UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE LA ALEACIÓN DE ALUMINIO AA-6061 TRATADA TÉRMICAMENTE MEDIANTE UN PROCESO DE ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL CON PERÍODOS DE 8 Y 10 HORAS.
AUTORES:
Martínez Motamayor, Javier Enrique
Pérez Ramos, Nestor Osue
TUTOR:
Díaz, Eleazar
Valencia, Noviembre del 2008
DEDICATORIA
El presente trabajo especial de grado está dedicado primero que nada, a Dios por darme la oportunidad de llegar a donde he llegado y por ser siempre mi fortaleza en momentos de debilidad. En segundo lugar, a toda mi gran familia, pero en especial a mis padres Rubén José Martínez Pisani y Clara Cecilia Motamayor de Martínez, quienes me han enseñado grandes cosas a lo largo de mi vida, haciendo énfasis en los valores y el trabajo duro para alcanzar todas las metas propuestas. También quisiera dedicarlo a mi hermana Valeria Valentina Martínez Motamayor, por su cariño y apoyo incondicional. Por último, pero no menos importante, se lo dedico a mi Alma Mater la Universidad de Carabobo y a mi querido país Venezuela, de los cuales me siento orgulloso de provenir y que por ellos pienso luchar y trabajar para ayudar a que se desarrollen y progresen cada día más.
Javier Enrique Martínez Motamayor
DEDICATORIA
No quiero que culmine mi carrera sin antes dar gracias a dios por darme la fuerza y su eterna compañía en los momentos difíciles de mi carrera. A mis padres que han sido, son y seguirán siendo mi apoyo incondicional cuando necesité un consejo a lo largo de toda mi vida. Darles gracias por todo el amor entregado, el cual mediante sus obras y esfuerzo se preocuparon que no me faltara nada para estudiar y asi no perder mi rumbo para alcanzar mi sueño de ser un Ingeniero Mecánico.
Para mí siempre sera un orgullo contar con dos hermanas con valores firmemente establecidos, tales como las ganas de surgir adelante mediante el trabajo honrado y la reinante fraternidad que se hace presente en nosotros, tanto en momentos buenos como en los malos. No puedo dejar de mencionar a mis abuelos que nunca dejaron que me zafara de sus manos sin un buen almuerzo y todo su cariño para retomar las energías.
Sin un acrostico pero con mucho cariño quiero dedicar mis años de carrera a mis amigos que siempre me brindaron su compañía y consejos en los momentos en que mas lo nesecitaba, sus casas para estudiar o simplemente para despejar mi mente un rato y pasar un buen rato. Al obtener una baja calificacion en alguna evaluacion me dieron animo para seguir y aprender de los errores.
Nestor Osue Perez Ramos
AGRADECIMIENTOS
Quisiéramos agradecer a nuestros padres, hermanas, tíos y abuelos; por todo su apoyo y cariño aportado a lo largo del desarrollo de este trabajo especial de grado. También agradecer a la Universidad de Carabobo por todo el soporte técnico y humano que nos brindó; en especial a nuestro tutor el Prof. Eleazar Díaz, al Prof. David Ojeda, a la Sra. Alicia Bolívar, a María Blan co, Aidarge Miranda, Gribel Abreu y Rubén Pérez, al Supervisor de Vigilancia Leobardo Partidas, al personal de seguridad Carlos Caraballo y Ramón Maldonado, al pe rsonal de mantenimiento, el Sr. Lensi Sevilla y la Srta. Naylet Ibarra, a la Técnico del Laboratorio de Materiales Yosmari Pérez y a la Secretaria del Departamento de Materiales Arelis Barreto. De igual forma, agradecer al Técnico del CIMBUC José Ostos y a la empresa ALUCASA.
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE LA ALEACIÓN DE ALUMINIO AA-6061 TRATADA TÉRMICAMENTE MEDIANTE UN PROCESO DE ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL CON PERÍODOS DE 8 Y 10 HORAS.
Martínez Motamayor, Javier Enrique Perez Ramos, Nestor Osue Tutor: Diaz, Eleazar Universidad de Carabobo. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica. Departamento de Materiales y Procesos de Fabricación.
Resumen
En este trabajo se estudia el comportamiento a fatiga de la aleación de aluminio AA-6061. Los ensayos de fatiga se realizaron en condiciones de flexión rotativa. Se utilizaron barras calibradas de media pulgada de diámetro (1/2”) y las probetas fueron maquinadas de acuerdo a la norma ASTM-E-606. La población de probetas para los ensayos de fatiga se dividió en tres grupos, utilizando 26 probetas para la condición de envejecimiento artificial durante ocho horas, 26 probetas envejecidas durante diez horas y cinco probetas en estado de solubilización. Dichas probetas solubilizadas formaron parte de una investigación en conjunto. La propiedad mecánica de la resistencia a la fluencia fue determinada acorde con la norma ASTM B-557-02a. La relación entre el esfuerzo alternante y el número de ciclos de vida del material, se determinó con una expresión conocida como la ley de Basquin. Adicionalmente, se llevó a cabo un análisis de algunas superficies de fractura de las probetas ensayadas, por la técnica de microscopía electrónica de barrido (MEB). Los resultados indican que para las probetas envejecidas durante ocho y diez horas, las propiedades mecánicas son similares, específicamente, la resistencia a la fatiga, resistencia a la fluencia y dureza. A su vez, la aleación envejecida artificialmente, presentó un incremento en las propiedades mecánicas estudiadas, respecto a la condición de solubilización, lo cual deja de manifiesto que la condición de solubilización es el punto de partida para el incremento de dichas propiedades, en un tratamiento de envejecimiento artificial con los parámetros utilizados. Finalmente, el estudio de las superficies de fractura de las muestras de fatiga, demuestra que los mecanismos de fractura son facetas de clivaje y coalescencia de cavidades (dimples). i
ÍNDICE GENERAL
CAPÍTULO 1: Planteamiento del problema ...... 1
1.1 Planteamiento del Problema...... 2
1.2 Objetivos...... 5 1.2.1 Objetivo General...... 5 1.2.2 Objetivos Específicos...... 5
1.3 Justificación...... 6
1.4 Limitaciones...... 6
1.5 Delimitación...... 7
CAPÍTULO 2: Marco Teórico ...... 9
2.1 Antecedentes de la investigación...... 10
2.2 Bases Teóricas...... 13 2.2.1 Aspectos importantes del Aluminio...... 13 2.2.2 Las aleaciones de Aluminio y su designación...... 17 2.2.3 Ensayo de tracción...... 22 2.2.4 El Fenómeno de la Fatiga...... 27 2.2.5 Tratamiento tÉrmico por envejecimiento artificial...... 39 2.2.6 Dureza...... 51 2.2.7 MetalografÍa eN aleaciones de aluminio...... 55
CAPÍTULO 3: Metodología ...... 57
3.1 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos...... 58
3.2 Técnicas de Procesamiento y Análisis de Datos...... 58
3.3 Población de estudio...... 58
3.4 Caracteristicas de los equipos Utilizados en la Investigación...... 59 ii
3.5 Adquisición del material y Mecanizado de Probetas...... 64
3.6 Análisis químico del material...... 64
3.7 Tratamiento Térmico...... 65
3.8 Metalografía...... 67
3.9 Ensayo de Dureza...... 69
3.10 Ensayo a Tracción...... 70
3.11 Acabado Superficial...... 71
3.12 Ensayo a Fatiga...... 71
3.13 Fractografía...... 72
CAPÍTULO 4: Resultados y Análisis ...... 75
4.1 Análisis químico del material...... 76
4.2 Tratamiento térmico...... 78
4.3 Metalografía...... 81
4.4 Ensayo de dureza...... 84
4.5 Ensayo de tracción...... 85
4.6 Acabado superficial...... 91
4.7 Ensayo a fatiga...... 93
4.8 Fractografía...... 104
CAPÍTULO 5: Conclusiones ...... 113
RECOMENDACIONES ...... 115
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...... 117
ANEXOS ...... 121
iii
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Designación de Aluminios para Forja...... 18
Tabla 2.2 Designación de tratamientos para aleaciones de aluminio de forja...... 20
Tabla 2.3 Dureza Rockwell...... 54
Tabla 4.1 Resultados obtenidos con la muestra para Análisis Químico...... 76
Tabla 4.2 Comparación de los resultados obtenidos, con los parámetros de composición química de la aleación de aluminio AA-6061 fijados por la Aluminum Association...... 77
Tabla 4.3 Fotomicrografías de las muestras tomadas a una ampliación de 1000X. ... 82
Tabla 4.4 Fotomicrografías de las muestras tomadas a una ampliación de 400X ...... 83
Tabla 4.5 Resultados obtenidos de las mediciones de dureza...... 84
Tabla 4.6 Resultado de las propiedades mecánicas obtenidas de los ensayos de tracción...... 90
Tabla 4.7 Resultados obtenidos de las mediciones de rugosidad superficial...... 92
Tabla 4.8 Resultados de los ensayos de Fatiga...... 94
Tabla 4.9 Desviación estándar de los ciclos de falla por cada nivel de esfuerzo aplicado...... 95
Tabla 4.10 Resultados en conjunto de los ensayos de fatiga a probetas en estado de solubilización...... 98
Tabla 4.11 Datos de los ensayos de Fatiga envejecidos durante 1 y 3 horas...... 101
Tabla 4.12 Análisis de las zonas opacas y brillantes de las probetas sometidas al ensayo de fatiga...... 105
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Relación del tiempo de envejecimiento con la resistencia y dureza obtenidas...... 4
Figura 2.1 Estructura Cristalina del aluminio ...... 15
Figura 2.2 Conductividad térmica del aluminio ...... 16
Figura 2.3 Efecto de la corrosión en la resistencia a la fluencia ...... 16
Figura 2.4 Curva Esfuerzo-Deformación ...... 24
Figura 2.5 Método Offset ...... 26
Figura 2.6 Variación de carga constante...... 28
Figura 2.7 Variación de carga fluctuante...... 29
Figura 2.8 Curva S-N típica ...... 30
Figura 2.9 Comportamiento a la fatiga de los materiales férreos y no férreos ...... 32
Figura 2.10 Esquema de una máquina de Flexión rotativa...... 33
Figura 2.11 Distribución normal del número de ciclos de falla a esfuerzos contantes...... 35
Figura 2.12 Influencia del esfuerzo medio en el comportamiento fatiga...... 36
Figura 2.13 Influencia del diseño de piezas en el comportamiento a fatiga...... 37
Figura 2.14 Diagrama de fases hipotético de una aleación endurecible por precipitación de composición “Co”...... 41
Figura 2.15 Gráfica de la temperatura frente al tiempo de los tratamientos térmicos de disolución y precipitación para el endurecimiento por precipitación...... 43
Figura 2.16 Diagrama esquemático de la resistencia a la tracción y dureza como función del logaritmo del tiempo de envejecimiento a temperatura constante durante el tratamiento térmico de precipitación...... 44
v
Figura 2.17 Zona rica en aluminio del diagrama de fase aluminio-cobre...... 45
Figura 2.18 Representación esquemática de las etapas de la formación de precipitados de fase ( θ) de equilibrio. (a) Disolución sólida α sobresaturada. (b) Fase precipitada de transición ( θ´). (c) Fase de equilibrio (θ)...... 45
Figura 2.19 Límite elástico del endurecimiento por precipitación de una aleación de aluminio 2014 a cuatro diferentes temperaturas de envejecimiento...... 46
Figura 2.20 Ductilidad del endurecimiento por precipitación de una aleación de aluminio 2014 a cuatro diferentes temperaturas de envejecimiento...... 47
Figura 2.21 Diagrama de equilibrio del sistema ternario y diagrama de la sección
Seudo-binaria Al-Mg 2Si ...... 49
Figura 2.22 Esquema de la forma y dirección de las Zonas GP ...... 49
Figura 2.23 Foto microscópica donde se destaca la forma y dirección de las Zonas GP ...... 50
Figura 2.24 Envejecimiento natural y su efecto antes de un tratamiento de envejecimiento artificial ...... 51
Figura 2.25 Efecto de la adición de cobre en las aleaciones Al-Mg-Si ...... 52
Figura 3.1 Horno para tratamientos térmicos...... 59
Figura 3.2 Microscopio Óptico...... 60
Figura 3.3 Durómetro...... 60
Figura 3.4 Cortadora Metalográfica...... 60
Figura 3.5 Horno de Fundición...... 61
Figura 3.6 Máquina para Ensayos de Tracción...... 61
Figura 3.7 Rugosímetro...... 61
.Figura 3.8 Máquina para Ensayos de Fatiga...... 62 vi
Figura 3.9 Banco de Pulido...... 63
Figura 3.10 Termopar Digital...... 63
.Figura 3.11 Microscopio Electrónico de Barrido...... 64
Figura 3.12 Muestra utilizada para el análisis químico...... 65
Figura 3.13 Fragmento utilizado para el estudio de Metalografía...... 69
Figura 4.1 Gráfico de las temperaturas obtenidas por el termopar para el envejecimiento por 8 horas...... 79
Figura 4.3 Valores expresados por ambos termopares en el transcurso del envejecimiento...... 80
Figura 4.4 Disposición de los termopares dentro del horno ...... 81
Figura 4.5 Curva “Carga-Alargamiento” obtenida de un ensayo a tracción...... 86
Figura 4.6 Gráfica “Carga-Alargamiento” corregida...... 87
Figura 4.7 Gráfica “Esfuerzo-Deformación” obtenida a partir de la curva “Carga- Alargamiento” corregida...... 88
Figura 4.8 Determinación del esfuerzo de fluencia mediante el método offset...... 89
Figura 4.9 Gráfica de los ensayos de fatiga a las probetas envejecidas a 177 °C durante 8 y 10 horas...... 96
Figura 4.10 Gráfica linealizada de los ensayos de fatiga a las probetas envejecidas a 177 °C durante 8 y 10 horas...... 97
Figura 4.11 Gráfica de los ensayos de fatiga a las probetas solubilizadas...... 99
Figura 4.12 Gráfica de los ensayos de fatiga a las probetas envejecidas a 1 y 3 horas...... 102
Figura 4.13 Gráfica comparativa de los resultados obtenidos en las condiciones anteriores...... 103
vii
Figura 4.14 Fotomicrografía de la zona opaca de una probeta envejecida durante 8 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 150X ...... 107
Figura 4.15 Fotomicrografía de la zona opaca de una probeta envejecida durante 10 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 1000X ...... 107
Figura 4.16 Fotomicrografía de la zona brillante de una probeta envejecida durante 8 horas sometida a bajos esfuerzos con un aumento de 500X ...... 108
Figura 4.17 Fotomicrografía de la zona brillante de una probeta envejecida durante 10 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 1000X ...... 108
Figura 4.18 Fotomicrografía de la zona de transición entre ambos tipos de fractura de una probeta envejecida durante 10 horas sometida a bajos esfuerzos con un aumento de 500X ...... 109
Figura 4.19 Fotomicrografía de marcas de playa de una probeta solubilizada con un aumento de 500X ...... 110
Figura 4.20 Fotomicrografía de una porosidad en una probeta envejecida durante 10 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 350X ...... 111
ix
NOMENCLATURA σσσ: Esfuerzo. F: Fuerza.
Ao : Área Inicial. ∆∆∆L: Alargamiento.
Lo: Longitud Inicial.
Lf: Longitud Final. : Deformación Unitaria. E: Módulo de elasticidad (Módulo de Young).
σy: Esfuerzo de fluencia.
σu: Esfuerzo último.
σrot : Esfuerzo a la rotura. %e: Porcentaje de alargamiento.
σσσmáx: Esfuerzo máximo.
σσσmin : Esfuerzo mínimo.
σσσmedio : Esfuerzo medio. ∆∆∆σ∆σσσ: Intervalo de esfuerzos.
σσσamp : Amplitud del esfuerzo. S: Esfuerzo alternante. N: Número de ciclos.
σσσf: Coeficiente de resistencia a la fatiga. M: Momento flector. ymáx : Mayor distancia desde el plano neutro de la sección. I: Segundo momento del área respecto al eje perpendicular de la sección. D: Menor diámetro de la sección reducida de la muestra.
: Promedio. : Desviación estándar.
%σy: Porcentaje del esfuerzo de fluencia. R2: Coeficiente de Correlación xi
INTRODUCCIÓN
La aleación de aluminio AA-6061 es una de las más usadas en la actualidad, debido a su bajo peso combinado con su alta resistencia mecánica y un costo inferior en comparación a otros metales con cualidades similares. Otra propiedad resaltante del aluminio es su alta resistencia a la corrosión. Debido a todo esto, esta aleación es utilizada en aplicaciones de aeronáutica, ciertos elementos de motores de combustión interna de altas prestaciones, estructuras de bicicletas de montañismo, entre otras.
En muchos casos se acostumbra a mejorar las propiedades de resistencia y dureza de esta aleación, mediante un tratamiento térmico por envejecimiento. Este tratamiento depende en gran medida del tiempo al cual estará expuesta la aleación de aluminio, ya que tiempos inadecuados no lograrán las mejoras deseadas, sino que por el contrario, podrían empeorar sus propiedades originales previas al tratamiento térmico. En esta investigación se desea aportar datos específicos de las propiedades mecánicas alcanzadas en períodos de envejecimiento a ocho y diez horas.
La propiedad mecánica en la que se enfoca principalmente esta investigación, es la resistencia a la fatiga. El estudio de esta propiedad es realmente complejo, debido a los múltiples factores con los que está relacionado y por lo tanto es una de las principales causas de falla en muchas piezas construidas con esta aleación. La finalidad de este proyecto es evaluar el comportamiento de la resistencia a la fatiga de la aleación estudiada, mediante la construcción de las curvas esfuerzo-número de ciclos (S-N), para los respectivos tiempos de exposición en el tratamiento térmico por envejecimiento artificial, analizando las causas de la variación de los resultados obtenidos.
CAPÍTULO 1
EL PROBLEMA
En este capítulo se procede a realizar una descripción de los hechos y la situación actual que fueron determinantes para establecer los objetivos que se propone alcanzar en esta investigación y lo que se pretende realizar en sus diferentes etapas. También se presentan los obstáculos que pudieran presentarse en el desarrollo del proyecto y la justificación de hasta dónde se llegará en la investigación.
2 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En la actualidad los métodos de análisis de fallas por fatiga representan una combinación de ingeniería y ciencia. A menudo la ciencia no puede proporcionar las respuestas que son necesarias. A pesar de esto, un avión se debe hacer para que vuele con seguridad y el automóvil hay que fabricarlo con una confiabilidad que garantice una vida larga y sin problemas, y al mismo tiempo para que produzca utilidades para los accionistas de las industrias. Sin embargo, aunque la ciencia no ha explicado por completo el mecanismo real de la fatiga, el ingeniero debe diseñar dispositivos que no fallen. En cierto sentido este es un ejemplo clásico del verdadero significado de la ingeniería en contraste con la ciencia. Los ingenieros utilizan la ciencia para resolver sus problemas si la ciencia esta disponible, pero disponible o no, el problema se debe resolver y cualquiera que sea la forma que tome la solución bajo estas condiciones se llama ingeniería.
Siempre es una buena práctica de ingeniería realizar un programa de ensayos sobre los materiales que se van a emplear en el diseño y manufactura. Esto, de hecho, es un requisito, no una opción, para evitar la posibilidad de una falla por fatiga.
En la vida real se observa que repetidos ciclos de carga y descarga debilitan las piezas a lo largo del tiempo incluso cuando las cargas inducidas están considerablemente por debajo del esfuerzo de rotura estático y del límite elástico del material. Este fenómeno se le conoce como fatiga. Cada ciclo de fluctuación del esfuerzo, deteriora o daña la pieza un poco. Tras un número de ciclo determinado, la pieza está tan debilitada que rompe por fatiga. Para complicar el tema también se observa en piezas metálicas que por debajo de un cierto valor del esfuerzo no se produce la rotura por elevado que sea el nº de ciclos de trabajo de la pieza. Todo esto hace que la fatiga sea realmente compleja y por lo tanto una de las primeras causas de falla en muchas piezas construidas con materiales metálicos. Ejemplos de fallo por
Capítulo 1: El Problema 3
fatiga los tenemos en máquinas rotativas, tornillos, alas de aviones, productos de consumo, ruedas de ferrocarril, plataformas marítimas, barcos, vehículos y puentes.
El aluminio es el metal más abundante en la superficie terrestre, constituyendo aproximadamente un 8% del total de la corteza de nuestro planeta. Las propiedades resaltantes del aluminio son: su relación resistencia-peso, su resistencia a la corrosión y su alta conductividad térmica y eléctrica.
El aluminio puro no se utiliza en la mayoría de las aplicaciones industriales, pues las propiedades mecánicas (dureza y resistencia fundamentalmente) que tiene no son demasiado interesantes. En general, tiene una resistencia mecánica bastante limitada. Lo que se utiliza siempre, aunque se acostumbre denominarlo erróneamente aluminio a secas, son aleaciones de aluminio, es decir, aluminio mezclado con pequeñas cantidades de otros elementos, como zinc, magnesio, cobre, silicio y manganeso. Estos elementos se añaden en cantidades normalmente muy pequeñas y dentro de unos márgenes muy estrictos. Sin embargo, son suficientes para que las propiedades (de resistencia, tenacidad, ductilidad, resistencia a la fatiga y a la corrosión) cambien, en algunos casos de manera espectacular. Considerando el costo y la resistencia del aluminio y sus aleaciones, estos productos se encuentran entre los materiales más versátiles desde el punto de vista de la fabricación.
Las aleaciones de aluminio se clasifican como aleaciones fundidas o aleaciones forjadas. Muchas de las aleaciones fundidas y algunas de las forjadas se pueden endurecer por medio de un tratamiento térmico. El tratamiento térmico consiste en el calentamiento del elemento hasta una temperatura que permite que el elemento de aleación pase en solución, y luego se temple rápido de manera que el elemento de aleación no se precipite. Posteriormente al templado, existe la posibilidad de mejorar aún más las propiedades mecánicas por medio de un proceso de envejecimiento. Dicho proceso puede ocurrir para ciertas aleaciones a temperatura 4 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
ambiente (envejecimiento natural) o también a temperaturas controladas, mayores a la ambiente pero menores a la de solubilidad (envejecimiento artificial). El envejecimiento también depende en gran medida del tiempo. Dicho tiempo es determinante para lograr una verdadera mejora en la resistencia y dureza, ya que si el tiempo de exposición al envejecimiento es escaso, se obtiene un sub-envejecimiento, y si por el contrario el tiempo se excede, se obtiene un sobre-envejecimiento. La evolución de las propiedades mecánicas a través del tiempo se puede observar en la figura 1.1.
Figura 1.1 Relación del tiempo de envejecimiento con la resistencia y dureza obtenidas. (Baile et al., 2005 )
En la actualidad este tiempo óptimo de envejecimiento se desconoce, debido a la falta de ensayos experimentales, ya que hay que recordar que la construcción del gráfico, en particular la resistencia a la fatiga, implica una gran cantidad de pruebas experimentales que minimicen y controlen en cierto modo la naturaleza estocástica del fenómeno de fatiga.
Concretamente, con la realización de la investigación propuesta se pretende responder la siguiente interrogante:
Capítulo 1: El Problema 5
¿Cómo afecta a la Resistencia a la fatiga de la aleación AA-6061, un tratamiento térmico de envejecimiento bajo unas condiciones especificas de tiempo y temperatura?
1.2 OBJETIVOS.
1.2.1 OBJETIVO GENERAL.
Evaluar el comportamiento de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial ensayado bajo condiciones que simulen el fenómeno de fatiga
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
1. Evaluar las curvas de comportamiento experimental “Esfuerzo-Número de Ciclos” de dos poblaciones de probetas, tratadas térmicamente por envejecimiento artificial, ambas a una temperatura de 177°C y diferentes tiempos de exposición, ocho y diez horas.
2. Estudiar mediante un análisis metalográfico, la microestructura de las probetas que fueron tratadas térmicamente.
3. Realizar un estudio de fractografía a una muestra de cada población de probetas y determinar el modo de fallo mediante un microscopio electrónico de barrido.
4. Realizar un análisis en el cual se establezca una relación entre el estudio del fenómeno de fatiga y el estudio de fractografía de las muestras estudiadas. 6 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
1.3 JUSTIFICACIÓN.
El diseño de máquinas rotativas y productos de consumo se realiza de una forma no eficiente. Esto se debe a la falta de información necesaria para la selección del material más adecuado para un diseño específico. Como motivo de esta incertidumbre al momento de seleccionar el material, los fabricantes hacen uso de factores de seguridad elevados en los diseños, lo cual se traduce en uso indiscriminado de los recursos metálicos del planeta, además de generar un excesivo costo de fabricación y por consiguiente disminución de la rentabilidad. Una consecuencia muy importante de este uso ineficiente de materia prima, reside principalmente en la pérdida de mercado del fabricante (por los altos costos de producción) en este mundo tan globalizado y competitivo, abriendo las posibilidades a un desenlace trágico, como lo sería la quiebra de una empresa, y por consiguiente la pérdida de puestos de trabajo que ocasionarían una disminución en el desarrollo de la sociedad.
Es por ello, que se desea contribuir por medio de esta investigación con la obtención de datos de resistencia a la fatiga en aleaciones de aluminio AA-6061 con un tratamiento térmico de envejecimiento artificial y de esta forma dar un aporte para la construcción, de la manera más aproximada posible a la gráfica “Limite de Resistencia a la Fatiga - Tiempo de Envejecimiento” (Ver figura 1.1). Todo esto con el propósito de suministrar información que pueda ser de utilidad en la lucha contra la incertidumbre de los diseños mecánicos.
1.4 LIMITACIONES.
Durante el desarrollo de esta investigación se presentan ciertas restricciones, entre las cuales se pueden mencionar:
Capítulo 1: El Problema 7
• Posibilidad de presentarse una complicación para completar la totalidad de los ensayos requeridos para esta investigación. Esto se debe a que todos los dispositivos necesarios son propiedad de una dependencia de la Universidad de Carabobo, por lo tanto son susceptibles a perder su disponibilidad por razones ajenas a nuestra voluntad.
• La duración del trabajo especial de grado no debe superar un período de dos semestres (un año).
1.5 DELIMITACIÓN.
En la presente investigación, se destinarán dos muestras de probetas de la aleación de aluminio AA-6061 para la realización de los ensayos de fatiga, y adicionalmente una muestra más pequeña para la realización de los ensayos de tracción. Las probetas de dichas muestras serán sometidas a un proceso de envejecimiento artificial, donde las temperaturas de solubilización y de envejecimiento serán constantes; y con respecto al tiempo de exposición, se mantendrá constante el tiempo de solubilización y se variará el tiempo de envejecimiento. Adicionalmente, como parte de un trabajo en conjunto con otros equipos de investigación guiados por el profesor Eleazar Díaz, se destinará una cuarta muestra para la realización de ensayos de fatiga a probetas sometidas solo al proceso de solubilización, con la misma temperatura y tiempo de exposición utilizado en las otras muestras de la presente investigación.
Cada muestra de las probetas destinadas para los ensayos de fatiga con envejecimiento artificial estará conformada por un número de 26 probetas; del mismo modo se otorgó una cantidad de cinco probetas a la muestra destinada a los ensayos de fatiga en estado de solubilización. Todas estas muestras destinadas a los ensayos de fatiga conforman una cantidad de 57 probetas, y la muestra de probetas destinadas 8 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
para los ensayos de tracción estará conformada por un número de diez probetas. En total, se obtendrá una población de estudio de 67 probetas, las cuales poseerán unas dimensiones normalizadas bajo las normas ASTM.
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se presentan tanto los antecedentes de la investigación, como las bases teóricas de los términos y definiciones que se considera importante conocer para la adecuada comprensión de este proyecto.
10 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN.
En el ámbito del estudio de la fatiga de los aluminios se han realizado muchas investigaciones, de las cuales sólo se trajo a colación las que guardan más similitud en cuanto al tratamiento térmico y la metodología utilizada.
En la investigación llevada a cabo por Rafiq et al. (1999), trabajaron con una aleación de aluminio 6063, a la cual le fue aplicada tratamientos térmicos donde se varió el tiempo y temperatura de envejecimiento. De esta manera, fue estudiado el efecto de los precipitados en el esfuerzo de ruptura, esfuerzo de deformación plástica, dureza, ductibilidad y números de ciclos requeridos para hacer fallar la aleación a esfuerzos constante. La variación en el tiempo y temperatura trajo como consecuencia, el incremento de las propiedades mecánicas de la aleación de aluminio, a pesar de que la ductilidad decreció. Trabajos experimentales revelaron que el tiempo y la temperatura juegan un papel muy importante en el proceso de endurecimiento de los precipitados de la aleación de aluminio. En el sobreenvejecimiento de la aleación, el tamaño individual de las partículas se incrementó, pero el número de partículas disminuyó. Esto causa una obstaculización del movimiento de las dislocaciones, por lo tanto las propiedades mecánicas disminuyeron. Además se hizo un estudio de la superficie de fractura para cada caso estudiado en la variación de temperatura y tiempo de envejecimiento.
El trabajo presentado por Cavazos et al. (2001) consistió en la aplicación a una serie de barras cilíndricas extruidas de la aleación de aluminio 6063, un tratamiento térmico, donde se les llevó a un estado de solubilización a una temperatura de 520°C por 4 horas y fueron enfriadas a diferentes tasas. Muestras de estas barras fueron envejecidas a 130, 180 y 230°C por periodos entre 20 minutos hasta 96 horas. Se estudió el comportamiento de las aleaciones endurecidas por precipitación (envejecimiento) y en ellas se encontró que el punto máximo de dureza
Capítulo 2: Marco Teórico 11
para diferentes temperaturas de envejecimiento se redujo en las muestras enfriadas a tasas por debajo de 10°C/s. Se seleccionaron un grupo de muestras y fueron estudiadas por Difracción de rayos X y un microscopio electrónico de transmisión. En las cuales no se observaron precipitados en muestras sin envejecer enfriadas a tasas alrededor de 60°C/s. En contraste, se observó una serie de pequeños precipitados en muestras sin envejecer enfriadas a tasas menores.
Forn et al. (2002) tuvo como principal objetivo en su estudio, optimizar los tratamientos térmicos de solubilización y envejecimiento en las aleaciones de aluminio 6061 reforzadas con partículas de óxido de aluminio. Para ello se realizaron tratamientos de puesta en solución para distintas condiciones de temperatura y tiempo y posteriores tratamientos de envejecimiento artificial. El análisis de los resultados de dureza y ultra-microdureza de todas las muestras permitió determinar para cada material las condiciones óptimas del tratamiento térmico. Mediante técnicas de DSC (Differential Scanning Calorimetry) se estudio la formación y evolución de los precipitados durante el tratamiento de envejecimiento.
También el trabajo desarrollado por Barlas et al. (2002) en el cual se estudió la evolución de la microestructura y la pérdida de propiedades mecánicas debido al envejecimiento, en aleaciones de aluminio fundidos con diferentes tratamientos y cantidades de cobre iniciales. Dos de ellas se tomaron como referencia, las aleaciones llamadas ASTM319 y ASTM356. Éstas fueron sometidas a diferentes tratamientos térmicos de envejecimiento, donde se les estudió la resistencia a la fatiga, y la microestructura por medio de un microscopio electrónico de barrido. Luego de cuantificar los resultados, se hizo un enlace de estos con la evolución en la microestructura.
Se han realizado investigaciones similares en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo, entre las cuales se puede destacar la realizada por Saenz et
12 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
al. (2005) donde se estudia el comportamiento a fatiga de aceros al carbono (AISI 4140 y AISI 4340). Los ensayos de fatiga se realizaron en condiciones de flexión rotativa. Se utilizaron barras calibradas de media pulgada de diámetro (1/2”) y las probetas fueron maquinadas de acuerdo a la norma ASTM-E-606. Las condiciones utilizadas fueron: condición original, y condiciones tratadas térmicamente por recocido y normalizado. Las propiedades mecánicas de esfuerzo de fluencia y resistencia a la tracción fueron determinadas acorde con la norma ASTM A-370. La relación entre el esfuerzo alternante y el número de ciclos de vida del material se determinó con una expresión conocida como la ley de Basquin. Adicionalmente, se llevó a cabo un análisis de algunas superficies de fractura de las muestras rotas, por la técnica de microscopia electrónica de barrido (MEB). Este trabajo presenta interés a nivel metodológico.
Posteriormente Rafiq et al. (2006), describieron el efecto de la corrosión por agua de mar, el tiempo de envejecimiento y la temperatura de envejecimiento, en la propiedad de resistencia a fatiga de la aleación de aluminio 6063. La aleación de aluminio 6063 que fue usada para dicha investigación, fue tratada térmicamente y sumergida en agua de mar durante diferentes intervalos de tiempo, desde 2 semanas hasta 30 semanas. Se encontró que la máxima resistencia a la fatiga observada en la aleación de aluminio 6063 ocurrió cuando se encontraba envejecida por intervalos de tiempo de entre 7 y 9 horas, y tratada térmicamente a temperaturas entre 160 °C y 200 °C. Generalmente a carga constante, los resultados indicaron que el número de ciclos para la fractura de la aleación de aluminio 6063, disminuyó a medida que se incrementaba el tiempo de inmersión en el agua de mar. Además, las superficies donde ocurrieron las fracturas fueron consideradas y estudiadas con un microscopio electrónico de barrido. Los resultados mostraron que el modelo de fractura frágil tendió a ocurrir con el incremento del tiempo y temperatura de envejecimiento. Las estriaciones de fatiga fueron observadas muy claramente a muy bajas temperaturas de
Capítulo 2: Marco Teórico 13
envejecimiento. El incremento en la propiedad de resistencia a fatiga con el tiempo de envejecimiento, fue atribuido a factores presentes en la microestructura del mismo.
Recientemente Mahadevan et al. (2007) concluyó que el aluminio a base de matriz de compuestos discontinuamente reforzados son endurecibles por envejecimiento y pueden ser reforzados por medio de un proceso de endurecimiento por precipitación. Además se llevaron a cabo pruebas, basadas en la técnica de diseño de experimentos, las cuales fueron conducidas para registrar sistemáticamente la influencia de los parámetros de endurecimiento por precipitación en el esfuerzo a fatiga de la AA 6061-SiCp compuesta. Se formuló un modelo de correlación a partir de los resultados de las pruebas. Para una temperatura de solubilización dada de 530 °C se observa que el tiempo de solubilización, como un parámetro individual, tiene la máxima influencia en el esfuerzo a fatiga de la AA 6061-SiCp compuesta, seguido por el primer efecto de interacción de orden entre el tiempo de solubilización y la temperatura de envejecimiento.
2.2 BASES TEÓRICAS.
2.2.1 ASPECTOS IMPORTANTES DEL ALUMINIO.
En la naturaleza casi ningún metal se halla en estado puro, ya que estos se encuentran asociados a otros elementos formando minerales. En el caso del aluminio, el mineral por excelencia para su extracción se denomina Bauxita la cual se presenta generalmente en forma de mezcla de Gibsita Al(OH) 3 y Caolinita Al 2Si 2O5 (OH) 4. La bauxita constituye la materia prima de la cual se obtiene la alúmina, y es del procesamiento de ésta que se obtiene el Aluminio. Este procesamiento exige un alto consumo de energía eléctrica, es por esto que se dice que la energía eléctrica es materia prima esencial en la obtención del Aluminio.
14 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Venezuela posee cinco áreas o regiones con importantes reservas de Bauxita en su territorio, todas localizadas en el estado Bolívar, estas son:
Área de Upata: Este depósito se encuentra a 5 Km al noreste de Upata, Distrito Piar.
Área de Nuria: la altiplanicie de Nuria se encuentra localizada al norte de la población de Tumeremo, Distrito Roscio.
Región de los Guaicas: los depósitos de Bauxita de la Serranía de los Guaicas, localizados a 230 Km, al sur de Ciudad Bolívar y a 15 Km al oeste de Canaima.
Región sur de la Gran Sabana: los depósitos de Bauxita se ubican especialmente en dos sectores: en los alrededores de Santa Elena de Uairén, y al noroeste de San Rafael de Kamoirán.
Región de los Pijiguaos: Los depósitos se ubican a 130 Km al sur de Caicara y a 35 Km al este del Río Orinoco; (Museo Geológico Virtual de Venezuela, 1997 )
Entre las propiedades físicas más importantes del aluminio se encuentran las siguientes:
Estructura Cristalina : El Aluminio cristaliza con un ordenamiento de los átomos del tipo cúbico centrado en las caras (FCC) lo cual es común en la mayoría de los metales dúctiles, determina su comportamiento mecánico y la forma en que otros elementos (aleantes) se combinan a nivel atómico (Ver figura 2.1).
Capítulo 2: Marco Teórico 15
Figura 2.1 Estructura Cristalina del aluminio (TALAT, 1999 )
Densidad : Esta es una de las características más resaltantes del aluminio. Este metal tiene una densidad de 2698 kg/m 3 (20°C) casi un tercio en comparación con otros metales de uso común, con la excepción del titanio. La adición de otros metales, en las cantidades requeridas para obtener las aleaciones comúnmente usadas, no afectan de forma apreciable la densidad, excepto en el caso del litio donde la densidad se reduce en un 15% aproximadamente. El bajo peso combinado con la alta resistencia de las aleaciones de aluminio, lo ha convertido en el material mas usado en la industria aeronáutica los últimos 60 años.
Conductividad Térmica : La conductividad térmica del aluminio con un 99,99% de pureza es 244 W/m.K (0-100°C) la cual es relativamente alta comparada con el hierro gris, latón y otros. Esta propiedad se reduce un poco con la adición de elementos aleantes y los tratamientos térmicos (Ver figura 2.2).
16 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 2.2 Conductividad térmica del aluminio ( TALAT, 1999 )
Resistencia a la corrosión : Posee una alta resistencia a la corrosión comparada con otros metales, la cual se debe principalmente, a la protección conferida por la delgada pero tenaz película de óxido que se forma en su superficie. Esta película de óxido siempre está presente en la superficie del aluminio en atmosferas oxidantes y se forma de forma tan rápida en la presencia de oxígeno que se requieren mediciones especiales en los procesos de unión térmica (Soldaduras) para prevenir la formación instantánea de óxido mientras el proceso se lleva a cabo.
Figura 2.3 Efecto de la corrosión en la resistencia a la fluencia ( TALAT, 1999 )
La película de óxido puede ser aplicada electrolíticamente a otros metales por un proceso llamado anodización, con el propósito de proteger metales con menos
Capítulo 2: Marco Teórico 17
resistencia a la corrosión, además de proporcionarle un brillo metálico decorativo. Ver figura 2.3. (TALAT, 1999 )
2.2.2 LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Y SU DESIGNACIÓN.
Los elementos aleantes principales del aluminio son: cobre (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn).
En menores cantidades existen, frecuentemente, como impurezas o aditivos: hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio (Ti). Para aleaciones especiales se adiciona: níquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estaño (Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd) y bismuto (Bi).
La clasificación del aluminio y sus aleaciones se divide en dos grandes grupos bien diferenciados, estos dos grupos son: forja y fundición. Esta división se debe a los diferentes procesos de conformado que puede sufrir el aluminio y sus aleaciones. Ver tabla 2.1
Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra división clara, que es la del grupo de las tratables térmicamente y las no tratables térmicamente. Las no tratables térmicamente sólo pueden ser trabajadas en frío con el fin de aumentar su resistencia.
18 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 2.1 Designación de Aluminios para Forja.
Elemento en mayor Grupos Aleación proporción
1XXX Ninguno (99,99% Al)
3XXX Manganeso No Tratables 4XXX Silicio Térmicamente
Aluminios 5XXX Magnesio para Forja 2XXX Cobre Tratables 6XXX Magnesio y Silicio Térmicamente 7XXX Zinc
8XXX Otros
La designación de un tratamiento adicional sobre una aleación de forja se expresa al final, después de los cuatro dígitos que indican el tipo de aleación. Para las aleaciones provenientes directamente del proceso de producción, se utiliza la letra “F” e indica que el fabricante entregó el material con las dimensiones deseadas, sin importar que tratamientos térmicos pudiera haber recibido el material para llegar a esa condición. Muchas veces para disminuir esta incertidumbre, al material se le aplica un recocido y recristalizado para suprimir los esfuerzos residuales y se denota con la letra “O”.
Los tratamientos en las aleaciones de aluminio de forja se expresan dependiendo si la aleación es tratable térmicamente o tratable por deformación en frio (no tratable térmicamente).
Capítulo 2: Marco Teórico 19
Las aleaciones no tratables térmicamente pueden cambiar sus propiedades mecánicas mediante una deformación en frío, pudiéndose reducir este efecto mediante tratamientos de recristalización. Existen básicamente tres tratamientos que se identifican por el primer dígito a continuación de la letra H y para indicar el grado de endurecimiento adicional, respecto a la condición “O” del trabajo en frio, se utiliza un segundo digito (Ver tabla 2.2). Es importante acotar que no todos son aplicables a las aleaciones de este tipo.
Las aleaciones tratables térmicamente pueden cambiar sus propiedades mecánicas mediante el calentamiento y estas pueden aumentar o disminuir a conveniencia del proceso o la aplicación. Se designan mediante la letra T seguido de números del uno al diez que diferencian el tipo de tratamiento (Ver tabla 2.2). Los números adicionales indican tratamientos posteriores para el alivio de los esfuerzos.
Existen unas aleaciones de la serie 7XXX con un comportamiento peculiar, en el que la aleación luego de un tratamiento térmico, envejece espontánea e inmediatamente a temperatura ambiente. Estas aleaciones se designan con la letra W
20 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 2.2 Designación de tratamientos para aleaciones de aluminio de forja.
Designación Característica Condición
Proveniente del proceso de fabricación F sin control de sus propiedades
Recocido. Aplicado para reducir sus INDIFERENTE propiedades mecánicas a sus limites O iníciales (Mínimo o máximo dependiendo de la propiedad)
H1 Únicamente deformación en frio
Deformación en frio con recocido H2 NO TRATABLE parcial TÉRMICAMENTE Deformación en frio seguido de una H3 estabilización
Enfriamiento desde una temperatura elevada proveniente un proceso de T1 forjado y naturalmente envejecido hasta una condición estable TRATABLE Enfriamiento desde una temperatura TÉRMICAMENTE elevada proveniente un proceso de forjado, deformado en frio y T2 naturalmente envejecido hasta una condición estable
Capítulo 2: Marco Teórico 21
Tabla 2.2 Continuación.
Designación Característica Condición
Tratamiento térmico de solubilización
T3 deformado en frío y naturalmente envejecido hasta una condición estable
Tratamiento térmico de solubilización y naturalmente envejecido hasta una T4 condición estable
Enfriamiento desde una temperatura elevada proveniente un proceso de T5 forjado y envejecido artificialmente.
Tratamiento térmico de solubilización y TRATABLE T6 envejecido artificialmente TÉRMICAMENTE
Tratamiento térmico de solubilización y T7 sobre-envejecido artificialmente
Tratamiento térmico de solubilización, T8 deformado en frio y envejecido artificialmente.
Tratamiento térmico de solubilización, T9 envejecido artificialmente y deformado en frio.
22 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 2.2 Continuación.
Designación Característica Condición
Enfriamiento desde una temperatura elevada proveniente un proceso de TRATABLE T10 forjado, deformado en frio y envejecido TÉRMICAMENTE artificialmente.
2.2.3 ENSAYO DE TRACCIÓN.
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada y fabricada con dicho material, a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta.
En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función del esfuerzo (Ver figura 2.4). En general, la curva esfuerzo-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:
• Deformaciones elásticas : en esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. El esfuerzo más elevado que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor del esfuerzo que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece
Capítulo 2: Marco Teórico 23
de interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano. Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional.
• Fluencia . Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. No todos los materiales presentan este fenómeno.
• Deformaciones plásticas : si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica.
• Estricción : Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por ese zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva esfuerzo-deformación; realmente los esfuerzos no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. (Vedia et al., 2002 )
24 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 2.4 Curva Esfuerzo-Deformación (Vedia et al. 2002 )
La curva Fuerza vs. Alargamiento obtenido del ensayo de tracción dependerá del material ensayado y de las dimensiones de la probeta. Si se ensayaran probetas de un mismo material pero de diferentes secciones, para un mismo alargamiento se requerirá de una fuerza mayor en la probeta de mayor sección. De igual forma sucede para probetas de igual material y sección pero de diferentes longitudes, las probetas más largas se alargarán más para una misma fuerza aplicada. Por tal motivo, los resultados se deben normalizar dividiendo la fuerza (F) entre el área inicial (Ao) sobre la cual actúa la fuerza (Ver ecuación 2.1) y dividiendo el alargamiento ( L) entre la longitud calibrada (L o) (Ver ecuación 2.2), de esta manera se puede obtener una gráfica esfuerzo (σ) – deformación unitaria ( ).
Cálculo del esfuerzo (σ)
= (2.1)
Capítulo 2: Marco Teórico 25
Cálculo de la deformación unitaria ( )
= (2.2)
De la curva “Esfuerzo - Deformación unitaria” se puede obtener varias propiedades mecánicas importantes del material, como son:
• Módulo de elasticidad o de Young (E)
• Esfuerzo de fluencia (σy)
• Esfuerzo máximo o último (σu)
• Esfuerzo a la rotura (σrot )
• Porcentaje de alargamiento (% e)
• Tenacidad
• Reducción de área (%)
El esfuerzo de fluencia (σy) o límite de elasticidad es el esfuerzo máximo que puede soportar el material sin sufrir deformaciones permanentes. Una vez que el esfuerzo al cual se ha sometido la probeta supera el límite de elasticidad, hay algunas fluctuaciones en la curva, entrándose en el período denominado plástico – elástico. En la práctica es muy difícil determinar el límite elástico tal cual como se define. Es por eso que se utilizan métodos para obtener este límite con una precisión aceptable. El más utilizado es el método “Offset” (ASTM B557-02a) el cual como se puede observar en la figura 2.5, consiste en dibujar una recta paralela a la zona elástica que
26 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
corte el eje de las deformaciones unitarias a 0.2% del origen (0,002). Seguidamente se obtiene el valor de esfuerzo en la intercepción de dicha recta y la curva de esfuerzo-deformación.
Figura 2.5 Método Offset ( ASTM B557-02a)
El esfuerzo máximo o último ( σu) es el valor al cual se inicia la formación del cuello en el material. El mismo se obtiene del mayor valor de esfuerzo presente en la curva “Esfuerzo – Deformación”.
Por su parte, el porcentaje de alargamiento (% e) es una de las propiedades con la que se puede medir que tan dúctil es el material. Dicha propiedad se puede calcular de la siguiente forma:
% ℯ = × 100 (2.3)
Donde:
: Longitud final de la zona calibrada en el ensayo.
: Longitud inicial de la zona calibrada en el ensayo.
Capítulo 2: Marco Teórico 27
2.2.4 EL FENÓMENO DE LA FATIGA.
La norma ASTM E1150-87(1993) define a la fatiga como: “Término general usado para describir el comportamiento de materiales sometidos a ciclos repetidos de esfuerzo o deformación ocasionando un deterioro del material por medio de una fractura progresiva”.
Esta fractura progresiva se da en tres Fases.
• Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de esfuerzo y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de esfuerzo son más elevados. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, ralladuras, muescas y entallas causados por las herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades geométricas .
• Fase 2 (Propagación) : Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la pieza.
• Fase 3 (Rotura) : La pieza continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista estático produciéndose la rotura por fatiga. (Ibérica de Ingeniería, Simulación y Análisis, 2006 )
28 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
La variación de las cargas de trabajo se pueden agrupar de dos formas: Cargas de amplitud constante (Ver figura 2.6) y cargas fluctuantes o amplitud variable (Ver figura 2.7).
En esta investigación se estudiará la fatiga con variación de carga constante por lo tanto es necesario definir ciertas variables inherentes a este tipo de cargas.
El esfuerzo máximo ( es el valor máximo en magnitud que se presenta á ) en el ciclo de cargas y puede ser tanto de tracción como de compresión.
El esfuerzo mínimo ( es el valor mínimo en magnitud que se presenta ) en el ciclo de cargas y puede ser tanto de tracción como de compresión.
Figura 2.6 Variación de carga constante.
Capítulo 2: Marco Teórico 29
Figura 2.7 Variación de carga fluctuante.
El esfuerzo medio ( ) se puede definir como el promedio del esfuerzo máximo y mínimo (Ver ecuación 2.3).
(2.4) =
El intervalo de esfuerzo (∆ ) es la diferencia entre el esfuerzo máximo y mínimo.
(2.5) ∆ = −
La amplitud del esfuerzo ( ) es la mitad del intervalo de esfuerzo.
(2.6) =
30 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
2.2.4.1 ENSAYOS DE FATIGA.
Los métodos para caracterizar la resistencia a la fatiga en términos de variaciones de esfuerzo utilizando datos experimentales obtenidos a partir de probetas lisas provinieron de los trabajos de Wöhler (1860) sobre fatiga de ejes de vagones ferroviarios. En este enfoque, probetas cilíndricas lisas son ensayadas a la fatiga por flexión, flexión rotativa, tracción-compresión, o tracción-tracción uniaxial.
La Curva S-N de un material define valores de esfuerzo alterno vs el numero de ciclos requeridos para causar el fallo a un determinado esfuerzo medio. El eje-Y representa el esfuerzo alterno (S) y el eje-X representa el número de ciclos (N) (para ensayos de flexión rotativa, cada ciclo representa una revolución de la probeta). La curva S-N se basa en un esfuerzo medio ( ). Para cada material se pueden definir múltiples curvas S-N con diferentes valores de esfuerzo medio.
Figura 2.8 Curva S-N típica (Ibérica de Ingeniería, Simulación y Análisis, S.L, 2006)
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a esfuerzos cíclicos con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los
Capítulo 2: Marco Teórico 31
ciclos hasta la rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.
Los resultados se representan en un diagrama de esfuerzo “S”, frente al logaritmo del número de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas “N” (Ver figura 2.8). Los valores de “S” se toman normalmente como la amplitud del esfuerzo alternante ( ).
Por lo general la tendencia que siguen estas curvas es de tipo potencial, esto fue estudiado por primera vez por O.H Basquin (1910) y desde entonces se enuncia como ley de Basquin la siguiente ecuación:
(2.7) = 2. .
Donde:
σf = Coeficiente de resistencia a la fatiga (para la mayoría de los metales es igual al esfuerzo verdadero de fractura, corregida por estricción.
b = coeficiente de Basquin (Para la mayoría de los metales entre -0,05 y
-0,12)
Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe un esfuerzo límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.
Muchas de las aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al aumentar N.
32 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Por consiguiente, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud del esfuerzo máximo aplicado. Para estos materiales, la respuesta a fatiga se especifica mediante la resistencia a la fatiga, que se define como el nivel de esfuerzo que produce la rotura después de un determinado número de ciclos (10 7 o 10 8 ciclos para las aleaciones de aluminio) Ver figura 2.9. A pesar de todo esto existen excepciones en el comportamiento de algunas aleaciones no férreas como es el caso de las aleaciones de aluminio de la serie 5XXX, las cuales presentan un límite de fatiga definido.
Existe una variedad de máquinas de ensayo de fatiga utilizadas dependiendo del tipo de carga a aplicar. En este enfoque, probetas cilíndricas lisas son ensayadas a la fatiga por flexión, flexión rotativa, tracción-compresión, o tracción-tracción uniaxial y torsión.
Figura 2.9 Comportamiento a la fatiga de los materiales férreos y no férreos (TALAT, 1999 ).
Capítulo 2: Marco Teórico 33
La máquina de ensayo por flexión rotativa fue concebida por Wöhler y consiste en aplicar una fuerza en uno de los extremos de la probeta ensayada mientras que gira a una determinada velocidad de rotación. De esta manera se consigue aplicar esfuerzos de tracción y compresión en puntos diferentes de la probeta y a medida que la probeta gira estos esfuerzos se alternan. (Ver figura 2.10)
Figura 2.10 Esquema de una máquina de Flexión rotativa. (Monsalve et al. 2003 ).
El cálculo del esfuerzo máximo aplicado a las probetas sometidas a un ensayo de flexión rotativa, se puede llevar a cabo mediante la ecuación 2.8:
(2.8) =
Donde:
σmax : Esfuerzo normal máximo en la sección estudiada
ymax : Distancia máxima desde el plano neutro de la sección hasta la superficie de la probeta
M: Momento flector
34 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
I: Segundo momento del área respecto al eje perpendicular de la sección estudiada.
Para el caso particular de una viga de sección circular y despejando “M” tenemos:
(2.9) = 0,0982. .
Donde:
D: Menor diámetro de la sección reducida de la probeta de ensayada.
2.2.4.2 NATURALEZA ESTADÍSTICA DE LA FATIGA.
Como resultado de investigaciones empíricas se ha observado que piezas de igual dimensión, material, tratamiento y trabajando bajo las mismas condiciones de carga fallan por fatiga a distintos valores de esfuerzo. Esto indica una dispersión en los valores del límite de fatiga de una pieza que hace imposible el uso de un valor para diseño, más allá del coeficiente de seguridad usado. La solución es aplicar métodos estadísticos a los resultados de los ensayos para obtener valores coherentes y reales, y así obtener la probabilidad de falla por fatiga.
La cadena entera de sucesos que preceden a la fractura de fatiga depende de una serie de procesos aleatorios y varía ampliamente de un miembro a otro. Ningún material tiene un único valor de vida en fatiga para un esfuerzo determinado, aún bajo las condiciones más cuidadosamente controladas. En fatiga (como en la fractura frágil), la variabilidad o distribución de valores observados es muy grande. Por lo tanto, la vida en fatiga de un material puede sólo ser tratada como una distribución de valores para especímenes individuales.
Capítulo 2: Marco Teórico 35
A medida que disminuyen los esfuerzos en los ensayos, la dispersión del número de ciclos donde ocurre el fallo aumenta (Ver figura 2.11).
Figura 2.11 Distribución normal del número de ciclos de falla a esfuerzos contantes.
2.2.4.3 FACTORES QUE AFECTAN LA FATIGA.
Esfuerzo medio
La dependencia de la vida a fatiga con la amplitud del esfuerzo se representa en diagramas S-N. Estos resultados se obtienen para un valor constante de σmedio , a menudo el caso más frecuente, es aquel en que la carga se invierte completamente
(σmedio =0).
El esfuerzo medio, sin embargo, también afectará la vida a fatiga, y esta influencia se puede representar por un conjunto de curvas S-N, cada una medida bajo un σmedio diferente; esto se representa de forma esquemática en la figura 2.12. Tal como se puede notar, aumentando el esfuerzo medio conduce a una disminución de la vida a fatiga.
36 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 2.12 Influencia del esfuerzo medio en el comportamiento fatiga. ( Callister , 2005 ).
Efectos superficiales
En muchas situaciones comunes en que se aplican cargas, el esfuerzo máximo en un componente ocurre en la superficie, como es el caso de los esfuerzos de tracción y compresión producidos por flexión. Por consiguiente, la mayoría de las grietas que producen fractura por fatiga se originan en la superficie, concretamente en concentradores de esfuerzos. Por tanto, es importante observar que la vida a la fatiga es especialmente sensible a las condiciones y configuración de la superficie del componente.
Factores de diseño
El diseño de un componente puede tener una influencia significativa en sus características de fatiga. Cualquier entalla o discontinuidad geométrica puede actuar como un concentrador de esfuerzos y como lugar donde se puede generar la grieta de fatiga; estos detalles del diseño incluyen acanaladuras, orificios, ranuras de chaveta, roscas y otros. Cuanto más aguda es la discontinuidad (o sea, cuanto menor es el radio de curvatura), más severa es la concentración de esfuerzos. La probabilidad de
Capítulo 2: Marco Teórico 37
rotura por fatiga puede ser reducida evitando (cuando es posible) estas irregulari dades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de curvatura grandes allí donde haya un cambio en el diáme tro de un eje rotatorio (Ver figura 2.13).
Figura 2.13 Influencia del diseño de piezas en el comportamiento a fatiga . ( Callister , 2005 ).
Tratamientos superficiales
Durante las operaciones de mecanizado, se produ cen inevitablemente pequeñas ralladuras y surcos en la superficie de la pieza por acción de la herramienta de corte. Estas marcas superficiales pueden limitar la vida a fatiga. Se ha observado que mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta significativamente la vida a fatiga.
Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento a fatiga es mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa delgada superficia l. Por consiguiente, cualquier esfuerzo externo de tracción es parcialmente contrarrestado y reducid o en ma gnitud por el esfuerzo residual de compresión. El
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efecto neto es que la probabilidad de que se inicie la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce.
Los esfuerzos residuales de compresión son comúnmente introducidos en los materiales dúctiles de forma mecánica mediante deformación plástica localizada dentro de una región externa superficial. Comercialmente, esto se realiza mediante un proceso denominado granallado. Partículas pequeñas y duras con diámetros dentro del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. La deformación resultante induce esfuerzos de compresión hasta una profundidad de entre un cuarto y la mitad del diámetro de las partículas.
Endurecimiento superficial
Es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante los procesos de carburación o cementación, y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono o nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1 mm de profundidad y es más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como los esfuerzos residuales de compresión que se originan en el proceso de cementación y nitruración.
Influencia del medio
El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Los dos tipos de fatiga asistida por el medio son: fatiga térmica y fatiga con corrosión.
Capítulo 2: Marco Teórico 39
La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a los esfuerzos térmicos fluctuantes; no es necesario que estén presentes los esfuerzos mecánicos de origen externo. La causa de estos esfuerzos térmicos es la restricción a la dilatación y/o contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura. La magnitud del esfuerzo térmico resultante debido a un cambio de temperatura depende del coeficiente de dilatación térmica y del módulo de elasticidad.
Obviamente, los esfuerzos térmicos no se producen si no existen restricciones mecánicas. Por tanto, una manera obvia de prevenir este tipo de fatiga es eliminar, o por lo menos reducir, la fuente de restricciones, permitiendo así que los cambios dimensionales producidos por la variación de la temperatura ocurran sin impedimentos, o bien eligiendo materiales con propiedades físicas apropiadas.
La rotura que ocurre por la acción simultánea de esfuerzo cíclico y el ataque químico se denomina fatiga con corrosión. Los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga. Incluso el medio de la atmósfera normal afecta el comportamiento a fatiga de algunos materiales. Pequeñas picaduras pueden formarse como resultado de reacciones químicas entre el medio y el material, lo cual sirve como puntos de concentración de esfuerzos, y por tanto como lugares de iniciación de la grieta. Además, la velocidad de propagación aumenta como resultado de la presencia del medio corrosivo. La naturaleza de los ciclos de carga influirá en el comportamiento a fatiga. (Callister, 2005 )
2.2.5 TRATAMIENTO TÉRMICO POR ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL.
La resistencia y la dureza de algunas aleaciones metálicas pueden aumentar por la formación de partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas
40 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
de una segunda fase dentro de la original fase matriz; esto se puede conseguir mediante un apropiado tratamiento térmico denominado endurecimiento por precipitación porque las pequeñas partículas de la nueva fase se denominan "precipitados". Este procedimiento también se denomina "endurecimiento por envejecimiento" porque el endurecimiento se desarrolla con el tiempo, como en las aleaciones envejecidas. Las aleaciones aluminio-cobre, aluminio-silicio, cobre- berilio, cobre-estaño, magnesio-aluminio y algunas aleaciones férreas son ejemplos de aleaciones endurecidas por tratamientos de precipitación.
El endurecimiento por precipitación y el revenido del acero templado son fenómenos completamente distintos, aunque los procedimientos del tratamiento térmico sean similares; por lo tanto, estos procesos no se deben confundir. La principal diferencia radica en los mecanismos desarrollados para endurecer y aumentar la resistencia, lo que resulta evidente al explicar el endurecimiento por precipitación.
El endurecimiento por precipitación resulta del desarrollo de partículas de una nueva fase, por tanto la explicación del procedimiento del tratamiento térmico se facilita mediante la utilización de un diagrama de fases. En la práctica, muchas aleaciones endurecibles por precipitación contienen dos o más elementos de aleación, pero la discusión se simplifica refiriéndola a sistemas binarios. El diagrama de fases debe tener la forma mostrada en la figura 2.14 para el hipotético sistema A-B.
Un sistema de aleación es endurecible por precipitación si su diagrama de equilibrio cumple las dos siguientes condiciones: que la solubilidad máxima de un componente en otro sea considerable, del orden de varios porcentajes; y que el límite de solubilidad del componente principal disminuya rápidamente al descender la temperatura. Estas condiciones las cumple el hipotético diagrama de fases de la figura 2.14. La máxima solubilidad corresponde a la composición en el punto M. Además, el
Capítulo 2: Marco Teórico 41
límite de solubilidad entre las fases α y α + β disminuye desde la concentraci ón máxima a una concentración muy baja de B en A en el punto N. Por otra parte, la composició n de la aleación endurecible por precipitación debe ser menor que la correspondiente a la solubilidad máxima. Estas condiciones son necesarias, pero no suficientes para que ocurra el endurecimiento por precipitación en un sistema de aleación. Los requisito s adicionales se discuten seguidamente.
Figura 2.14 Diagrama de fa ses hipotético de una aleación endurecible por precipitación de composición “Co”. ( Callister , 2005 ).
2.2.5.1 TRATAMIENTO TÉRMICO DE DISOLUCIÓN O SOLUBILIZACION.
El endurecimiento por precipitación se consigue mediante dos tratamientos térmicos diferentes. El primero es un tratamiento térmico de disolución en el que los átomos de soluto se disuelven para formar una disolución sólida monofásica. Al considerar la aleación de composic ión C0 de la figura 2.14, el tratamiento consiste en calentar la aleación a una temperatura dentro del campo de fase α, T0, por ejemplo, y
42 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
esperar hasta que toda la fase β presente se disuelva completamente. En este punto, la aleación consiste sólo en la fase α de composición C0. A continuación se enfría rápidamente o se templa a la temperatura T1 de modo que se dificulte la difusión a fin de prevenir la formación de fase β. Para muchas aleaciones, T1 es la temperatura ambiente. Así, a T1 existe una situación de no equilibrio en la cual la fase α aparece como disolución sólida sobresaturada con átomos B; en este estado la aleación es relativamente blanda y poco resistente. Además, en la mayoría de las aleaciones las velocidades de difusión a T1 son extremadamente lentas, de modo que la monofase α permanece a esta temperatura durante períodos relativamente largos. (Callister, 2005 )
2.2.5.2 TRATAMIENTO TÉRMICO DE PRECIPITACIÓN.
El tratamiento térmico de precipitación consiste en calentar la disolución sólida sobresaturada α a una temperatura intermedia T2 (figura 2.14) dentro de la región bifásica, temperatura a la cual la velocidad de difusión es apreciable. La fase precipitada β comienza a formarse como partículas finamente dispersas de composición Cβ, proceso que a veces se denomina "envejecimiento". Después de permanecer el tiempo adecuado a la temperatura T2, la aleación se enfría a temperatura ambiente a una velocidad que generalmente no tiene importancia. En la figura 2.15 se ha representado la temperatura frente al tiempo en los tratamientos térmicos de disolución y de precipitación. El carácter de las partículas β y, por consiguiente, la resistencia y la dureza de la aleación dependen de la temperatura de precipitación T2 y del tiempo de envejecimiento a esta temperatura. En algunas aleaciones el envejecimiento ocurre espontáneamente a temperatura ambiente durante largos períodos de tiempo.
Capítulo 2: Marco Teórico 43
Figura 2.15 Gráfica de la temperatura frente al tiempo de los tratamientos térmicos de disolución y precipitación para el endurecimiento por precipitación . (Callister, 2005 ).
Es posible presentar los datos de resistencia a la tracción o de límite elástico a temperatura ambiente, como una función del logaritmo del tiempo de envejecimiento a temperatura constante T2. En la figura 2.16 se representa el comportamiento de una típica aleación endurecible por precipitación. Al incrementar el tiempo, la resistencia aumenta, alcanza un máximo y finalmente disminuye. La disminución de resistencia y dureza que ocurre después de largos períodos de tiempo se conoce como sobre - envej ecimiento. La influencia de la temperatura se incorpora superponiendo curvas a varias temperaturas.
Las aleaciones de aluminio de alta resistencia generalmente se endurecen por precipitación. Aunque muchas de estas aleaciones tienen diferentes proporcione s y combinaciones de elementos aleantes, quizá el mecanismo de endurecimiento más estudiado corresponde a la aleación aluminio -cobre.
44 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 2.16 Diagrama esquemático de la resistencia a la tracción y dureza como función del logaritmo del tiempo de envejecimiento a temperatura constante durante el tratamiento térmico de precipitación. (Callister, 2005 ).
La figura 2.17 presenta la región del diagrama de fases aluminio-cobre rica en aluminio. La fase α es la disolución sólida sustitucional de cobre en aluminio, mientras que el compuesto intermetálico CuAl 2 se designa como fase θ.
Las propiedades mecánicas quedan afectadas por el carácter de las partículas de las transiciones de fases. Durante la etapa inicial del endurecimiento (un corto tiempo de la figura 2.16) los átomos de cobre se agrupan en forma de diminutos discos de aproximadamente 25 átomos de diámetro y dos átomos de espesor y aparecen en innumerables posiciones dentro de la fase α. Los grupos o racimos, a veces denominados zonas (1) , son tan pequeños que estas partículas precipitadas no se pueden distinguir. Sin embargo, con el tiempo y la consiguiente difusión de los átomos del cobre, estas zonas aumentan su tamaño.
(1) Estas zonas son llamadas Zonas GP en honor a Guinier y Preston quienes fueron los primeros en observar estos precipitados.
Capítulo 2: Marco Teórico 45
Figura 2.17 Zona rica en aluminio del diagrama de fase aluminio-cobre. ( Callister , 2005 ).
Después estas partículas precipitadas experimentan dos transiciones de fases (denominadas θ" y θ'), antes de alcanzar la fase de equilibrio θ ( Ver figura 2.18c).
Figura 2.18 Representación esquemática de las etapas de la formación de precipitados de fase ( θ) de equilibrio. (a) Disolución só lida α sobresaturada. (b) Fase precipitada de transición (θ´). (c) Fase de equilibrio ( θ). ( Callister, 2005 ).
46 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
La figura 2.16 muestra los aumentos de resistencia y de dureza como consecuencia de la presencia de las innumerables fases de transición y metaestable. En esta figura destaca que la máxima resistencia coincide con la formación de la fase θ", que se puede conservar enfriando la aleación a temperatura ambiente. El sobre- envejecimiento es la consecuencia del crecimiento continuo de las partículas y del desarrollo de fases θ' y θ.
El aumento de resistencia se acelera al aumentar la temperatura, como demuestra la figura 2.19 que es una representación gráfica del límite elástico en función del logaritmo del tiempo para una aleación de aluminio 2014 a diferentes temperaturas de precipitación.
La temperatura y tiempo del tratamiento térmico se deben programar para que se produzca un endurecimiento o una resistencia que sean próximos al máximo. Este incremento de resistencia supone una disminución de ductibilidad, como demuestra la figura 2.20 para el aluminio 2014 a varias temperaturas.
Figura 2.19 Límite elástico del endurecimiento por precipitación de una aleación de aluminio 2014 a cuatro diferentes temperaturas de envejecimiento. (Callister , 2005 ).
Capítulo 2: Marco Teórico 47
Figura 2.20 Ductilidad del endurecimiento por precipitación de una aleación de aluminio 2014 a cuatro diferentes temperaturas de envejecimiento. (Callister , 2005 ).
No todas las aleaciones que satisfacen las condiciones mencionadas relativas a la composición y configuración de los diagramas de fases, son susceptibles del endurecimiento por precipitación. Además, en la intercara precipitado-matriz debe producirse deformación de la red. En la aleación aluminio-cobre se genera distorsión de la estructura reticular cristalina en la vecindad de las partículas de estas fases (Ver figura 2.18b). Estas distorsiones dificultan los movimientos de las dislocaciones durante la deformación plástica y, por consiguiente, la aleación se endurece y aumenta la resistencia. El sobre-envejecimiento (disminución de dureza y de resistencia) resultante por la aparición de fase θ se explica por la disminución de resistencia al deslizamiento que ofrecen estas partículas precipitadas.
Las aleaciones que experimentan apreciable endurecimiento por precipitación a temperatura ambiente y después de períodos de tiempo relativamente cortos, se deben templar y después guardar en condiciones refrigeradas. Algunas aleaciones de aluminio utilizadas como remaches presentan este comportamiento y se llevan al estado blando y luego se dejan envejecer a temperatura ambiente. Este procedimiento
48 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
se denomina envejecimiento natural. El envejecimiento artificial se lleva a cabo elevando la temperatura.
Las aleaciones de alta resistencia se pueden someter a endurecimientos por deformación y por precipitación y conseguir una óptima combinación de propiedades mecánicas. Normalmente estas aleaciones se someten primero a un tratamiento térmico consistente en disolución y luego temple, en segundo lugar, se trabaja en frío y, finalmente, se endurece por precipitación. En el tratamiento final disminuye ligeramente la resistencia debido a la recristalización. Si una aleación se endurece por precipitación antes del trabajo en frío, se gasta más energía en la deformación plástica y, además, se corre el riesgo de la aparición de grietas debido a la disminución de ductibilidad que acompaña al endurecimiento por precipitación.
La mayoría de las aleaciones endurecidas por precipitación tienen una utilización limitada por la temperatura: no se pueden exponer a temperaturas que originen envejecimiento, pues disminuyen la resistencia debido al sobre- envejecimiento.
2.2.5.3 DETALLES DEL TRATAMIENTO TERMICO DE ENVEJECIMIENTO EN LAS ALEACIONES DE ALUMINIO AA-6XXX.
La aleación de aluminio AA-6061 es un sistema ternario compuesto por tres elementos Aluminio, Magnesio y Silicio. El diagrama de equilibrio de un sistema ternario como este es muy engorroso para estudiar y analizar, es por esto que se utiliza un diagrama Seudo-binario equivalente de Aluminio y Siliciuro de Magnesio
(Mg 2Si). (Ver figura 2.21 )
Capítulo 2: Marco Teórico 49
Figura 2.21 Diagrama de equilibrio del sistema ternario y diagrama de la sección Seudo-binaria Al-
Mg 2Si (TALAT, 1999 ).
Las aleaciones Al-Mg-Si son muy importantes en aplicaciones ingenieriles estructurales y esto se debe en gran parte a la forma y la orientación de las Zonas GP obtenidas después de un envejecimiento. En el caso de esta aleación tienen forma de barras a lo largo de la dirección <100> (1) del sistema cúbico de la matriz del aluminio. (Ver figuras 2.22 y 2.23). El átomo de Mg es 10% mas grande que el átomo de aluminio, es por esto que los átomos de Mg y Si se asocian y precipitan juntos.
Figura 2.22 Esquema de la forma y dirección de las Zonas GP (TALAT, 1999 ).
(1) Índice de Miller
50 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 2.23 Foto microscópica donde se destaca la forma y dirección de las Zonas GP (TALAT, 1999 ).
La aleación Al-Mg 2Si es susceptible al envejecimiento natural a una temperatura ambiente, esto se puede observar en la figura 2.24 donde se observa un incremento de hasta un 10 % en la resistencia a la tracción luego de unas pocas horas. En la industria este fenómeno puede ser perjudicial, ya que si se presenta entre la etapa de solubilización y el tratamiento de envejecimiento, el mismo conllevará a efectos perjudiciales en los niveles finales de la resistencia de tracción. Este tiempo intermedio entre las etapas, en el que se manifiesta el envejecimiento natural, se denomina tiempo de retraso. (Ver figura 2.24)
Capítulo 2: Marco Teórico 51
Figura 2.24 Envejecimiento natural y su efecto antes de un tratamiento de envejecimiento artificial (TALAT, 1999 ).
Como se puede observar en la figura anterior, las propiedades de las
Aleaciones Al-Mg 2Si envejecidas a una temperatura elevada, por ejemplo 160 ºC por 16 horas, depende además del tiempo expuesto a temperatura ambiente antes de dicho envejecimiento. Este tipo de tratamiento es llamado Envejecimiento en dos etapas. Adicionalmente Pashley et al. (1966) demostró que la adición de 0,24% en peso de Cobre no solo aumenta la resistencia a la tracción, sino que además disminuye la rapidez del envejecimiento natural. (Ver figura 2.25)
2.2.6 DUREZA.
Una propiedad mecánica que puede ser sumamente importante considerar es la dureza, la cual es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (por ejemplo, una pequeña abolladura o ralladura).
52 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 2.25 Efecto de la adición de cobre en las aleaciones Al-Mg-Si (TALAT, 1999 ).
Los primeros ensayos de dureza se basaban en el comportamiento de los minerales junto con una escala construida según la capacidad de un material para rallar a otro más blando. Un método cualitativo de ordenar de forma arbitraria la dureza es ampliamente conocido y se denomina escala de Mohs, la cual va desde uno en el extremo blando para el talco hasta 10 para el diamante. A lo largo de los años se han ido desarrollando técnicas cuantitativas de dureza que se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre una superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un número de dureza; cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella, y menor es el número de dureza. Las durezas medidas tienen solamente un significado relativo (y no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar durezas obtenidas por técnicas distintas.
Capítulo 2: Marco Teórico 53
2.2.6.1 ENSAYOS DE DUREZA ROCKWELL.
El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar virtualmente cualquier metal o aleación desde el más duro al más blando. Los penetradores son bolas esféricas de acero endurecido que tienen diámetros de 1/16, 1/8, 1/4 y 1/2 pulg. (1,588; 3,175; 6,350; y 12,70 mm) y un penetrador cónico de diamante (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros.
Con este sistema, se determina un número de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetración que resulta al aplicar primero una carga inicial pequeña y después una carga mayor; la utilización de la carga pequeña aumenta la exactitud de la medida. Basándose en la magnitud de las cargas mayores y menores, existen dos tipos de ensayo: Rockwell y Rockwell superficial. En el ensayo de Rockwell, la carga menor es de 10 kg, mientras las cargas mayores son 60,100 Y 150 kg. Cada escala está representada por una letra del alfabeto; en la tabla 2.3 se indican varias de estas escalas junto con los penetradores y cargas correspondientes. Para ensayos superficiales, la carga menor es de 3 kg, mientras que el valor de la carga mayor puede ser 15, 30 ó 45 kg. Estas escalas se identifican mediante un número (15,30 ó 45, según la carga) y una letra (N, T, W o Y, según el penetrador). Los ensayos superficiales se realizan frecuentemente en probetas delgadas.
Cuando se especifican durezas Rockwell y superficiales, debe indicarse, además del número de dureza, el símbolo de la escala utilizada. La escala se designa por el símbolo HR seguido por una identificación de la escala. Por ejemplo, 80 HRB representa una dureza Rockwell de 80 en la escala B, y 60 HR30W indica una dureza superficial de 60 en la escala 30W.
54 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 2.3 Dureza Rockwell (Callister , 2005 ).
Para cada escala las durezas pueden llegar a valores de 130; sin embargo, a medida que la dureza alcanza valores superiores a 100 o inferiores a 20 en cualquier escala, éstos son poco exactos; debido a que las escalas se solapan en esta situación es mejor utilizar la escala vecina más dura o la vecina más blanda respectivamente.
También se producen inexactitudes si la muestra es demasiado delgada, si la huella se realiza demasiado cerca de un borde, o bien si dos huellas están demasiado próximas. El espesor de la probeta debe ser por lo menos alrededor de 10 veces la profundidad de la huella, también debe haber un espacio de tres diámetros de huella entre el centro de una huella y el borde de la probeta, o bien con el centro de otra indentación. Además los ensayos de probetas apiladas una sobre otra no son recomendables. La exactitud también depende de si la dureza se toma sobre una superficie perfectamente lisa.
Los equipos modernos para la medida de la dureza Rockwell están automatizados y son de muy fácil utilización; la dureza es medida directamente, y cada medida requiere únicamente unos pocos segundos. Adicionalmente, permiten la
Capítulo 2: Marco Teórico 55
variación del tiempo de aplicación de la carga. Esta variable debe ser considerada al interpretar los resultados de los ensayos de dureza. (Callister , 2005 )
2.2.7 METALOGRAFÍA EN ALEACIONES DE ALUMINIO.
El estudio de la microestructura tiene como propósito principal la evaluación de las aleaciones, determinación de los efectos y consecuencias tanto de los procesos de fabricación como de los tratamientos térmicos y causas de fallo. Para una buena interpretación de la microestructura es necesario contar con la historia completa de la muestra a estudiar. En general, la metalografía del aluminio y sus aleaciones, es difícil, ya que las aleaciones de aluminio representan una gran variedad de composiciones químicas y por ende, un amplio intervalo de durezas y diferentes propiedades mecánicas. Por lo tanto, las técnicas requeridas para el estudio metalográfico pueden variar considerablemente entre las aleaciones suaves y duras.
Una aleación específica puede presentar características microestructurales, como matriz, segundas fases, partículas finamente divididas de una sustancia dispersas en otra, granos, subgranos y por lo tanto fronteras o subfronteras de grano de acuerdo a su tipo de aleación y su historia térmica o termomecánica. Sin embargo, algunos métodos de preparación de muestra y observación son bastante genéricos y aplicables a todas las aleaciones de aluminio. En otros casos, es necesario referirse a métodos específicos de desarrollo. (TALAT, 1999 )
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA
En este capítulo se presenta de forma detallada y ordenada todas las etapas y pasos realizados para el desempeño de esta investigación. Además se presentan las técnicas, instrumentos y equipos utilizados en la misma.
58 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
3.1 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.
Las técnicas de recolección de datos que se pusieron en práctica son las siguientes: la observación directa en los diferentes ensayos y el análisis documental proveniente de la bibliografía recopilada.
Los instrumentos utilizados son los siguientes: fotografías, cuadros y tablas diseñadas previamente, donde se registraron y agruparon los datos obtenidos para su posterior análisis. Luego, dichos datos fueron sometidos a los procesos estadísticos básicos (estadística descriptiva).
3.2 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS.
Una vez recolectados los datos, los mismos fueron sometidos a un análisis teórico y comparativo con parámetros ya establecidos. De la misma manera, se aplicó un análisis de tendencias estadísticas a los datos obtenidos en los ensayos de fatiga y cualquier otro dato que también lo ameritó. Se analizaron las muestras por observación microscópica, para inferir acerca de sus características y propiedades.
3.3 POBLACIÓN DE ESTUDIO.
Para este tipo de investigación lo primero que se hizo, una vez definido el material a ensayar, fue determinar la población de estudio. Una población se refiere al conjunto de elementos o unidades involucradas en la investigación, para la cual, serán válidas las conclusiones que se obtengan. En esta investigación se seleccionó una población de 67 probetas de AA-6061, por considerarse como un intervalo efectivo susceptible de ser investigado.
Capítulo 3: Metodología 59
A su vez, las 67 probetas de la población de estudio se distribuyeron de la siguiente manera:
• 5 probetas de AA-6061 destinadas para los ensayos de tracción con ocho horas de tratamiento térmico por envejecimiento.
• 5 probetas de AA-6061 destinadas para los ensayos de tracción con diez horas de tratamiento térmico por envejecimiento.
• 26 probetas de AA-6061 destinadas para los ensayos de fatiga con ocho horas de tratamiento térmico por envejecimiento.
• 26 probetas de AA-6061 destinadas para los ensayos de fatiga con diez horas de tratamiento térmico por envejecimiento.
• 5 probetas de AA-6061 destinadas para los ensayos de fatiga en estado de solubilización.
3.4 CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS EN LA INVESTIGACIÓN.
Horno para tratamientos térmicos:
• Marca: BARNSTEAD-THERMOLYNE
• Modelo: F48025-80
• Apreciación para la escala de temperatura: 1
°C
• Temperatura Maxima: 1200 °C
• Apreciación para la escala de tiempo: 0,1 s
• Ubicación: Laboratorio de Materiales de la Figura 3.1 Horno para tratamientos
Escuela de Ingeniería Mecánica de la térmicos. Universidad de Carabobo.
60 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Microscopio óptico:
• Marca: UNION
• Modelo: MC 86267 • Aumentos disponibles: 100X
200X 400X 1000X • Ubicación: Laboratorio de
Materiales de la Escuela de
Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo. Figura 3.2 Microscopio Óptico.
Durómetro:
• Marca: BUHLER
• Modelo: MACROMET 5100T • Escalas de medición: Todas las escalas Rockwell normal y superficial • Ubicación: Laboratorio de Materiales de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo.
Figura 3.3 Durómetro.
Cortadora Metalográfica:
• Marca: BUEHLER
• Modelo: SAMPLMET
• Ubicación: Laboratorio de
Materiales de la Escuela de
Ingeniería Mecánica de la
Universidad de Carabobo. Figura 3.4 Cortadora Metalográfica.
Capítulo 3: Metodología 61
Horno de Fundición:
• Marca: LINDERBERG • Ubicación: Laboratorio de Fundiciones de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo.
Figura 3.5 Horno de Fundición.
Máquina de Ensayo universal:
• Marca: GALDABINI
• Modelo: CTM 20
• Ubicación: Laboratorio de Materiales de la Escuela de Ingeniería Mecánica de
la Universidad de Carabobo.
Figura 3.6 Máquina para Ensayos de Tracción. Rugosímetro:
• Marca: MITUTOYO
• Modelo: SJ-201P • µ Apreciación: 0,01 m • Límite superior del intervalo de medición: 100 µm • Ubicación: Laboratorio de Metrología Dimensional de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo. Figura 3.7 Rugosímetro.
62 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Máquina para Ensayos de Fatiga:
• Marca: FATIGUE DYNAMICS INC. • Modelo: RBF-200HT • Apreciación del Momento flector: 1 lbf.in • Intervalo del Momento flector: [0-200] lbf.in • Apreciación del contador de revoluciones : 100 revoluciones • Intervalo del contador de revoluciones: 999999 x 10 2 revoluciones • Ubicación: Laboratorio de Materiales de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo.
Figura 3.8 Máquina para Ensayos de Fatiga.
Banco de Pulido:
• Marca: BUEHLER • Ubicación: Laboratorio de Materiales de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo.
Capítulo 3: Metodología 63
Figura 3.9 Banco de Pulido.
Termopar digital:
• Marca : FISHER INSTRUMENTS
• Ubicación : Laboratorio de Materiales de
la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo. • Apreciación : 0,1 °C • Precisión : ±0.75% mas 1°C • Tipo de termopar : K (Chromel-Alumel) • Intervalo: -50 a 1230 °C Figura 3.10 Termopar Digital.
Microscopio Electrónico de Barrido:
• Marca: PHILLIPS • Modelo: XL-30 • Ubicación: Centro de Investigaciones Biomédicas de la Universidad de Carabobo (CIMBUC).
64 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 3.11 Microscopio Electrónico de Barrido.
3.5 ADQUISICIÓN DEL MATERIAL Y MECANIZADO DE PROBETAS.
Una vez definida la población de estudio, se procedió a adquirir el material suficiente para alcanzar la población deseada. Se adquirió un total de 12 barras de 0,5 pulgadas de diámetro y 2 m de largo, en la empresa SUMINDU C.A, ubicada en Valencia, Estado Carabobo. Luego se procedió a mecanizar las probetas de acuerdo a los requerimientos dimensionales exigidos por la norma ASTM B557-02 (1) para las probetas de tracción y la norma ASTM E606 (2) para las probetas de fatiga. Este mecanizado se llevó a cabo mediante un Torno de control numérico computarizado (CNC), en la empresa METALCOR ubicada en Valencia, Estado Carabobo.
3.6 ANÁLISIS QUÍMICO DEL MATERIAL.
Este análisis se realizó con la finalidad de verificar que las cantidades de los elementos presentes en la aleación de aluminio AA-6061 adquirida, se encuentren dentro de los valores establecidos por la Aluminum Association (A.A) para dicha aleación.
(1,2) Ver Anexo B.
Capítulo 3: Metodología 65
Una vez seleccionada la cantidad de material destinada para la muestra del análisis químico, se procedió a colocar la misma en un crisol e introducirla al horno de fundición, el cual se encontraba a una temperatura de 700 °C. Luego de haberse completado la etapa de fundición, se procedió a verter el material fundido en un recipiente cilíndrico adecuado para dar la forma necesaria a la muestra a ser analizada.
El equipo utilizado para establecer dicha composición química, fue un espectrofotómetro ubicado en la empresa CVG - ALUCASA. Este equipo realiza el estudio mediante un impacto eléctrico que ataca la muestra, lee el espectro y en función de la longitud de onda determina los componentes de la muestra. Dicho impacto se realizó en tres lugares de la muestra para obtener un promedio de los elementos presentes en la aleación.
Figura 3.12 Muestra utilizada para el análisis químico.
3.7 TRATAMIENTO TÉRMICO.
Una vez mecanizada toda la población de probetas, se procedió a realizar el tratamiento térmico por envejecimiento artificial. Las cinco primeras probetas de tracción fueron tratadas térmicamente y envejecidas durante ocho horas, mientras que las otras cinco restantes fueron tratadas térmicamente y envejecidas por diez horas.
66 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
De las 57 probetas destinadas a ensayos de fatiga, una cantidad de 26 fueron tratadas térmicamente y envejecidas por ocho horas; mientras que otras 26 fueron tratadas térmicamente y envejecidas durante diez horas, y por último las cinco probetas de fatiga restantes con un tratamiento de solubilización.
Debido a las dimensiones físicas del horno para tratamientos térmicos disponible en el laboratorio (17.8 x 12.7x 25.4 cm), todas las fases que involucren el uso de dicho horno, se llevarán a cabo con un número máximo de 15 probetas. Las mismas se dispusieron de forma horizontal y sin contacto físico entre ellas ni con las paredes del horno.
El tratamiento térmico de envejecimiento se realizó en dos fases. Una primera fase de solubilización, en el cual las probetas se introdujeron en el horno y se calentaron hasta alcanzar una temperatura dentro del intervalo de solubilización (Ver figura 2.21). Dicha temperatura fue de 533°C (990°F), el cual es el valor recomendado por Aluminum Standards and Data 2003 de la Aluminum Association (A.A). El tiempo mínimo establecido de exposición de las probetas a la temperatura de solubilización, para lograr una temperatura uniforme en todo el material, es de 55 minutos (ASM Handbook), aunque el tiempo usado en esta investigación fue de 2 horas, debido a que en la bibliografía no se especifica de manera clara la geometría y volumen tomados en cuenta para el tiempo recomendado. Posteriormente, se extrajeron las probetas del horno para ser enfriadas repentinamente. Este enfriamiento repentino se logró por medio de un proceso de inmersión de las probetas en un recipiente con agua común de las instalaciones del laboratorio, la cual se encontraba a temperatura ambiente en un intervalo aproximado de 25-27°C. El tiempo máximo desde que se abrió la puerta del horno hasta que se sumergió cada pieza en el recipiente con agua no superó los 15 segundos, según lo recomendado en el ASM Handbook.
Capítulo 3: Metodología 67
Para evitar un envejecimiento natural de las probetas ya solubilizadas, las mismas se dispusieron temporalmente en un ambiente a baja temperatura, menor o igual a 0°C.
Una vez que se culminó la primera fase con la totalidad de las probetas, se procedió a aplicar la segunda fase. La misma consistió en introducir las probetas nuevamente en el horno, hasta conseguir una temperatura de 177°C. Esta temperatura se seleccionó dentro del intervalo recomendado (320 - 350 ºF) por Aluminum Standards and Data 2003 de la Aluminum Association (A.A). Una vez alcanzada dicha temperatura, las probetas permanecieron en el horno por un intervalo específico de tiempo, el cual dependió del período de exposición del envejecimiento artificial (ocho o diez horas). Luego, el enfriamiento de las mismas se llevó a cabo a temperatura ambiente.
De forma referencial, y haciendo uso de un termopar digital, se realizó un registro de temperatura durante el desarrollo de un envejecimiento artificial de ocho horas, al igual que durante el desarrollo de uno de diez horas. Ambos se realizaron con la finalidad de verificar si cada tratamiento térmico se llevó a cabo a la temperatura deseada y durante el tiempo estipulado.
3.8 METALOGRAFÍA.
Esta etapa consistió en realizar un análisis metalográfico a una serie de pequeñas muestras de material. Dicha serie de pequeñas muestras fueron obtenidas del mismo material utilizado para la fabricación de las probetas y cortadas en dimensiones de 2,5cm de longitud por medio del uso de la cortadora metalográfica. Este estudio se aplicó antes, durante y después de finalizado el tratamiento térmico; es decir, las pequeñas muestras fueron sometidas a las mismas fases del tratamiento térmico por envejecimiento artificial que experimentaron las probetas. Se seleccionó
68 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
un número de cuatro unidades con la finalidad de estudiar todas las etapas del tratamiento, es decir, una para ser analizada en condiciones iniciales (sin entrar en el horno), otra para analizarse luego del enfriamiento brusco que procedió a la fase de solubilización y las dos últimas unidades para ser sometidas al análisis luego de haber resultado de las etapas de envejecimiento (ocho y diez horas respectivamente).
La forma de realizar la metalografía a las cuatro muestras fue la siguiente:
1. Se observó la pieza en el microscopio para determinar los defectos iniciales que poseía la misma.
2. Se realizó un desbaste sucesivo, de grueso a fino, con papel de lija, procurando que en cada etapa la dirección del desbaste fuera perpendicular a la anterior, para asegurar que cada desbaste eliminara las rallas anteriores.
3. Se realizó un pulido de la pieza con dos paños distintos, el primero con un tamaño de partícula de solución (Alúmina) en suspensión mayor que el segundo, hasta obtener una superficie especular.
4. Se verificó la calidad superficial de la pieza con el microscopio.
5. Se realizó un ataque químico para hacer visible la microestructura de la
aleación, para ello se utilizó un reactivo conocido como Keller ( 95% H2O,
1% HF, 1.5 % HCl y 2.5% HNO 3) por un tiempo de 10 segundos.
6. Se procedió a observar la pieza en el microscopio para verificar las condiciones de la microestructura del material. Se capturaron fotomicrografías mediante un dispositivo de video.
Capítulo 3: Metodología 69
Figura 3.13 Fragmento utilizado para el estudio de Metalografía.
3.9 ENSAYO DE DUREZA.
Esta etapa consistió en la realización de ensayos de dureza Rockwell a una serie de pequeñas muestras de material. Las mismas provinieron de una parte del material remanente del proceso de mecanizado de las probetas y fueron cortadas en dimensiones de 2,5cm de longitud por medio del uso de la cortadora metalográfica. La serie de pequeñas muestras se conformó por una cantidad de cuatro unidades y en cada una se realizó un total de cinco indentaciones para posteriormente realizar un cálculo promedio de la propiedad. Se seleccionó dicha cantidad de muestras, con la finalidad de estudiar todas las etapas del tratamiento, es decir, una para ser ensayada en condiciones iniciales (sin entrar en el horno), otra para ensayarse luego del enfriamiento brusco que procedió a la fase de solubilización y las dos últimas unidades para ser sometidas al ensayo de dureza luego de haber resultado de las etapas de envejecimiento (ocho y diez horas respectivamente). La superficie de las muestras era totalmente plana, esto con la finalidad de no obtener resultados erróneos en la medición.
La escala Rockwell que se utilizó fue la escala A, la cual establece un valor de precarga de 10 kgf y de carga 60 kgf, haciendo uso de un penetrador de cono de diamante.
70 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
3.10 ENSAYO A TRACCIÓN.
Una vez finalizado el tratamiento térmico por envejecimiento artificial de las muestras destinadas para realizar los ensayos de tracción, se procedió a realizar los ensayos de las probetas bajo las especificaciones de la norma ASTM B557-02. El objetivo principal de estos ensayos era determinar la resistencia a la fluencia del material, el cual fue a su vez, el valor de esfuerzo máximo utilizado en los ensayos de fatiga. Adicionalmente, se determinaron propiedades mecánicas tales como esfuerzo máximo y porcentaje de alargamiento (Ver ecuación 2.3), para mejorar su caracterización. Se ensayaron un total de cinco probetas para cada condición del tratamiento de envejecimiento.
Durante la realización de estos ensayos, cada probeta se introdujo en la máquina de tracción ajustándose firmemente las mordazas sobre la misma. Luego se procedió a seleccionar la velocidad del ensayo, la cual fue constante y tuvo un valor de 2 mm/s, para iniciar el ensayo y esperar hasta que ocurriera la fractura dentro de la zona calibrada. Seguido de esto, se retiró la probeta por medio de la liberación de sus mordazas y se almacenaron los resultados suministrados por la máquina. La información obtenida de la máquina fue una serie de puntos que permitió construir los gráficos “Carga-Alargamiento” de cada probeta ensayada. Haciendo uso de la información suministrada por dichas curvas y aplicando las ecuaciones 2.1 y 2.2, fue posible la construcción de los gráficos “Esfuerzo-Deformación”, los cuales una vez concluidos permitieron obtener los valores de las propiedades mecánicas deseadas. Una vez finalizado el cálculo de propiedades mecánicas de toda la muestra, se procedió a clasificar y promediar las mismas para realizar los análisis respectivos.
Capítulo 3: Metodología 71
3.11 ACABADO SUPERFICIAL.
Una vez culminados los tratamientos térmicos por envejecimiento artificial de las probetas destinadas para los ensayos de fatiga, se procedió a realizar operaciones de desbaste y acabado a la totalidad de las mismas. Dichas operaciones de desbaste y acabado se realizaron sólo en el entalle de las mismas, debido a que es allí donde se presenta la zona de fractura. La importancia de esta etapa reside en que el esfuerzo máximo durante el ensayo siempre se localiza en la superficie del entalle, esto es debido a que el ensayo de fatiga utilizado es del tipo flexión rotativa, por lo tanto la presencia de imperfecciones en la superficie del entalle podía generar la aceleración del crecimiento de las grietas por fatiga y de esta forma introducir un factor adicional de incertidumbre en los datos obtenidos.
Las operaciones de desbaste y acabado se realizaron con pasadas sucesivas de papel de lija, comenzando con papel de lija de grano 320 (desbaste) y terminando con papel de lija de grano 1200 (acabado).
Seguido de esto se procedió a medir el valor de rugosidad medio aritmético (Ra) de veinte probetas de fatiga seleccionadas aleatoriamente de la población total. Para esto se realizaron tres mediciones en el entalle de cada probeta de fatiga, mediante el uso de un Rugosímetro, y así obtener un valor promedio de Ra por probeta. La longitud recorrida por el palpador del rugosímetro para cuantificar la rugosidad fue de 2.4mm.
3.12 ENSAYO A FATIGA.
Ya culminada la etapa de acabado superficial de ambas muestras, se procedió a realizar los ensayos de fatiga de las mismas, bajo las especificaciones de la norma ASTM E606.
72 Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Este ensayo se realizó fijando por medio de las mordazas, la probeta en la máquina de fatiga. Luego se fijó la magnitud del momento flector a ser aplicado para producir los esfuerzos requeridos por el ensayo, el cual fue calculado haciendo uso de la ecuación 2.9
El valor del esfuerzo aplicado varió entre el 90% del esfuerzo de fluencia y el porcentaje del esfuerzo para el cual la probeta no fallara antes de los 1,6x10 6 ciclos. Dicho valor se estableció como límite, en conjunto con los demás grupos de investigación, con la finalidad de establecer una uniformidad de criterios. Este límite no representa el límite de fatiga del material, ya que este valor para el aluminio es cercano a 5x10 8, pero debido a que principalmente se deseaba estudiar el comportamiento del material tratado térmicamente bajo esfuerzos alternantes (fenómeno de la fatiga), el valor límite de ciclos establecido era aceptable.
Posteriormente se aumentó gradualmente el valor de la velocidad de giro hasta que no se produjeran vibraciones que pudieran afectar el ensayo, manteniendo este valor de velocidad constante a lo largo del ensayo. Una vez fijados dichos parámetros, se procedió a iniciar el ensayo y esperar hasta que ocurriera la fractura o el número de ciclos superara el valor límite establecido. Luego de que esto ocurriera, se procedía a anotar los resultados, apagar la máquina y a liberar la probeta respectiva de su mordaza. Con esta información recolectada de todas las probetas, fue posible construir los gráficos “Esfuerzo-Número de Ciclos” deseados y realizar los análisis respectivos.
3.13 FRACTOGRAFÍA.
Luego de concluidos los ensayos de fatiga, se procedió a realizar un estudio fractográfico de las probetas ensayadas. Dicho estudio se llevó a cabo en dos etapas, una etapa a nivel microscópico y otra a nivel macroscópico. La etapa de estudio a
Capítulo 3: Metodología 73
nivel microscópico se realizó por medio del uso de un microscopio electrónico de barrido marca Phillips, modelo XL-30-EDX-4. La resolución del microscopio en referencia, es de 5mm en un intervalo que va desde 35X hasta 100.000X. Dicha capacidad permitió hacer tomas de las diferentes superficies de fractura, las cuales presentan características resaltantes y aspectos de interés relevantes para el estudio. Por otra parte, el estudio a nivel macroscópico se realizó por medio del uso de una cámara de fotos digital de alta resolución, la cual permitió realizar un análisis comparativo entre los modos de falla (frágil o dúctil).
El estudio fractográfico utilizó una cantidad de cinco probetas que lograron alcanzar la falla durante el transcurso de los ensayos de fatiga. Se seleccionó dicha cantidad de probetas a examinar, con el motivo de poder estudiar el modo de fractura del material en las condiciones más diversas posibles, es decir, una probeta envejecida durante el período de ocho horas y ensayada al más alto esfuerzo (90% del esfuerzo de fluencia), otra probeta envejecida durante ocho horas y ensayada al más bajo esfuerzo (60% del esfuerzo de fluencia). De igual forma, poder estudiar una probeta envejecida durante diez horas y ensayada al más alto esfuerzo (90% del esfuerzo de fluencia), otra probeta envejecida durante diez horas y ensayada al más bajo esfuerzo (60% del esfuerzo de fluencia), así como también estudiar la fractura de una probeta sometida solamente al proceso de solubilización.
Para poder utilizar los equipos antes mencionados y realizar los estudios de fractura tanto microscópicos como macroscópicos de las probetas seleccionadas; se hizo uso de la cortadora metalográfica, donde las probetas fueron cortadas en la zona del entalle a dimensiones aproximadas de 1,8cm de longitud-
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y ANALISIS
En este capítulo se presenta de forma detallada y ordenada todos los resultados obtenidos, producto de la ejecución de las etapas y pasos diseñados para el correcto desempeño de esta investigación. Adicionalmente, se presentan los análisis respectivos de los hallazgos alcanzados en el presente trabajo de investigación.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 76 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
4.1 ANÁLISIS QUÍMICO DEL MATERIAL.
Con la finalidad de obtener un promedio aproximado de los elementos presentes en la aleación, se realizaron tres mediciones a la muestra en cuestión. El resultado obtenido de las distintas mediciones se refleja a continuación:
Tabla 4.1 Resultados obtenidos con la muestra para Análisis Químico. N° % Si % Fe % Cu % Mn % Mg % Zn % Ni 1 0,59400 0,25300 0,28700 0,00400 0,82200 0,00070 0,00200 2 0,64300 0,28600 0,31600 0,00390 0,85560 0,00050 0,00200 3 0,61700 0,26700 0,30300 0,00400 0,82920 0,00050 0,00200 0,61800 0,26867 0,30200 0,00397 0,83560 0,00057 0,00200 Promedio ( ) N° % Sn % Ti % B %Bi %Ca %Cd %Ga 1 0,00200 0,01500 0,00010 0,00100 0,00034 0,00010 0,00900 2 0,00200 0,01200 0,00010 0,00100 0,00085 0,00010 0,01000 3 0,00200 0,01500 0,00010 0,00100 0,00066 0,00010 0,00900 0,00200 0,01400 0,00010 0,00100 0,00062 0,00010 0,00933 Promedio ( ) N° % V % As % Al % Pb % Cr %Li %Sr 1 0,00800 0,00100 97,9400 0,00100 0,05560 0,00010 0,00000 2 0,00700 0,00100 97,8000 0,00100 0,05540 0,00010 0,00000 3 0,00800 0,00100 97,8800 0,00100 0,05640 0,00010 0,00000 0,00767 0,00100 97,8733 0,00100 0,05580 0,00010 0,00000 Promedio ( )
Observando los resultados promedio obtenidos de la composición química de la aleación, se realizó un análisis comparativo para determinar si dichos valores son admitidos por los establecidos por la Aluminum Association (A.A). De esta forma se logra aprobar el material adquirido, debido a que absolutamente todos los elementos químicos de la aleación, se encuentran dentro de los parámetros fijados por la
Capítulo 4: Resultados y Análisis 77
Aluminum Association y de igual forma avalados por la norma venezolana COVENIN 1281-80
A continuación se presentan los valores establecidos tanto por la Aluminum Association, como por la norma venezolana; los cuales respaldan y avalan la calidad y composición química de la aleación adquirida:
Tabla 4.2 Comparación de los resultados obtenidos, con los parámetros de composición química de la aleación de aluminio AA-6061 fijados por la Aluminum Association.
Establecido por la Promedio de la muestra Elemento Aluminum Association (%) analizada (%)
Silicio (Si) Entre 0,40 y 0,80 0,62 Hierro (Fe) Máximo 0,70 0,27 Cobre (Cu) Entre 0,15 y 0,40 0,30 Manganeso (Mn) Máximo 0,15 0,00 Magnesio (Mg) Entre 0,80 y 1,20 0,84 Cromo (Cr) Entre 0,04 y 0,35 0,06 Zinc (Zn) Máximo 0,25 0,00 Titanio (Ti) Máximo 0,15 0,01 Aluminio(Al) El resto del porcentaje 97,87 Máximo 0,05 cada uno; para Otros 0,02 un total de máximo 0,15
Es importante destacar el hecho de que un elemento químico clave como lo es el Magnesio (Mg), se encuentra muy cerca del límite mínimo establecido, lo cual no implica que deje de ser aceptable, pero incidirá directamente en una disminución pequeña, pero sensible, en la capacidad de protección de la aleación a ambientes corrosivos.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 78 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Los componentes principales de estas aleaciones, luego del aluminio, son el Magnesio (Mg) y el Silicio (Si). Dichos elementos suelen combinarse y formar un compuesto químico denominado Siliciuro de Magnesio; el cual, a una proporción de equilibrio adecuada, le suministra a la aleación mejoras en su resistencia a la corrosión intergranular y resistencia mecánica, sin pérdidas de maquinabilidad y soldabilidad. Del mismo modo, se puede indicar que la proporción recomendada es de Mg/Si = 1,73 (Key to Metals Nonferrous) y la obtenida con el estudio de la muestra es de Mg/Si = 1,35. Sin embargo, esta proporción recomendada es generalmente imposible de alcanzar con tolerancias de operación comunes, es por ello, que suele presentarse en dichas aleaciones un exceso de Magnesio (Mg) o Silicio (Si) que altera el equilibrio propuesto.
4.2 TRATAMIENTO TÉRMICO.
En cuanto al proceso de tratamiento térmico, se obtuvieron las gráficas de la temperatura vs tiempo, tomadas por el termopar mostrado en la sección 3.4, durante el envejecimiento de ocho horas y el de diez horas
A partir de las figuras 4.1 y 4.2 se puede observar que el control de temperatura del horno es confiable, ya que mantiene una temperatura uniforme a lo largo del tiempo a pesar de las pequeñas variaciones existentes.
Adicionalmente se puede observar, que la temperatura registrada durante el proceso de envejecimiento para ambos períodos es de 181 °C, la cual no corresponde con la temperatura registrada indicada (177 °C) por el termopar del horno utilizado
Capítulo 4: Resultados y Análisis 79
5:35:00, 181°C 13:35:00, 181°C
Figura 4.1 Gráfico de las temperaturas obtenidas por el termopar para el envejecimiento por 8 horas .
5:35:00, 181°C 15:35:00, 181°C
Figura 4.2 Gráfico de las temperaturas obtenidas por el termopar para el envejecimiento por 10 horas.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 80 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Figura 4.3 Valores expresados por ambos termopares en el transcurso del envejecimiento.
La razón de la diferencia de temperatura se debe a ciertos factores, que aunados dan como resultado esta diferencia de 3 °C en la lectura obtenida por ambos termopares.
Uno de estos factores es el error inherente máximo permitido de los termopares. Ambos termopares son del Tipo K y según la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) responsable por el estándar de precisión de termopares (IEC 584-
2), este valor es de ± 1,5 °C.
Por lo tanto, cada termopar puede tener su propio error inherente y dependiendo de este valor las lecturas se dispersaran más del valor real.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 81
Figura 4.4 Disposición de los termopares dentro del horno (Izquierda: Termopar Digital, Derecha: Termopar del Horno)
4.3 METALOGRAFÍA.
Luego de llevar a cabo el estudio metalográfico, se obtuvieron una serie de fotomicrografías las cuales fueron filtradas y editadas. Se recortaron los bordes de las fotos, ya que el mejor punto de enfoque de la cámara es el punto central. Además se añadió una referencia de longitud en milímetros para cada ampliación a partir de un patrón calibrado. Los resultados se muestran en las tablas 4.3 y 4.4
Estos resultados fueron comparados con las fotomicrografías mostradas en el Metals Handbook Vol. 7, (Imágenes N° 2050, 2051, 2052, 2091, 2196, 2197) pudiéndose verificar que existe una gran similitud. Tomando como base esta referencia, se puede identificar las partículas distribuidas sobre la matriz de Aluminio. Las partículas de color gris pueden corresponder a diversos compuestos formados por combinaciones de elementos como hierro, silicio y cobre. Las de color negro corresponden al compuesto de siliciuro de magnesio (Mg 2Si). Es debido a este último
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 82 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
compuesto, que la aleación puede modificar sus propiedades mecánicas a través del tratamiento térmico de envejecimiento.
Tabla 4.3 Fotomicrografías de las muestras tomadas a una ampliación de 1000X. Condición: Original Condición: Solubilizada
Condición: Envejecida a 177 °C Condición : Envejecida a 177 °C por 8 horas por 10 horas
Capítulo 4: Resultados y Análisis 83
Tabla 4.4 Fotomicrografías de las muestras tomadas a una ampliación de 400X Condición: Original Condición: Solubilizada
Condición: Envejecida a 177°C Condición: Envejecida a 177°C por 10 por 8 horas horas
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 84 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
4.4 ENSAYO DE DUREZA.
Con la finalidad de poder establecer entre todas las etapas del tratamiento térmico, una comparación relativa de la resistencia del material a una deformación plástica localizada, se realizaron una serie de ensayos de dureza Rockwell en la escala A, con una cantidad de cinco indentaciones por pieza de estudio. A continuación se presentan los resultados obtenidos en las mediciones, junto con un cálculo promedio de dichos valores:
Tabla 4.5 Resultados obtenidos de las mediciones de dureza. N° Indentación Original [HRA] Solubilizadas [HRA] 8 horas [HRA] 10 horas [HRA] 1 39,3 21,1 36,4 38,2 2 35,6 20,9 42,8 39,1 3 38,8 18,3 38,9 39,1 4 36,9 20,2 43,1 38,6 5 41,2 19,6 37 37,3
Promedio ( ) 38,36 20,02 39,64 38,46 Desviación 2,17 1,13 3,16 0,75 Estándar ( )
Con los resultados obtenidos, se puede observar que entre las cuatro condiciones estudiadas, el valor más bajo de dureza se obtiene cuando el material es solubilizado y no se le aplica la etapa de envejecimiento artificial.
Se puede confirmar el hecho de que al aplicarle un envejecimiento artificial al material (cualquiera de los dos periodos), el mismo incrementa considerablemente su nivel de dureza con respecto al estado solubilizado. También es de notar que la variación de la propiedad de dureza entre el envejecimiento durante un período de ocho horas y el envejecimiento durante diez horas no es muy considerable.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 85
Adicionalmente, al comparar el resultado de dureza en la condición original del material adquirido para esta investigación, se puede presenciar una gran similitud con respecto a la dureza de los materiales envejecidos. Dicha coincidencia sugiere el hecho de que el material original ha sido adquirido con un tratamiento térmico previo que modificó sus propiedades mecánicas. Esta aseveración es posible demostrarla basándose en la base de datos de la Aluminum Association (A.A) , la cual establece que el valor aproximado de la propiedad de dureza Brinell (carga 500kg y penetrador bola 10mm) para la aleación de aluminio AA-6061-O (en condiciones de recocido, aplicado para reducir sus propiedades mecánicas a sus límites iniciales) debe ser de 30; y realizando la conversión pertinente del valor promedio obtenido para la condición original del material adquirido, se obtiene un valor para la dureza Brinell (carga 500kg y penetrador bola 10mm) de 90. Dicha diferencia de 60 unidades entre las durezas Brinell es la base que sustenta la aseveración realizada.
4.5 ENSAYO DE TRACCIÓN.
Se realizaron un total de diez ensayos de tracción, cinco por cada condición de envejecimiento artificial. En el mismo, cada probeta ensayada suministró una serie de puntos, que permitieron construir su gráfica “Carga-Alargamiento” respectiva, como la que se presenta en la figura 4.5.
Se puede observar que las curvas “Carga-Alargamiento” obtenidas inicialmente poseen una irregularidad en la parte inicial de las mismas, ya que teóricamente las curvas de los metales sometidos a tracción, presentan inicialmente una zona recta elástica característica.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 86 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000 Fuerza[N] 2000
1000
0 0 2 4 6 8 10 Alargamiento [mm] Figura 4.5 Curva “Carga-Alargamiento” obtenida de un ensayo a tracción.
Estos puntos irregulares, se deben a una fase de ajuste y deslizamiento inicial entre la probeta y las mordazas de la máquina. Es por ello, que dichas curvas “Carga- Alargamiento” fueron sometidas a una etapa de corrección en la parte inicial de la zona elástica del material, la cual se realizó proyectando la recta de la zona elástica hasta su intersección con el eje de las abscisas, para luego desplazar el origen de las abscisas hasta dicho punto. A continuación se presenta la gráfica representativa de la solución:
Capítulo 4: Resultados y Análisis 87
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
Fuerza[N] 2000
1000
0 0 2 4 6 8 10 Alargamiento [mm]
9000
8000 7000 6000 5000
4000
Fuerza[N] 3000 2000 1000 0
0 2 4 6 8 10 Alargamiento [mm] Figura 4.6 Gráfica “Carga-Alargamiento” corregida.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 88 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Una vez obtenidas las gráficas “Carga-Alargamiento” corregidas, se procedió a construir las curvas “Esfuerzo-Deformación” de cada una de las probetas ensayadas. A continuación se presenta en la figura 4.7 el resultado final obtenido con una de las probetas ensayadas a tracción:
300
250
200
150
Esfuerzo [MPa] Esfuerzo 100
50
0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Deformacion Unitaria [mm/mm]
Figura 4.7 Gráfica “Esfuerzo-Deformación” obtenida a partir de la curva “Carga-Alargamiento” corregida.
Luego de haber concluido el proceso de graficar hasta obtener la curva
“Esfuerzo-Deformación”, se procedió a determinar el valor de esfuerzo máximo (σu), esfuerzo de fluencia (σy) y porcentaje de alargamiento (% e).
El esfuerzo de fluencia (σy) se obtuvo por medio del uso del Método Offset. A continuación se presenta una ilustración del método aplicado:
Capítulo 4: Resultados y Análisis 89
350
300
250
200
238 Esfuerzo 150
Esfuerzo [MPa] Esfuerzo Recta Offset 237
100 236
50 235 0,075 0,076 0,077 0,078 0,079 0,08 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Deformacion Unitaria [mm/mm]
Figura 4.8 Determinación del esfuerzo de fluencia mediante el método offset.
El Porcentaje de Alargamiento (% e) se obtuvo aplicando la ecuación 2.3 a los resultados obtenidos de longitud final e inicial de la zona calibrada para cada probeta ensayada.
En la tabla 4.6 se presentan las propiedades mecánicas determinadas, con la información suministrada por las probetas ensayadas:
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 90 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 4.6 Resultado de las propiedades mecánicas obtenidas de los ensayos de tracción.
Probetas envejecidas durante 8 horas. Desviación N° Probeta 1 2 3 4 5 Promedio Estándar
σu [MPa] 265,32 310,24 322,89 324,22 297,92 304,12 24,17
σy [MPa] 236,9 267,3 279,5 278,7 250,8 262,64 18,48 % e 26,2 22,4 26,2 23 24 24,36 1,77 Probetas envejecidas durante 10 horas. Desviación N° Probeta 1 2 3 4 5 Promedio Estándar σu [MPa] 320,8 273,73 289,08 315,29 302,02 300,19 19,23
σy [MPa] 295,4 251,8 265 279,6 272,2 272,8 16,27 % e 18,2 22,4 22,2 24,8 22 21,92 2,37
Al envejecer artificialmente la aleación de aluminio AA-6061 por un período de ocho horas a 177°C, se obtuvo un esfuerzo de fluencia promedio de 262,64 MPa con un esfuerzo máximo de 304,12 MPa y un porcentaje de alargamiento promedio de 24,36 %. De manera similar, al envejecer la aleación por un período de diez horas se obtuvo un esfuerzo de fluencia promedio de 272,80 MPa con un esfuerzo máximo de 300,19 MPa y un porcentaje de alargamiento promedio de 21,92 %.
Dichos resultados, y en especial el esfuerzo de fluencia, resultan prácticos de forma referencial para tomar un punto de partida en el estudio del fenómeno de fatiga, ya que representa el esfuerzo máximo al cual puede estar sometido las probetas en un ensayo de fatiga por flexión rotativa.
Se logra evidenciar con gran claridad que el envejecimiento artificial modifica considerablemente las propiedades mecánicas estudiadas. Dicha aseveración se logra comparando los valores obtenidos en el estudio, con los proporcionados por la
Capítulo 4: Resultados y Análisis 91
Aluminum Association, en la cual, por ejemplo, se muestra que el valor del esfuerzo de fluencia para la aleación de aluminio AA-6061-O es de 55,2 MPa, lo cual representa un incremento de 207,44 MPa cuando la misma es envejecida a 177°C durante ocho horas, y un incremento de 217,60 MPa cuando la aleación es envejecida por un período de diez horas.
4.6 ACABADO SUPERFICIAL.
Se aplicó un proceso de desbaste y acabado a la totalidad de las muestras destinadas a los ensayos de fatiga, con la finalidad de controlar al máximo posible otra de las numerosas variables que intervenían en dichos ensayos, y de esta forma mitigar otro posible factor de incertidumbre en los resultados obtenidos.
Luego de que la totalidad de las probetas destinadas a fatiga fueron sometidas al proceso de desbaste y acabado, se seleccionó aleatoriamente un total de 20 probetas entre las distintas muestras de fatiga, para realizar una cantidad de tres mediciones por probeta de su valor de rugosidad medio aritmético (Ra).
A continuación se presentan los resultados obtenidos en las mediciones, junto con un cálculo promedio de dichos valores:
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 92 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 4.7 Resultados obtenidos de las mediciones de rugosidad superficial. Ra1 Ra2 Ra3 RaProm N° Probeta ( m) ( m) ( m) ( m) 1 0,57 0,50 0,52 0,53 2 0,49 0,58 0,56 0,54 3 0,45 0,53 0,48 0,49 4 0,53 0,51 0,55 0,53 5 0,46 0,44 0,50 0,47 6 0,50 0,45 0,44 0,46 7 0,43 0,35 0,46 0,41 8 0,38 0,49 0,45 0,44 9 0,47 0,53 0,43 0,48 10 0,41 0,35 0,52 0,43 11 0,40 0,58 0,52 0,50 12 0,68 0,66 0,41 0,58 13 0,52 0,62 0,54 0,56 14 0,64 0,59 0,57 0,60 15 0,49 0,60 0,45 0,51 16 0,56 0,58 0,61 0,58 17 0,60 0,56 0,66 0,61 18 0,46 0,49 0,53 0,49 19 0,55 0,52 0,48 0,52 20 0,50 0,55 0,52 0,52
Promedio Global ( ) = 0,51 Desviación estándar ( ) = 0,06
Con los resultados obtenidos, se puede observar claramente que las mediciones realizadas a las probetas de fatiga, presentan una baja desviación
Capítulo 4: Resultados y Análisis 93
estándar. Este hecho representa un punto a favor en el proceso de controlar la influencia de la rugosidad superficial en los ensayos de fatiga.
Con la finalidad de incrementar la confiabilidad de dichos resultados, se estableció un intervalo de confianza estadístico, el cual requería que los datos de la rugosidad promedio por probeta siguieran una distribución normal, esto se comprobó, de forma exitosa, mediante la realización de la prueba de Kolmogorov-Smirnov (Ver Anexo C). El intervalo de confianza se puede calcular de la siguiente forma:
− . < < + . (3.4)
Donde k es un valor que depende del nivel de confiabilidad deseado. Para garantizar un 99% de confiabilidad (γ= 0,01) de que un 95% (1-α) de las probetas ensayadas posee un valor de rugosidad dentro del intervalo calculado, el valor de k es igual a 3,168 (Ver Anexo D) A continuación se presenta el resultado del cálculo de dicho intervalo:
0,33 < Ra < 0,69
Todo esto representó el mayor nivel de confiabilidad que se pudo alcanzar para garantizar el control de dicha variable.
4.7 ENSAYO A FATIGA.
Una vez estudiados y analizados los factores (resistencia a la tracción, dureza y acabado superficial) que intervienen en el fenómeno de la fatiga, se procede a estudiar el comportamiento del material bajo esta condición.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 94 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 4.8 Resultados de los ensayos de Fatiga. Esfuerzo Esfuerzo Ciclos de Ciclos de %σy %σy [Mpa] Falla [Mpa] Falla 44.800 21.700 44.400 43.200 90 % 238,15 90 % 247,14 54.200 25.400 72.600 43.100 84.000 77.400 97.500 137.200 80 % 211,19 80 % 215,69 112.000 88.800 131.000 143.200 136.600 259.100 232.300 155.700 70 % 184,23 70 % 188,73 176.100 196.900 278.000 229.900 787.900 254.500 8 Horas 8Horas 751.000 10Horas 359.100 65 % 170,75 428.600 65 % 175,24 438.500 419.200 171.600 764.700 334.200 1.129.300 990.900
Probetas envejecidas en un periodo de periodode enun Probetasenvejecidas 1.358.300 periodode enun Probetasenvejecidas 362.300 1.201.700 461.600 60 % 157,27 60 % 161,76 456.000 558.100 770.800 567.600 848800 541.800 1.600.100 1.600.200 50 % 139,30 1.627.100 50 % 134,80 1.660.700 1.600.800 1.600.200
De los resultados obtenidos, mostrados en la tabla 4.8 se puede observar que mientras mayor es el esfuerzo aplicado, menor es la dispersión en los resultados
Capítulo 4: Resultados y Análisis 95
obtenidos de los ciclos de falla. Esto se puede comprobar mediante el cálculo de la desviación estándar de los ciclos de falla por cada nivel de esfuerzo, y es por esta razón que se ensayaron una mayor cantidad de probetas a bajos esfuerzos. Los resultados usados para dicha comprobación se muestran en la tabla 4.9.
Tabla 4.9 Desviación estándar de los ciclos de falla por cada nivel de esfuerzo aplicado.
Probetas Envejecidas a Probetas Envejecidas a 177 °C por 8 Horas 177 °C por 10 Horas Desviación Desviación %σ %σ y Estándar y Estándar 90 % 13.201,01 90 % 11.416,50 80 % 20.142,71 80 % 33.383,57 70 % 62.144,48 70 % 44.445,77 65 % 208.905,00 65 % 102.140,86 60 % 331.028,20 60 % 215.565,48
Una de las explicaciones a este comportamiento, se debe principalmente a que a bajos esfuerzos, los múltiples factores que afectan a la resistencia a la fatiga, tienen una mayor influencia que para altos esfuerzos.
En la figura 4.9 se puede observar por cada nivel de esfuerzo los puntos que representan el número de ciclos a la cual falló cada probeta, con excepción del nivel de esfuerzo más bajo, el cual representa sólo los ciclos a los que se consideró como límite en esta investigación.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 96 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
280
260
240 Envejecida 220 10h
200 Envejecida 8h Esfuerzo [MPa] Esfuerzo 180
160
140
120 0,00E+00 2,50E+05 5,00E+05 7,50E+05 1,00E+06 1,25E+06 1,50E+06 1,75E+06 Número de ciclos
Figura 4.9 Gráfica de los ensayos de fatiga a las probetas envejecidas a 177 °C durante 8 y 10 horas.
Para la obtención de la curva que mejor se ajustaba a los puntos graficados, se utilizó un modelo potencial, el cual tiene su base en la ecuación de Basquin (1910). Las ecuaciones resultantes fueron las siguientes:
, Curva de ocho horas: σ = 1010,9. = 0,9226
−0,149 Curva de diez horas: σ = 1159,9. 2 = 0.9389
Estas ecuaciones fueron calculadas mediante el programa Microsoft Excel 2007. Las mismas fueron linealizadas por medio de una transformación logarítmica.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 97
Una vez transformadas se graficaron en un sistema bilogarítmico obteniéndose el siguiente gráfico:
Figura 4.10 Gráfica linealizada de los ensayos de fatiga a las probetas envejecidas a 177 °C durante 8 y 10 horas.
Analizando las figuras 4.9 y 4.10 se puede deducir que para altos esfuerzos, el comportamiento de las muestras envejecidas durante ocho horas y diez horas es muy similar. Mientras que a bajos esfuerzos se puede observar como ambas curvas de tendencia presentan cierta divergencia, aunque este hecho no representa una variación significativa, debido a la dispersión propia de los ensayos de fatiga.
Adicionalmente y en conjunto con otros grupos de investigación, se realizaron ensayos de fatiga por flexión rotativa a probetas solubilizadas. Los resultados obtenidos en dichos ensayos se presentan en la tabla 4.10:
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 98 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 4.10 Resultados en conjunto de los ensayos de fatiga a probetas en estado de solubilización. Esfuerzo Número de Ciclos [Mpa] 1.657.100 847.800 103,2 1.602.300 1.510.200 103,38 1.505.000 936.200 1.534.200 109,65 1.546.700 769.300 845.400 112,37 812.900 1.264.300 355.000 116,8 1.348.600 363.200 347.000 206.000 121,32 125.200 447.500 336.600 345.700 125,85 458.700 129 187.700 310.200 130 365.300
Nota: Los datos resaltados fueron los obtenidos en esta investigación.
A continuación se muestra la gráfica de Esfuerzo vs. Número de ciclos obtenida a partir de dichos datos.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 99
135
130
125
120
115 Esfuerzo [MPa] Esfuerzo
110
105
100 0 500.000 1.000.000 1.500.000 Número de ciclos Figura 4.11 Gráfica de los ensayos de fatiga a las probetas solubilizadas.
Al igual que para las curvas anteriores, se utilizó un modelo potencial basado en el modelo de Basquin, obteniéndose la siguiente ecuación:
−0,083 Curva Solubilizada: σ = 349,02.
= 0,6502
Se puede observar que el valor del factor de la correlación se encuentra más alejado de la unidad, en comparación a los gráficos obtenidos para las condiciones de envejecimiento. Uno de los factores que influyen, es la temperatura a la cual se encuentra la probeta, ya que de esto depende, que a medida que pase el tiempo las
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 100 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
propiedades mecánicas del material varíen debido a un envejecimiento natural. (Ver figura 2.24). Es probable que este factor no se haya controlado de igual forma en todos los grupos de investigación, trayendo como consecuencia la dispersión presente en los resultados obtenidos. También se encuentra el factor de la rugosidad superficial de cada grupo, el cual también influye en la dispersión de dichos resultados.
Adicionalmente y de manera comparativa, se utilizaron los resultados de un trabajo de grado previo ( Diaz, D. et al., 2007 ) los cuales fueron obtenidos para dos muestras envejecidas por períodos de una hora y tres horas. Los mismos se presentan en la tabla 4.11.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 101
Tabla 4.11 Datos de los ensayos de Fatiga envejecidos durante 1 y 3 horas. (Fuente: Tesis consultada).
Número de Número de Esfuerzo [MPa] Esfuerzo [MPa] ciclos de falla ciclos de falla 110,79 2.234.800 129,12 2.030.500 1.938.700 1.982.900 111,84 2.154.100 2.136.400 130,35 2.060.400 2.257.800 112,37 2.114.700 1.917.100 119,09 759.700 835.500 138,68 120,22 999.500 1.061.500 1.634.200 769.200 121,36 839.300 140,00 855.300 1.187.300 1.213.400 124,67 980.700 147,63 694.000 752.300 483.500 125,26 148,32 930.500 723.700
126,45 895.100 795.100 149,03 1.050.400 852.400
789.400 150,67 644.700 1Hora.
127,91 3Horas. 571.300 151,38 649.500 128,52 954.800 152,10 594.600 129,12 807.000 441.200 130,35 715.800 153,54 530.300 132,95 580.900 405.900
Probetas envejecidas en un periodo de periodode enun Probetasenvejecidas 529.600 periodode enun Probetasenvejecidas 354.800 134,21 631.600 157,31 375.900 450.500 397.600 135,48 452.800 158,81 286.000 352.500 263.200 139,34 400.700 165,52 287.100 140,00 495.700 307.800 368.800 273.700 166,30 142,68 425.600 303.000
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 102 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Graficando dichos datos se obtiene:
170
160 Envejecidas Durante 1H 150
140
130
[MPa] Esfuerzo Envejecidas 120 durante 3H
110
100 0,00E+00 5,00E+05 1,00E+06 1,50E+06 2,00E+06 2,50E+06 Número de ciclos Figura 4.12 Gráfica de los ensayos de fatiga a las probetas envejecidas a 1 y 3 horas.
Las ecuaciones obtenidas fueron las siguientes:
, Curva 1 Hora: σ = 720,28.
= 0,8921
−0,116 Curva 3 Horas: = 702,66. σ
= 0,94
Capítulo 4: Resultados y Análisis 103
Finalmente se presenta un gráfico comparativo de todas las condiciones presentadas anteriormente.
300 Envejecida 10h
Envejecida 8h 250
Solubilizada
200
Envejecida 1H Esfuerzo [MPa] Esfuerzo
150 Envejecida 3H
100 0,00E+00 5,00E+05 1,00E+06 1,50E+06 2,00E+06 2,50E+06
Número de ciclos Figura 4.13 Gráfica comparativa de los resultados obtenidos en las condiciones anteriores.
Como se puede observar en la figura 4.13, existe una notable diferencia en cuanto a la resistencia a la fatiga para la condición de solubilización con respecto a las demás condiciones.
Asimismo, es posible notar una variación no proporcional de la resistencia a la fatiga, con respecto al tiempo de exposición durante el tratamiento de envejecimiento. Dicha variación se aprecia significativamente entre las resistencias a la fatiga obtenidas para los períodos de envejecimiento de una y tres horas; en contraste a los resultados obtenidos a períodos de ocho y diez horas, donde a pesar de existir el
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 104 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
mismo intervalo de dos horas entre ambas condiciones de envejecimiento, no se aprecia una diferencia tan marcada entre ellas.
4.8 FRACTOGRAFÍA.
Por último, se procedió a realizar un estudio de fractografía con la intención de analizar la proporción del modo de falla (dúctil o frágil) para altas y bajas cargas de fatiga, y la identificación de marcas características (dimples y facetas de clivajes) por cada modo de falla.
En este orden de ideas se presentan los resultados obtenidos a nivel macro, donde se obtuvo la proporción de zonas opacas y brillantes que se apreciaron tanto para altas, como bajas cargas.
Para el análisis de las zonas opacas y brillantes se utilizó el programa Autocad 2008, en el cual se limitaron las zonas mediante dos trazados diferentes. El programa es capaz de suministrar el área de cada trazado y así obtener de forma precisa los porcentajes de la zona brillante (trazada con puntos) y de la zona opaca (trazada con líneas)
En la tabla 4.12 se presentan los resultados de dicho análisis. En la misma se puede destacar que para altos esfuerzos la zona brillante es la predominante, a diferencia de la zona opaca que se presenta en mayor proporción a bajos esfuerzos.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 105
Tabla 4.12 Análisis de las zonas opacas y brillantes de las probetas sometidas al ensayo de fatiga.
Zona brillante : 37,63% Condición: Solubilización, bajo esfuerzo Zona opaca: 62,37%
Zona brillante : 81,18% Condición: 8 Horas %σy: 90% Zona opaca: 18,81%
Zona brillante : 33,90% Condición: 8 Horas %σy: 60% Zona opaca: 66,09%
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 106 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Tabla 4.12 Continuación.
Zona brillante : 87,02% Condición: 10 Horas %σy: 90% Zona opaca: 12,97%
Zona brillante : 37,65% Condición: 10 Horas %σy: 60% Zona opaca: 62,34%
Una vez estudiada la proporción de cada zona, se procedió a estudiar a nivel micro dichas zonas, con la finalidad de determinar el modo de falla (frágil o dúctil) de las mismas. A continuación se presentan las fotomicrografías de las probetas estudiadas:
Capítulo 4: Resultados y Análisis 107
Figura 4.14 Fotomicrografía de la zona opaca de una probeta envejecida durante 8 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 150X
Dimples
Figura 4.15 Fotomicrografía de la zona opaca de una probeta envejecida durante 10 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 1000X
En las figuras 4.14 y 4.15 se muestran las marcas características de la fractura dúctil, llamadas dimples u hoyuelos. Es importante hacer notar que aunque las fotomicrografías fueron tomadas a muestras con períodos de envejecimientos diferentes, las marcas características son las mismas. Esto ocurre tanto para períodos diferentes de envejecimiento como para muestras sometidas a esfuerzos diferentes, ya
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 108 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
que lo que cambia entre condiciones es la proporción de las zonas de fractura (Ver tabla 4.12)
Escalones de Clivaje
Figura 4.16 Fotomicrografía de la zona brillante de una probeta envejecida durante 8 horas sometida a bajos esfuerzos con un aumento de 500X
Ríos de Clivaje
Figura 4.17 Fotomicrografía de la zona brillante de una probeta envejecida durante 10 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 1000X
De forma análoga, en las figuras 4.16 y 4.17 se presentan las fotomicrografías de las zonas brillantes, en las cuales se puede observar una serie de facetas de clivaje,
Capítulo 4: Resultados y Análisis 109
con sus respectivos ríos y escalones de clivaje, todas estas, características de un tipo de fractura frágil.
Relacionando los resultados obtenidos a nivel macro, con los obtenidos a nivel micro, se logra establecer que para altos esfuerzos la zona frágil es el modo de falla predominante, a diferencia de la zona dúctil que se presenta en mayor proporción a bajos esfuerzos. Todo esto se debe a que a medida que se desarrolla el ensayo de fatiga, se genera una grieta en la superficie de la probeta que se va propagando hacia el interior de la misma. Este hecho trae como consecuencia, una disminución del área efectiva que resiste los esfuerzos a los cuales está siendo sometido el material, la cual a su vez va ocasionando un aumento gradual del esfuerzo al cual se somete la probeta, hasta llegar el momento en que el mismo supera la resistencia última del material. Todo lo explicado anteriormente saca a relucir que la aplicación de una mayor carga, produce un área efectiva mayor al momento de la ruptura. Debido a que la zona frágil está íntimamente ligada a la ruptura final del material, dicha zona será mayor a medida que la carga aplicada también lo sea.
Figura 4.18 Fotomicrografía de la zona de transición entre ambos tipos de fractura de una probeta envejecida durante 10 horas sometida a bajos esfuerzos con un aumento de 500X
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 110 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
Una de las principales características de las superficies de fractura de componentes sometidos a esfuerzos cíclicos, y de manera notoria a bajos esfuerzos, es la presencia de ambos modos de falla, tanto dúctil como frágil en una misma superficie. En la figura 4.18 se aprecia con claridad la zona de transición entre ambos modos de falla, y a su vez se logra visualizar la diferencia entre ambos modos.
Figura 4.19 Fotomicrografía de marcas de playa de una probeta solubilizada con un aumento de 500X
Igualmente, otra de las marcas características de la fractura por fatiga es la presencia de las marcas de playa, las cuales se pueden visualizar en la figura 4.19. Estas marcas de playa indican la dirección de propagación de la fractura, y la distancia entre cada escalón está íntimamente relacionado con la amplitud del esfuerzo aplicado.
Capítulo 4: Resultados y Análisis 111
Figura 4.20 Fotom icrografía de una porosidad en una probeta envejecida durante 10 horas sometida a altos esfuerzos con un aumento de 350X
En ciertos casos el material puede presentar defectos asociados al vaciado de las coladas al momento de procesarlo antes de su venta . En la figura 4.20 se logra observar la presencia de una porosidad que abarca prácticamente la totalidad de dicha fotomicrografía. Dicha porosidad es probable que haya podido ocasion ar que se acelerara el mecanismo de fractura. Si se o bserva en detalle la porosidad , se puede observar que la mitad superior presenta hoyuel os o dimples y la parte inferior presenta facetas de clivaje. Esto pone en evidencia el hecho de que el material ya traía ese defecto, ya que si se hubiera generado por los esfuerzos a los cuales estaba sometido el material, la fractura tendría que haber s ido de tipo frágil y la totalidad de la porosidad hubiera presentado facetas de clivajes.
Finalmente , se puede establecer una relación entre las condiciones estudiadas y sus propiedades. La aleación de aluminio AA -6061 envejecida a ocho horas no presentó u na diferencia significativa en sus propiedades, c on respecto a la envejecida a diez horas. Dicha aseveraci ón se pone en evidencia al comparar los resultados
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 112 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
obtenidos tanto a escala microscópica (Análisis metalográfico y fractografía), como en sus propiedades mecánicas (dureza, resistencia a la fluencia y resistencia a la fatiga).
Con respecto a la condición solubilizada del |material, se logra observar una diferencia apreciable en la microestructura de la misma, con respecto a las condiciones de envejecimiento de ocho y diez horas. Asimismo, se detecta un incremento considerable de las propiedades mecánicas de la aleación, cuando el material solubilizado es envejecido artificialmente.
Por otra parte, con el material en condiciones originales, se realizó un análisis con la finalidad de solo caracterizar el material. En el mismo se pudo determinar que tanto a nivel metalográfico como en el estudio de dureza, la aleación adquirida presentó características similares a las obtenidas con los tratamientos térmicos de envejecimiento artificial realizados, lo cual permite inferir que dicha aleación pudo haber sido sometida a un envejecimiento artificial previo. Cabe destacar que este hallazgo no influyó en los tratamientos térmicos aplicados a las probetas utilizadas en el estudio.
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
En este capítulo se presentan las conclusiones derivadas de los resultados obtenidos a lo largo de este trabajo de investigación, haciendo hincapié en los aspectos relacionados con los objetivos planteados.
Evaluación de la resistencia a la fatiga de la aleación de aluminio AA-6061 tratada térmicamente 114 mediante un proceso de envejecimiento artificial con períodos de 8 y 10 horas.
1. La curva de tendencia para la resistencia a la fatiga de las probetas envejecidas durante diez horas, presenta una leve disminución con respecto a la de las probetas envejecidas durante ocho horas. Dicha diferencia no representa una magnitud considerable para establecer un comportamiento irreversible, ya que los resultados obtenidos en los ensayos de fatiga entre una condición y otra resultan ser muy similares.
2. A nivel metalográfico, las probetas envejecidas artificialmente por períodos de ocho y diez horas presentaron cierta similitud en la presencia y distribución
de partículas de siliciuro de magnesio (Mg 2Si), en concordancia con sus propiedades mecánicas.
3. Con respecto al nivel de esfuerzo aplicado durante el ensayo de fatiga, se reflejó una variación de la proporción del modo de falla (dúctil o frágil). A bajos esfuerzos se presenta una mayor proporción de la zona de fractura dúctil (alrededor del 60% de la superficie). Sin embargo, a medida que se aumenta el esfuerzo, se revierte la proporción hasta alcanzar un modo de falla frágil predominante en la superficie de fractura (alrededor del 80%).
4. La dispersión de los ciclos de falla obtenidos a bajos esfuerzos en los ensayos de fatiga, es mucho mayor que la presentada para altos esfuerzos aplicados.
5. La aleación de aluminio AA-6061, envejecida artificialmente durante ocho y diez horas, presentó un incremento en las propiedades mecánicas estudiadas respecto a la condición de solubilización. De manera análoga se observó al comparar con envejecimientos de una y tres horas, lo cual deja de manifiesto, que la condición de solubilización, es el punto de partida para el aumento de las propiedades mecánicas analizadas, en un tratamiento de envejecimiento artificial.
RECOMENDACIONES
116
• Realizar futuras investigaciones similares a la presente, pero con variaciones en los valores de los períodos de tiempo de exposición al envejecimiento artificial. Se sugiere incrementar los períodos de exposición al envejecimiento, para determinar si la resistencia a la fatiga del material se sigue incrementando, o por el contrario se revierte la tendencia.
• Controlar la realización del tratamiento térmico, haciendo énfasis en la certera aplicación de los valores de temperatura planteados, además de tener en cuenta el perfil térmico y la distribución de temperaturas en el interior del horno. Se sugiere la realización de un mantenimiento preventivo al termopar del horno, eliminando residuos de corrosión u otros factores que puedan causar desviaciones en las mediciones. También se debe evitar choques térmicos que reduzcan la vida útil del aislamiento del horno.
• Evitar la presencia de vibraciones en las probetas que sean ensayadas en la máquina de fatiga. Esto se logra procurando en la medida de lo posible una correcta alineación de la probeta con el eje de giro de la máquina y controlando la velocidad de ensayo.
• Controlar al máximo la rugosidad superficial de las probetas a ensayar por fatiga, con la finalidad de disminuir la dispersión en los resultados.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
118
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Anexos A
Ensayos de traccion
Anexos B
Planos de las probetas
Anexos C
Prueba de Normalidad
Un caso específico de ajuste a una distribución teórica es la correspondiente a la distribución normal. Este contraste se realiza para comprobar si se verifica la hipótesis de normalidad necesaria para que el resultado de algunos análisis sea fiable.
Para comprobar la hipótesis nula de que la muestra ha sido extraída de una población con distribución de probabilidad normal se puede realizar un estudio gráfico y/o analítico.
Uno de los estudios analíticos más utilizados es la prueba de Kolmogorov- Smirnov la cual se aplica para contrastar la hipótesis de normalidad de la población. El estadístico de prueba se define de la siguiente manera:
= , donde:
= ) − ) = − )
− 1 = )− ) = ) − La Función Fo(xi) corresponde a la función de distribucion normal y n corresponde al tamaño de la muestra.
Para verificar la normalidad de los datos se debe verificar que el valor de D calculado debe ser menor al tabulado (Dn), para cierto nivel de confiabilidad, dicho nivel se puede definir como %C= (1-α)*100
Tabla C.1 Distribución del estadístico de Kolmogorov-Smirnov para el contraste de normalidad.
Para el cálculo práctico de D se puede utilizar la función de distribución normal estándar Fn(z) . Adicionalmente, los valores de la muestra analizada deben estar ordenados de forma ascendente. A continuación se muestra el cálculo para el caso estudiado:
Tabla C.2. Cálculo del estadístico de prueba D Nº de datos Xi(ordenado) Fn(xi) z F(z) D+ D- 1 0,41 0,050 1,771 0,038 0,012 0,038 2 0,43 0,100 1,534 0,063 0,037 0,013 3 0,44 0,150 1,296 0,097 0,053 0,003 4 0,46 0,200 0,881 0,189 0,011 0,039 5 0,47 0,250 0,822 0,206 0,044 0,006 6 0,48 0,300 0,644 0,260 0,040 0,010 7 0,49 0,350 0,466 0,321 0,029 0,021 8 0,49 0,400 0,347 0,364 0,036 0,014 9 0,50 0,450 0,228 0,410 0,040 0,010 10 0,51 0,500 0,009 0,504 0,004 0,054 11 0,52 0,550 0,068 0,527 0,023 0,027 12 0,52 0,600 0,187 0,574 0,026 0,024 13 0,53 0,650 0,306 0,620 0,030 0,020 14 0,53 0,700 0,306 0,620 0,080 0,030 15 0,54 0,750 0,543 0,706 0,044 0,006 16 0,56 0,800 0,840 0,799 0,001 0,049 17 0,58 0,850 1,255 0,895 0,045 0,095 18 0,58 0,900 1,255 0,895 0,005 0,045 19 0,60 0,950 1,552 0,940 0,010 0,040 20 0,61 1,000 1,670 0,953 0,047 0,003 Max= 0,080 0,095 Dmax= 0,095
El valor del estadístico de prueba resultó igual a 0,095 el cual es menor a 0,192 correspondiente al valor tabulado para un tamaño de muestra de 20 probetas y una confiabilidad de 95% (ver tabla C.1), con lo cual queda demostrado la normalidad de la población estudiada.
Anexos D
Factores de tolerancia para distribuciones normales
Tabla D.1 Factores de Tolerancia para distribuciones normales (Eisenhart et al . 1947 )