión bajo el cual hay 50% de probabilidad de resistencia que no se lleve a cabo la falla. Mecanizado Proceso de fabricación con torno, fresadora u otra máquina herramienta, en el cual se construye una pieza partiendo de un bloque metálico. Metalografía Estudio de la estructura, composición y propiedades de los metales y sus aleaciones. Motor de Motor de combustión interna en el que el ciclo de trabajo combustión y la transmisión de fuerzas se producen mediante el interna alternativo desplazamiento lineal y repetitivo de un émbolo o pistón. (MCIA) Motor de Motor térmico en el que la combustión se produce en su combustión interior. interna (MCI) Motor de Comprime aire hasta que este adquiere una gran presión encendido por y temperatura, momento en el cual se inyecta el compresión combustible y se produce la combustión por auto (MEC) o de ciclo inflamación del mismo. Diesel Motor de Comprime una mezcla de aire y combustible, encendido produciéndose la combustión por una causa externa, es provocado (MEP) decir, por el salto de chispa de la bujía. o de ciclo Otto Motor Térmico Máquina térmica que produce energía mecánica por el aprovechamiento de la energía térmica almacenada en un fluido por medio de una combustión. Normas ASTM Lineamientos publicados por la American Society for testing Materials que proporcionan los procedimientos detallados para los ensayos a fin de asegurar que los realizados en diferentes laboratorios sean directamente comprables.

179

OICA Organización de Fabricantes de Vehículos de Motor.

SAE Society of Automotive Engineers.

Tenacidad Propiedad que define la resistencia del material a los golpes, la cual se mide a través del ensayo de impacto. Tensión mecánica Es la fuerza aplicada por unidad de área en el entorno de un punto de un cuerpo material por medio continuo, su unidad es el Pascal N/m.

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190

ANEXOS

ANEXO 1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DEL MOTOR TÉRMICO DE COMBSUTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

191

ANEXO 2. TABLAS DE EQUIVALENCIAS INTERNACIONALES DE LA INDUSTRIA METALÚRGICA (ACEROS GRIÑON)

TABLAS DE EQUIVALENCIAS INTERNACIONALES DE LA INDUSTRIA METALÚRGICA ACEROS AL CARBONO

IA IA

USA

ITALIA

JAPON

ORIGEN

ESPAÑA

EUROPA

ALEMAN ALEMAN

FRANCIA NOR EN UNE DIN STAN NF UNI AISI/SA JIS MA 10083 36011-12 17200 D Nº A35- 7846 E 552-86

F111 - F1110 CK15 10.401 XC15 C15 SAE 1015 C15C F112 C25E F1120 CK25 11.158 XC25 C25 SAE 1026 S25C F113 C30E F1130 CK30 11.178 XC32 C30 SAE 1030 S30C F114 C45E F1140 CK45 11.191 XC45 C45 SAE 1045 S45C F115 C55E F1150 CK55 11.203 XC55 C55 SAE 1055 S55C C60 C60E CK60 10.601 C60 C60 SAE 1060 S58C ST-52 S355 AE355 S355 10.045 E36-2 FE510 SAE 1024 SCC3 A-105 - - C21 10.432 - - ASTM - A105

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ACEROS AL CARBONO GRIÑO C Si Mn P S Cr Ni Mo Otros N

0.12/0.1 0.30/0.6 <0.04 <0.04 F111 8 <0.40 0 5 5 0.22/0.2 0.40/0.7 <0.04 <0.04 <0.4 <0.4 <0.1 Cr+Ni+Mo<0.6 F112 9 <0.40 0 5 5 0 0 0 3 0.27/0.3 0.50/0.8 <0.04 <0.04 <0.4 <0.4 <0.1 Cr+Ni+Mo<0.6 F113 4 <0.40 0 5 5 0 0 0 3

192

0.42/0.5 0.50/0.8 <0.04 <0.04 <0.4 <0.4 <0.1 Cr+Ni+Mo<0.6 F114 0 <0.40 0 5 5 0 0 0 3 0.52/0.6 0.60/0.9 <0.04 <0.04 <0.4 <0.4 <0.1 Cr+Ni+Mo<0.6 F115 0 <0.40 0 5 5 0 0 0 3 0.57/0.6 0.60/0.9 <0.04 <0.04 <0.4 <0.4 <0.1 Cr+Ni+Mo<0.6 C60 5 <0.40 0 5 5 0 0 0 3 <0.04 <0.04 ST-52 <0.24 <0.55 <1.60 5 5 N <0.009 0.18/0.2 0.15/0.3 0.60/1.0 <0.04 <0.05 A-105 3 5 5 0 0

ACEROS ALEADOS PARA TEMPLE Y REVENIDO

USA

ITALIA

JAPON

ORIGEN

ESPAÑA

EUROPA

FRANCIA

ALEMANIA ALEMANIA NORM EN UNE DIN STAN NF UNI AISI/SAE JIS A 10083 36011- 17200 D Nº A35- 7846 12 552-86 28Mn 28Mn6 28Mn6 28Mn6 11.17 28Mn6 28Mn SAE 102 6 0 6 7 38Cr2 38Cr2 F1200 38Cr2 17.00 38C2 38Cr2 3 46Cr2 46Cr2 42Cr2 17.00 46C2 46CR2 6 34Cr4 34Cr4 34Cr4 17.03 32C4 34Cr4 SAE 513 SCr430 3 2 37Cr4 37Cr4 F1201 37Cr4 17.03 38C4 38Cr4 SAE 513 SCr435 4 5 41Cr4 41Cr4 F1202 41Cr4 17.03 42C4 41Cr4 SAE 5140 SCr440 5 25CrM 25CrM F222 25CrMo 17.21 25CD4 25CrM SCM42 o4 o4 4 8 o4 0

193

34CrM 34CrM F1250 34CrMo 17.22 34CD4 35CrM SAE 4135 SCM43 o4 o4 4 0 o4 5 F125 42CrM F1252 42CrMo 17.22 42CD4 42CrM SAE 4140 SCM44 o4 4 5 o4 0 F128 F1282 39NiCr Mo3 34CrNi 34CrNi 34CrNiM 34CrNi 16.58 34CrNi 34CrNi Mo6 Mo6 o6 Mo6 2 Mo6 Mo6 30CrNi 30CrNi 30CrNiM 30CrNi 16.58 30CND 30CrNi Mo8 Mo8 o8 Mo8 0 8 Mo8 F127 40NiCr F1272 40NiCr 16.56 40NiCr SAE 4340 SNCM4 Mo7 Mo8-4 2 Mo7 39 F126 36NiCr F1260 36NiCr 16.77 35NCD 35NiCr Mo16 Mo16 3 16 Mo15 F143 51CrV4 F1430 50CrV4 18.15 50CrV4 SAE 6150 SUP10 9 20Mn 20MnB F1293 20MB5 20Mn SAE SWRCH B5 5 B5 15B21H B620 30Mn 30MnB 30Mn SAE B5 5 B5 15B28H 38Mn 38MnB 38MnB 15.53 38MB5 SAE SWRCH B5 5 5 2 15B41H B737 27Mn 27MnC 27MnCr 17.18 CrB5 rB5.2 B5-2 2 39Mn 39MnC 39MnCr 17.18 CrB6 rB6.2 B6-2 9 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ACEROS ALEADOS PARA TEMPLE Y REVENIDO GRIÑON C Si Mn P S Cr Ni Mo Otros 0.25/0. 1.30/1. <0.0 <0.0 Cr+Ni+Mo<0. 28Mn6 32 <0.40 65 35 35 <0.40 <0.10 <0.10 63 0.35/0. 0.50/0. <0.0 <0.0 0.40/0. 38Cr2 42 <0.40 80 35 35 60

194

0.42/0. 0.50/0. <0.0 <0.0 0.40/0. 46Cr2 50 <0.40 80 35 35 60 0.30/0. 0.60/0. <0.0 <0.0 0.90/1. 34Cr4 37 <0.40 90 35 35 20 0.34/0. 0.60/0. <0.0 <0.0 0.90/1. 37Cr4 41 <0.40 90 35 35 20 0.38/0. 0.60/0. <0.0 <0.0 0.90/1. 41Cr4 41 <0.40 90 35 35 20 25CrMo 0.22/0. 0.60/0. <0.0 <0.0 0.90/1. 0.15/0. 4 29 <0.40 90 35 35 20 30 34CrMo 0.30/0. 0.60/0. <0.0 <0.0 0.90/1. 0.15/0. 4 37 <0.40 90 35 35 20 30 0.38/0. 0.60/0. <0.0 <0.0 0.90/1. 0.15/0. F125 45 <0.40 90 35 35 20 30 0.35/0. 0.15/0. 0.50/0. <0.0 <0.0 0.60/1. 0.70/1. 0.15/0. F128 43 35 80 35 35 00 00 25 34CrNiM 0.30/0. 0.50/0. <0.0 <0.0 1.30/1. 1.30/1. 0.15/0. o6 38 <0.40 80 35 35 70 70 30 30CrNiM 0.26/0. 0.30/0. <0.0 <0.0 1.80/2. 1.80/2. 0.30/0. o8 34 <0.40 60 35 35 20 20 50 0.37/0. 0.20/0. 0.70/0. <0.0 <0.0 0.70/0. 1.65/2. 0.30/0. Al F127 44 35 90 20 15 95 00 40 0.005/0.050 0.32/0. 0.30/0. <0.0 <0.0 1.60/2. 3.60/4. 0.24/0. F126 39 <0.40 60 30 25 00 10 45 0.47/0. 0.70/1. <0.0 <0.0 0.90/1. F143 55 <0.40 10 35 35 20 V 0.10/0.25 0.17/0. 0.15/0. 1.10/1. <0.0 <0.0 B.- 20MnB5 23 35 40 35 35 0.0008/0.005 0.27/0. 1.15/1. <0.0 <0.0 B.- 30MnB5 33 <0.40 45 35 40 0.0008/0.005 0.36/0. 1.15/1. <0.0 <0.0 B.- 38MnB5 42 <0.40 45 35 40 0.0008/0.005

195

27MnCr 0.24/0. 1.10/1. <0.0 <0.0 0.30/0. B.- B5 30 <0.40 40 35 40 60 0.0008/0.005 39MnCr 0.36/0. 1.40/1. <0.0 <0.0 0.30/0. B.- B6 42 <0.40 70 35 40 60 0.0008/0.005

ACEROS DE FACIL MECANIZACIÓN

GRIÑON EUROPA ESPAÑA ALEMANIA ALEMANIA FRANCIA ITALIA USA JAPON EN UNE DIN STAND NF A35- AISI/SA 10083 36011-12 17200 Nº 552-86 UNI 7846 E JIS 11SMn3 CF9SMn2 SAE SUM F211 0 F2111 9SMn28 10.715 S250 8 1213 22 11SMnP 9SMnPb CF9SMnP SAE SUM F212 B30 F2112 28 10.718 S250Pb b28 12L13 22L 11SMn3 CF9SMN3 SAE SUM F211 7 F2113 9SMN36 10.736 S300 6 1215 25 11SMnP 9SMnPb CF9SMnP SAE F212 b37 F2114 36 10.737 S300Pb b36 12L14 15SMn1 15SMN1 SAE SUM 3 3 15S10 10.710 13MF4 1115 31

10S20 10S20 F2121 10S20 10.721 12MF4 CF10S20 10SPB2 CF10SPb2 0 10SPb20 F2122 10SPb20 10.722 0 36SMn1 36SMN1 CF35SMn SUM 4 4 F2131 35MF6 10 41 36SMnP 36SMnP CF35SMn SAE b11 b14 F2132 35MF6Pb Pb10 1137

35S20 35S20 35S20 10.726 35MF4

196

35SPb2 0 35SPb20 35SPb20 10.756

45S20 46S20 45S20 10.727 45MF4 45SPb2 0 46SPb20 45SPb20 10.757 44SMn2 44SMn2 44SMn2 CF44SMn SAE SUM 8 8 F2133 8 10.762 45MF6.3 28 1144 43 44SMnP 44SMnP 44SMnP 44SMnPb CF44SMn SAE SUM b28 b28 b28 10.763 28 Pb28 1144 43

60S20 60S20 10.728 60SPb2 0 60SPb20 10.758

FORAL

F114PB C45PB 10.504 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEROS DE FACIL MECANIZACIÓN GRIÑON C Si Mn P S Pb F211 <0.14 <0.05 0.90/1.30 <0.11 0.27/0.33 F212 <0.14 <0.05 0.90/1.30 <0.11 0.27/0.33 0.15/0.35 F211 <0.14 <0.05 1.10/1.50 <0.10 0.34/0.40 F212 <0.15 <0.05 1.10/1.50 <0.10 0.34/0.40 0.15/0.35 15SMn13 0.12/0.18 <0.40 0.90/1.30 <0.06 0.08/0.18 10S20 0.07/0.13 <0.40 0.70/1.10 <0.06 0.15/0.25 10SPB20 0.07/0.13 <0.40 0.70/1.10 <0.06 0.15/0.25 0.20/0.35 36SMn14 0.32/0.39 <0.04 1.30/1.70 <0.06 0.10/0.18 36SMnPb11 0.32/0.39 <0.04 1.30/1.70 <0.06 0.10/0.18 0.15/0.35 35S20 0.32/0.39 <0.40 0.70/1.10 <0.06 0.15/0.25 35SPb20 0.32/0.39 <0.40 0.70/1.10 <0.06 0.15/0.25 0.15/0.35 45S20 0.42/0.50 <0.40 0.70/1.10 <0.06 0.15/0.25 45SPb20 0.42/0.50 <0.40 0.70/1.10 <0.06 0.15/0.25 0.15/0.35 44SMn28 0.40/0.48 <0.40 1.30/1.70 <0.06 0.24/0.33 44SMnPb28 0.40/0.48 <0.40 1.30/1.70 <0.06 0.24/0.33 0.15/0.35

197

60S20 0.57/0.65 0.10/0.30 0.70/1.10 <0.06 0.18/0.25 60SPb20 0.57/0.65 0.10/0.30 0.70/1.10 <0.06 0.18/0.25 0.15/0.35 FORAL F114PB 0.42/0.50 <0.40 0.50/0.80 <0.045 <0.045 0.15/0.30

ANEXO 3. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MÉTODOS DE ENSAYO DE DUREZA Y FÓRMULAS PARA CALCULAR LA DUREZA

198

ANEXO 4. TABLA 2-3 ESCALA DE DUREZA ROCKWELL Y SUS USOS.

199

ANEXO 5.

200

TABLA PARA CONVERTIR DIFERENTES ESCALAS DE DUREZA DEL ESTANDAR SAE J417

BRINELL ROCKWELL VICKERS

201

Bola de 10 mm con Resistencia a la 3.000 Kg de carga tracción "B" bola Diámetro de Dureza "C" cono de acero Hv Kg/mm2 la huella HB diamante duro 2.30 712 66 - 960 246

2.35 682 64 - 885 235 2.40 653 62 - 820 227 2.45 627 60 - 765 218

2.50 601 558 - 717 208 2.55 578 57 - 675 200 2.60 555 55 120 633 193

2.70 514 52 119 567 177 2.80 477 49 117 515 164 2.90 444 46 115 472 154

3.00 415 44 114 437 144 3.10 388 41 112 404 133 3.20 363 38 110 375 124

3.30 341 36 109 350 116 3.40 321 34 108 327 109 3.50 302 32 107 305 103 3.60 285 30 105 287 98 3.70 269 28 104 270 92

3.80 255 25 102 256 88

3.90 241 23 100 241 84 4.00 229 21 98 229 80 4.25 202 15 94 202 70

4.50 179 8 89 279 63 4.75 159 2 84 159 56 5.00 143 - 79 143 51 ANEXO 6.

202

NORMA ASTM E8

American Association State Designation: E8/E8M – 09 Highway and Transportation Officials Standard AASHTO No.: T68 An American National Standard

Standard Test Methods for 1 Tension Testing of Metallic Materials

This standard is issued under the fixed designation E8/E8M; the number immediately following the designation indicates the year of original adoption or, in the case of revision, the year of last revision. A number in parentheses indicates the year of last reapproval. A superscript epsilon (´) indicates an editorial change since the last revision or reapproval.

This standard has been approved for use by agencies of the Department of Defense.

1. Scope* A370 Test Methods and Definitions for Mechanical Testing 1.1 These test methods cover the tension testing of metallic of Steel Products materials in any form at room temperature, specifically, the B557 Test Methods for Tension Testing Wrought and Cast methods of determination of yield strength, yield point elon- Aluminum- and Magnesium-Alloy Products gation, tensile strength, elongation, and reduction of area. B557M Test Methods for Tension Testing Wrought and Cast 1.2 The gage lengths for most round specimens are required Aluminum- and Magnesium-Alloy Products (Metric) to be 4D for E8 and 5D for E8M. The gage length is the most E4 Practices for Force Verification of Testing Machines significant difference between E8 and E8M Test Specimens E6 Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing Test specimens made from powder metallurgy (P/M) materials E29 Practice for Using Significant Digits in Test Data to are exempt from this requirement by industry-wide agreement Determine Conformance with Specifications to keep the pressing of the material to a specific projected area E83 Practice for Verification and Classification of Exten- and density. someter Systems 1.3 Exceptions to the provisions of these test methods may E345 Test Methods of Tension Testing of Metallic Foil need to be made in individual specifications or test methods for E691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study to a particular material. For examples, see Test Methods and Determine the Precision of a Test Method Definitions A370 and Test Methods B557, and B557M. E1012 Practice for Verification of Test Frame and Specimen 1.4 Room temperature shall be considered to be 10 to 38°C Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force [50 to 100°F] unless otherwise specified. Application 1.5 The values stated in SI units are to be regarded as E1856 Guide for Evaluating Computerized Data Acquisi- separate from inch/pound units. The values stated in each tion Systems Used to Acquire Data from Universal Testing system are not exact equivalents; therefore each system must Machines be used independently of the other. Combining values from the 3. Terminology two systems may result in non-conformance with the standard. 1.6 This standard does not purport to address all of the 3.1 Definitions—The definitions of terms relating to tension safety concerns, if any, associated with its use. It is the testing appearing in Terminology E6 shall be considered as responsibility of the user of this standard to establish appro- applying to the terms used in these test methods of tension priate safety and health practices and determine the applica- testing. Additional terms being defined are as follows: bility of regulatory limitations prior to use. 3.1.1 discontinuous yielding—in a uniaxial test, a hesitation or fluctuation of force observed at the onset of plastic defor- 2. Referenced Documents mation, due to localized yielding. (The stress-strain curve need 2 2.1 ASTM Standards: not appear to be discontinuous.) A356/A356M Specification for Steel Castings, Carbon, 3.1.2 elongation at fracture—the elongation measured just Low Alloy, and Stainless Steel, Heavy-Walled for Steam prior to the sudden decrease in force associated with fracture. Turbines For many materials not exhibiting a sudden decrease in force, the elongation at fracture can be taken as the strain measured

1 just prior to when the force falls below 10 % of the maximum

These test methods are under the jurisdiction of ASTM Committee E28 on force encountered during the test. Mechanical Testing and are the direct responsibility of Subcommittee E28.04 on -2 Uniaxial Testing. 3.1.3 lower yield strength, LYS [FL ]—in a uniaxial test, Current edition approved Dec. 1, 2009. Published December 2009. Originally the minimum stress recorded during discontinuous yielding, approved in 1924. Last previous edition approved 2008 as E8/E8M – 08. DOI: ignoring transient effects. 10.1520/E0008_E0008M-09. 2 For referenced ASTM standards, visit the ASTM website, www.astm.org, or 3.1.4 uniform elongation, Elu, [%]—the elongation deter- contact ASTM Customer Service at [email protected]. For Annual Book of ASTM mined at the maximum force sustained by the test piece just Standards volume information, refer to the standard’s Document Summary page on prior to necking or fracture, or both. the ASTM website.

*A Summary of Changes section appears at the end of this standard. Copyright by ASTM Int'l (all rights reserved); Thu Jul 15 12:39:35 EDT 2010 1 Downloaded/printed by Universidad Del Valle pursuant to License Agreement. No further reproductions authorized.

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ANEXO 7. NORMA ASTM E23-07ªɛ1

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ANEXO 8. CRONOGRAMA GENERAL DE ACTIVIDADES

256

CRONOGRAMA GENERAL DE ACTIVIDADES MESES mar-16 abr-16 may-16 jun-16 jul-16 ago-16 Semana Semana Semana Semana Semana Semana FASES / ACTIVIDADES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ELABORACIÓN DEL CAPÍTULO I "INTRODUCCIÓN" Lectura de la guía para la realización del trabajo de titulación Redacción de la introducción Revisiones y correcciones ELABORACIÓN DEL CAPÍTULO II "MARCO TEÓRICO" Búsqueda bibliográfica Redacción del marco teórico Revisiones y correcciones ELABORACIÓN DEL CAPÍTULO III "METODOLOGÍA" Redacción del proceso metodológico Extracción de las probetas (Ensayos no destructivos) Elaboración de los ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS Elaboración de la prueba de composición química Elaboración de la prueba de “Análisis metalográfico y micrografía de materiales metálicos” Elaboración del ensayo de “Determinación de dureza de metales y sus aleaciones” Extracción de las probetas (Ensayos destructivos) Elaboración de los ENSAYOS DESTRUCTIVOS Elaboración del ENSAYO DE TRACCIÓN Elaboración del ENSAYO DE FATIGA Análisis y revisión de resultados Revisiones y correcciones ELABORACIÓN DEL CAPÍTULO IV "ANÁLISIS DE RESULTADOS" Redacción de los resultados obtenidos en los ensayos no destructivos y destructivos Revisiones y correcciones ELABORACIÓN DEL CAPÍTULO V "CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES" Redacción de las conclusiones Redacción de las recomendaciones Revisiones y correcciones Revisión Bibliográfica. Defensa de Tesis.

ANEXO 9. DESARROLLO DE ACTIVIDADES

257

DESARROLLO DE ACTIVIDADES Y PRESUPUESTO DETALLADO

TIEMPO PRESUPUESTO FASE ETAPA ACTIVIDADES METAS RESPONSABLE # de RECURSO $ Semana Planificación del trabajo de Búsqueda bibliográfica 1 Planificación Planificar el trabajo de titulación Tesista $ 20,00 titulación Clasificación de la información 2

1.1 Lectura de la guía para la realización del trabajo de titulación 3 ELABORACIÓN DEL 1. Redacción de la Identificar todos los parámetros previos para la redacción Tesista $ 20,00 CAPÍTULO I "INTRODUCCIÓN" introducción 1.2 Redacción de la introducción del trabajo de titulación 3 1.4 Revisiones y correcciones 4 2.1 Redacción del concepto y función del cigüeñal 4 2.2 Redacción de materiales 5 2.3 Redacción del proceso de construcción del cigüeñal Conocer e identificar toda la información pertinente acerca 5 del cigüeñal, sus materiales, criterios de diseño, elementos Tesista 6 2.4 Redacción de los elementos constructivos constructivos, etc. ELABORACIÓN DEL 2. Redacción del 2.5 Redacción de los tipos de cigüeñal 6 CAPÍTULO II "MARCO $ 40,00 marco teórico TEÓRICO" 2.6 Redacción del acero 7 2.7 Redacción de los ensayos no destructivos 7 Conocer toda la información pertinente acerca de los Tesista 2.8 Redacción de los ensayos destructivos 8 ensayos mecánicos en materiales, principalmente del 2.9 Revisiones y correcciones ensayo de dureza, tracción y tensión Director de tesis / tesista 8

3.1 Redacción del proceso metodológico 8 $ 20,00

1 $ 300,00 3.1 Adquisición del material a prueba (cigüeñal) Identificar los requisitos, parámetros técnicos / normas necesarias, para poder construir las probetas necesarias Tesista 3.2 Extracción de las probetas para los ensayos no destructivos para la elaboración de los ensayos no destructivos y 9 $ 40,00 destructivos en el cigüeñal 3.3 Mecanización y preparación de las probetas para los ensayos no 9 $ 50,00 destructivos

3.4 Preparación de las probetas 10 $ 40,00

3.5 Elaboración de la prueba de composición química de materiales Determinar los compuestos químicos del cigüeñal Laboratorio de Metalografía, desgaste y falla10 EPN $ 180,00 Humano, ELABORACIÓN DEL tecnológico, 3. Desarrollo de la 3.6 Elaboración de la prueba de metalografía Determinar el tipo de aleación de acero del cigüeñal Laboratorio de Metalografía, desgaste y falla11 EPN $ 160,00 CAPÍTULO III económico, investigación "METODOLOGÍA" Laboratorio de ensayos no tiempo 3.7 Elaboración del ensayo no destructivo de dureza Determinar la dureza del acero 11 $ 60,00 destructivos de la EPN

3.8 Extracción de las probetas para los ensayos destructivos 12 $ 80,00

3.9 Mecanización y preparación de las probetas para los ensayos Obtener las probetas de acuerdo a la norma ASTM Tesista 12 $ 200,00 destructivos

3.10 Preparación de las probetas 13 $ 40,00

3.11 Elaboración del ensayo de Tracción Determinar el comportamiento plástico del acero Tesista / EPN 13 $ 80,00

3.12 Elaboración del ensayo de Impacto o Charpy Determinar la resistencia máxima a la fatiga del acero Tesista / EPN 14 $ 80,00

3.13 Revisiones y correcciones Revisar / corregir Director de tesis / tesista 14 $ -

4.1 Análisis y redacción de los resultados obtenidos en la prueba de 15 composición química 4.2 Análisis y redacción de los resultados obtenidos en la prueba de 15 metalografía

ELABORACIÓN DEL 4.3 Análisis y redacción de los resultados obtenidos en el ensayo de 4. Análisis de Discernir y evaluar los resultados obtenidos en los ensayos Tesista 16 CAPÍTULO IV "ANÁLISIS DE dureza $ 20,00 resultados destructivos y no destructivos realizados RESULTADOS" 4.4 Análisis y redacción de los resultados obtenidos en el ensayo de 16 tracción 4.5 Análisis y redacción de los resultados obtenidos en el ensayo de 17 tensión 4.6 Revisiones y correcciones Director de tesis / tesista 17

5.1 Análisis y redacción de las conclusiones 18 ELABORACIÓN DEL Identificar las conclusiones necesarias al finalizar el trabajo Tesista CAPÍTULO V 5. Conclusiones y de titulación, determinar las recomendaciones necesarias y $ 20,00 "CONCLUSIONES Y recomendaciones 5.2 Análisis y redacción de las recomendaciones oportunas para posibles trabajos que involucren el mismo 19 RECOMENDACIONES" tópico base de la investigación realizada 5.3 Verificaciones y correcciones Director de tesis / tesista 20

OTROS GASTOS Alimentación durante el periodo que duro la elaboración del trabajo de titulación $ 400,00 Transporte $ 150,00 Impresiones $ 200,00 Imprevistos durante la investigación $ 200,00 Derecho de grados / Pagos administrativos $ 1.200,00 Costo total del trabajo de titulación $ 3.600,00

258

ANEXO 10. INFORME DEL DEPARTAMENTO DE METALURGIA EXTRACTIVA DEL LA EPN

ANEXO 11.

259

NFORME TÉCNICO DEL LABORATORIO DE METALOGRAFÍA, DESGASTE Y FALLA DE LA EPN

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ANEXO 12. INFORME TÉCNICO DEL LABORATORIO DE ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y VIBRACIONES DE LA EPN

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ANEXO 13. INFORME DE CALIBRACIÓN DE LA MÁQUINA DE ENSAYOS DE TRACCIÓN DE LA EPN

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