REPORTE DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÒN 2006 Título REDISEÑO DE LA HERRAMIENTA KAFLEX PARA SUJECIÓN Y EXTRACCIÓN DE LA FLECHA MOTRIZ DE LA AERONAVE BELL HELICOPTER 407, Y FABRICACIÓN DEL PERNO SUJETADOR DE LA SEMI-ALA DE LA AERONAVE HELIO-CURIER CON MATERIAL DE FABRICACIÓN Y/O PRODUCCIÓN NACIONAL. Registro asignado por la SIP: 20060031 El proyecto se presenta a través de estudios separados, es decir a través de 2 sub-proyectos, que se indican a continuación en el índice. No Nombre del subproyecto Pp.

1 DETERMINACIÓN Y ANÁLISIS DEL MATERIAL DE FABRICACIÓN NACIONAL PARA LA HERRAMIENTA DE SUJECIÓN Y EXTRACCIÓN DE LA FLECHA MOTRIZ DE LA AERONAVE BELL HELICOPTER 407

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2. DETERMINACIÓN DEL MATERIAL DE FABRICACIÓN NACIONAL

PARA EL PERNO SUJETADOR DE LA SEMI-ALA DE LA AERONAVE HELIO-COURIER

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1. DETERMINACIÓN Y ANÁLISIS DEL MATERIAL DE FABRICACIÓN NACIONAL PARA LA HERRAMIENTA DE SUJECIÓN Y EXTRACCIÓN DE LA FLECHA MOTRIZ DE LA AERONAVE BELL HELICOPTER 407

Resumen –– En el presente trabajo se determinó el material de fabricación de la herramienta de sujeción y extracción de la flecha motriz (herramienta Kaflex) que presentó ruptura durante su operación dentro de las labores de mantenimiento del helicóptero Bell 407.

El tornillo compresor de la herramienta Kaflex se estudió por medio de un análisis metalográfico en la zona de fractura.

Éste reveló una microestructura granular ferrifica, correspondiente a la de un acero grado inoxidable, con una dureza de 190 HV. Las propiedades mecánicas del componente se determinaron por medio de la Mecánica de la Fractura Lineal Elástica.

Como resultado de una fractura tipo dúctil – frágil a tensión uniaxial, el esfuerzo a la cedencia del material fue de 500 MPa y el esfuerzo último a tensión de 682 MPa. Con estos datos se construyó la curva de resistencia residual de la herramienta, para establecer el tiempo de vida aproximado del componente, previo cálculo del número de ciclos de operación de dicha herramienta.

Con el propósito de corroborar los resultados obtenidos analíticamente, se simuló el colapso de la herramienta Kaflex

mediante el Método de Elemento Finito utilizando el software ANSYS.

Finalmente la microestructura y sus propiedades se compararon con micrografías existentes en la bibliografía [10], concluyendo que el material de fabricación de la herramienta Kaflex corresponde a la de un acero AISI Serie 4XX; que de acuerdo a la similitud de microestructura y propiedades mecánicas concuerda con el acero inoxidable AISI 430.

Palabras Clave – Acero, dúctil, fractura, frágil, herramienta, inoxidable, tensión.

Abstract –– In this project, the material for national manufacture of Kaflex tool, used in Bell 407 main rotor driveshaft extraction, was determined. This tool suffered fracture on service during the B407 maintenance labours.

The compressor screw of Kaflex tool was analyzed by metallographic process in the zone of fracture. The analysis

revealed a stainless ferritic steel microstructure. The hardness of the sample was valued in 190 HV. The mechanical properties were calculated by Linear Elastic Fracture Mechanics. As result of ductile – fragile fracture by

axial tension, the yield stress was calculated in 500 MPa and ultimate tensile stress in 682 MPa. With analytic data, residual strength curve was drawn, indicating an approach tool life time based in previous calculus of Kaflex operation cycles.

To verify analytic results, Kaflex tool collapse was simulated with Finite Element Method using ANSYS software. Finally microstructure and its properties were compared with normalized micrographies [10], concluding that Kaflex tool

manufacture material is AISI 4XX stainless steel. Agree with mechanical properties and microstructure, sample matches with AISI 430 stainless steel.

Keywords –– Ductil, fracture, fragile, stainless, steel tension, tool.

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I. INTRODUCCIÓN

Dentro del procedimiento de inspección de aeronaves de ala rotativa; es de extrema importancia la habilitación de la flecha motriz del rotor principal (Fig. 1). Para ello se necesita desmontar dicho elemento transmisor, y realizar las tareas indicadas en el manual del fabricante.

La problemática gira en torno a este inciso, a causa de que la herramienta de sujeción y extracción de la flecha motriz (herramienta Kaflex (Fig. 2.)) ha presentado ruptura durante su utilización en numerosas ocasiones aún y cuando ha sido manejada con el método y precauciones señalados.

Fig. 1 Esquema de la flecha motriz [1].

Fig. 2 Dibujo de la herramienta de extracción y sujeción Kaflex [2]. Esto representa pérdidas económicas para numerosas empresas aéreas, no solamente por el costo

de la herramienta sino por el tiempo invertido en reponerla, que es de incluso tres meses incluso directo del proveedor, y con ello finalizar el servicio que ofrecen.

El presente trabajo tiene por objetivo, determinar el material de fabricación de la herramienta

Kaflex por medio de un análisis metalográfico y del estudio de la falla por medio de la Mecánica de Fractura Lineal Elástica. La finalidad de ello es indicar la causa probable del colapso y definir una familia de materiales que sean adecuados para los esfuerzos de operación a los que la herramienta estará.

Para verificar los resultados del procedimiento experimental y analítico, la herramienta Kaflex se dibuja conforme a las especificaciones del Manual de Mantenimiento General del helicóptero Bell 407 y se analiza mediante el Método de Elemento Finito aplicando las cargas de servicio. Esto da como resultado la simulación de la fractura dentro del rango lineal elástico.

3

II. METODOLOGÍA 2.1 Análisis Metalográfico

El análisis metalográfico, es un estudio comparativo de la microestructura granular de la aleación,

teniendo como base fotografías de materiales normalizados. Sin embargo, la microestructura presente puede diferir debido a la deformación sufrida y a los

tratamientos térmicos y superficiales a las que el material fue sometido, así como del proceso de manufactura con el que fue confeccionado. Es por ello que al ser un método de apreciación, se requiere de experiencia en la materia, para así no realizar un diagnóstico erróneo.

El análisis metalográfico se realizó conforme a la metodología expuesta en la norma ASTM D 648, la cuál se describe a continuación.

Zona frágil

Zona dúctil

Fig. 3 Tornillo compresor en la zona de falla. Se aprecian las zonas de fragilidad y ductilidad en la fractura.

Primeramente se tomó una muestra de la herramienta, específicamente del tornillo compresor,

componente en el cual se presentó la fractura.

A continuación la muestra se montó en una cama de baquelita. Para esta operación se utilizó una prensa metalográfica Hydropress ®, a una temperatura de 150 ° C y una presión de 1800 psi, durante un tiempo de 10 minutos [3]. Una vez terminado este procedimiento, se prosigue a pulir la muestra para poder observarla en el microscopio.

Utilizando lijas tamaño Grit (320, 400, 600, 1200), se dejó un acabado terminal primario,

evitando la presencia de rayones y muescas. Al finalizar el lijado, se procede a realizar el pulido intermedio. En esta fase del análisis

metalográfico se utilizó una pulidora Buehler ® y una solución abrasiva denominada Alúmina (Al2O3), con un tamaño de grano de 0.3 μm.

Al término de este procedimiento, se continúa con el pulido fino. En este caso la solución cambia de granulometría, empleando Alumina de 0.05 μm.

A continuación se muestran las imágenes que refieren la microestructura presente en la pieza

fracturada:

4

Fig. 4 Micrografía del tornillo compresor en la zona de fractura, 100 X.

Fig. 5 Micrografía del tornillo compresor en la zona de fractura, 500 X.

Posteriormente se realizó una prueba de dureza Vickers, con un medidor Mitutoyo AVK C21 ®, registrándose una lectura, HV 190 (Hardness Vickers) Adicionalmente, la muestra se sometió a una prueba magnética, con la finalidad de confirmar el tipo de acero grado inoxidable. 2.2 Determinación del esfuerzo de cedencia del material por medio de mecánica de la fractura

La mecánica de la fractura se basa en el cálculo de los esfuerzos y deformaciones a lo largo de una grieta, los cuales en conjunto, provocan el desplazamiento relativo de las superficies del cuerpo en un punto; ocasionando la fractura.

En el caso particular del componente fracturado (tornillo compresor), éste es sometido en servicio a un esfuerzo de tensión uniaxial. Con esto, es posible proponer el modo de desplazamiento que sufre la fractura.

Dentro de los modos básicos de desplazamiento de superficies agrietadas; se encuentra el Modo I, es decir la apertura de la grieta en dirección perpendicular al plano de fractura [4].

Considerando el tornillo como una placa con grietas laterales, éstas se pueden unificar en una sola sumando las longitudes de las mismas (Fig. 6).

5

Profundidad de la cuerda

(a)

Paso de la cuerda (p)

Fig. 6 Tornillo compresor con grietas cordales, el cual puede representarse con una grieta unificada.

Las ecuaciones [4] que definen a cualquier elemento mecánico en estado de esfuerzo uniaxial con

grieta lateral son:

)1.....(Waa =′

)2(..85.538.347.184.099.1 432 aaaaYt ′+′−′+′−=

)3(......aYK ftIC σ= donde: a.- Longitud de la grieta W.- Longitud de la placa (diámetro nominal del tornillo) Yt.- Factor geométrico de la grieta σf .- Esfuerzo de fractura del material

El tornillo al ser de dimensiones normalizadas, presenta una cuerda 20 UNC (veinte hilos por pulgada). Con esto es posible determinar el paso (p) con la siguiente expresión:

)4......(1

cnp =

mminp 2.105.0 ==

nc.- Número de hilos por pulgada.

El tipo de cuerda que presenta mayores concentraciones de esfuerzo es de tipo cuadrado, ya que la terminación de los bordes de los hilos son ángulos rectos, y que propician la propagación de la apertura de grietas. Es por ello que la profundidad de la cuerda (longitud de la grieta), se considera igual al paso calculado.

Ya que el objetivo es determinar el material que sufrió la fractura para las condiciones de servicio

en que se opera la herramienta, se define la tenacidad a la fractura de aceros aleados:

6

Aceros aleados

MPa

mMPaK

f

IC

300

60

=

=

σ

Una vez calculado el esfuerzo de fractura, se determina a partir de este; el esfuerzo de cedencia.

Este parámetro es de gran relevancia para complementar la información de las propiedades mecánicas del material.

El esfuerzo de cedencia está definido por la siguiente ecuación [4]:

MPa

Wa

f

500

)5(.....1

0

0

=

−=

σ

σσ

Finalmente la carga de fractura (PC), también llamada resistencia residual [7], se define a partir del esfuerzo de fractura sobre el área transversal del componente estudiado:

KgfKNP

AP

c

tfc

9685.9

)6(.....

==

= σ

donde: Pc.- carga de fractura At.- área transversal del componente 2.3 Resistencia residual (Curva CRR) y tamaño mínimo de grieta

La principal aportación de la mecánica de la fractura es que permite analizar la relación existente entre tenacidad (KIC), la carga aplicada y el tamaño de la grieta de un componente mecánico.

Si se grafica el esfuerzo a la fractura en función del tamaño de grieta (σf – a), se obtiene un

diagrama denominado Curva de Resistencia Residual (CRR), esquematizado en la Fig. 7, que es un registro adicional para la comprensión del comportamiento de la ruptura del material.

7

Fig. 7 Esquema de la Curva de Resistencia Residual. La zona de tolerancias de grietas es la que se encuentra por debajo de las curvas de esfuerzo de

fractura. Cualquier combinación que quede por arriba de este límite significa la ruptura de la estructura.

Para delimitar la zona de tolerancia de grietas en la cual la herramienta será operable, se debe calcular el tamaño máximo permisible conocido como tamaño crítico de grieta (ac) definido por el esfuerzo normal de servicio [4].

mma

YK

a

c

T

ICc

85.2

)7.....(2

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

σ

donde: ac .- tamaño crítico de grieta σT.- esfuerzo normal de servicio

También es de interés conocer que tamaño de grieta implicaría un riesgo de fractura si durante el servicio ocurriese una carga súbitamente alta, pero menor que la de diseño.

A éste se el conoce como tamaño mínimo de grieta. Recibe este nombre debido a que si es posible detectar una hendidura de esta magnitud, la estructura está en riesgo de fractura.

El tamaño mínimo de grieta se puede calcular sustituyendo el esfuerzo máximo de servicio. Si el esfuerzo máximo de operación se propone al esfuerzo último de tensión (σU):

mma

YK

aU

IC

27.1

)8(.....

min

2

min

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

σ

donde: amin .- tamaño mínimo de grieta σU.- esfuerzo último a tensión

8

Establecidos los límites de la zona de tolerancia de grietas, y tabulando los valores acorde a la ecuación de intensidad de esfuerzos se grafica la Curva de Resistencia Residual del tornillo compresor (Fig. 8).

Curva de Resistencia Residual (CRR)

Herramienta Kaflex

σT = 250 MPa

σf = 300 MPa

σ0 = 500 MPa

σU = 682,8 MPa

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000 2,200 2,400 2,600 2,800 3,000Longitud de grieta (a [mm])

Esfu

erzo

de F

ract

ura (

σf [M

Pa])

Fig. 8 Curva de Resistencia Residual para la Herramienta Kaflex 2.4 Propagación de la grieta por fatiga

Debido a que la herramienta Kaflex es utilizada permanentemente en las labores de mantenimiento, su manejo comprende periodos de tiempo establecidos por el fabricante y que son adaptados a las necesidades de los talleres aeronáuticos.

Citando el Manual General de Mantenimiento del helicóptero Bell 407 [2], la operación de la herramienta Kaflex no deberá sobrepasar de tres extracciones diarias, es decir seis ciclos de carga, para garantizar las condiciones de confiabilidad y seguridad con las que fue certificada.

Ante este ritmo de operación cíclico es necesario analizar la falla a causa de la fatiga del material; señalando así el tiempo y las condiciones en el cuales la grieta colapsó el tornillo compresor.

La rapidez de propagación de la grieta (da/dN) depende de la amplitud de la variación de esfuerzos en la punta de la misma, y que en condiciones elásticas depende de KIC

[4]. El periodo en el cual dicha rapidez es proporcional a la amplitud del factor de intensidad de esfuerzo es el de mayor interés, ya que es posible predecir la vida útil de la herramienta. Matemáticamente se escribe:

)9.....(mKCdNda

Δ=

donde: C.- influencia ambiental m.- sensibilidad al esfuerzo en la punta de la grieta.

Para los aceros aleados, las constantes de influencia ambiental (C) y sensibilidad al esfuerzo (m) se han obtenido mediante ensayos experimentales y han proporcionado los siguientes valores [4]:

3101 11 == − mEC

9

El número de ciclos de operación de la herramienta Kaflex, cuando se presentó la falla es:

ciclosN 3.1104=

Conociendo de antemano que el máximo de operaciones permisibles para la herramienta Kaflex es de tres extracciones por día, la duración calendario de la herramienta es:

mesesdíasnNNop

c 61846

3.1104≈===

Con las dimensiones de la herramienta, propiedades del material y condiciones de servicio, se

procede a simular la falla del componente por el Método de Elemento Finito. 2.5 Modelado de la herramienta Kaflex

Conforme a las especificaciones enunciadas dentro del Manual General de Mantenimiento del helicóptero Bell 407 [2], la herramienta Kaflex fue modelada dentro de un ambiente de diseño asistido por computadora (Fig. 9). Las dimensiones nominales de cada uno de sus componentes fueron verificadas con mediciones prácticas utilizando calibradores vernier y tornillos micrométricos.

Fig. 9 Modelo de la herramienta Kaflex utilizando el diseño asistido por computadora, empleando el software Mechanical Desktop ®.

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2.6 Estudio del tornillo compresor por el Método del Elemento Finito

Las condiciones de frontera con las cuales se simula la falla de la herramienta Kaflex,

provenientes tanto de la metalografía como del análisis de mecánica de la fractura, son:

σ0 500 MPa Esfuerzo de cedencia σU 682 MPa Esfuerzo último a tensión

Pcrit 968 kgf Carga crítica N 1100 ciclos Vida útil

E [8] 207 GPa Módulo de Elasticidad V [8] 0.3 Módulo de Poisson

Tabla 1 Parámetros utilizados para simular la falla del tornillo compresor de la herramienta Kaflex.

Inicialmente el modelo de la herramienta Kaflex dibujado en el software Mechanical Desktop ®

se exporta a la plataforma de ANSYS ™ como archivo de extensión (*.sat), como se ilustra en la Fig. 10. Se asignan las propiedades mecánicas y estructurales del tornillo compresor. El modelo se malla con elementos finitos Brick Solid 45, que describieron el comportamiento de la herramienta Kaflex en condiciones de servicio.

Se restringen los grados de libertad en los tres ejes de la sección cordal (empotramiento del tornillo) y se aplica la carga crítica calculada en el extremo libre.

Con las condiciones de frontera citadas, se soluciona el sistema matricial y se despliegan los

esfuerzos a lo largo de la geometría del tornillo. La Fig. 11 muestra una escala gráfica y numérica (KPa) de los mismos.

La fractura es simulada para su comparación con los valores analíticos y como se presenta a

continuación:

11

Fig. 10 Mallado del tornillo compresor con elementos finitos.

Fig. 11 Simulación animada de la fractura del tornillo compresor de la herramienta Kaflex.

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III. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

3.1 Microestructura y propiedades mecánicas del tornillo compresor La micrografía obtenida mediante microscopía digital del tornillo compresor en la zona de

fractura muestra un acero inoxidable de matriz ferrítica con una distribución de finos carburos en ella (Fig. 4 y 5).

Para afirmar dicho enunciado se realiza un análisis cualitativo comparando la imagen con

fotografías publicadas en la bibliografía [5], y que refieren la microestructura que se observó en la pieza fracturada (Fig. 12).

Debido a su reacción, el reactivo de Vilella es un agente que muestra las fases de ferrita (α) y

martensita de la matriz de los aceros inoxidables, adicional a que revela los carburos precipitados en ella.

Fig. 12 Microestructura del acero inoxidable ferrítico 430. La estructura es una sección longitudinal de hojuelas de ferrita (blanco). Muestra atacada con Glyceregia, 100 X. [10]

El alto contenido de cromo (Cr) de este tipo de materiales evita que el reactivo desintegre la

muestra; lo cual es un argumento más para afirmar que se estudia un acero inoxidable ferrítico. La atracción magnética positiva también es un indicador que confirma el enunciado anterior.

Las propiedades mecánicas del tornillo compresor obtenidas por medio de Mecánica de la Fractura se resumen en la siguiente tabla. Éstas se comparan con las del acero inoxidable 430.

Tabla 2 Comparativa de las propiedades mecánicas del acero inoxidable ferrítico para la herramienta Kaflex.

Acero BH VH σ0

(MPa) σU

(MPa) Tornillo 200 190 500 682 430 [11] 205 195 525 700

%Aprox 97 97 95 97

El porcentaje de error para la dureza, el esfuerzo último a tensión y el esfuerzo de cedencia es menor al 5 %.

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Al ser la dureza un parámetro que varía respecto al tratamiento térmico, éste valor indica que el

acero fue recocido a muy alta temperatura, esperando que el maquinado endureciera el tornillo mediante acritud; resultado que no se logró. La composición del material propuesto y su relación con el diagrama de fases Fe – C, confirma el enunciado anterior.

En la gráfica CRR, se aprecia que la zona plástica del material decrece desde el esfuerzo último de tensión (σU = 682 MPa) hasta el esfuerzo de cedencia (σ0 = 500 MPa). Esta área es definida por los defectos microscópicos propios del material y las microgrietas presentes tienen un efecto mínimo en la concentración de esfuerzos.

Fig. 13 Gráfica de la vida útil de la herramienta Kaflex. Se destacan los esfuerzos de tensión, cedencia, fractura y falla

Ubicando la cedencia del material, es en este punto donde el maquinado del tornillo es realizado hasta obtener un tamaño de cuerda nominal de 20 UNC. Con este tamaño de grieta, la resistencia residual se ve disminuida considerablemente, presentándose el esfuerzo a la fractura (σF = 300 MPa) ya calculado.

Por último el área de servicio de la herramienta Kaflex está comprendida desde la longitud de cuerda estipulada por el fabricante hasta el tamaño crítico de grieta, regida por el esfuerzo de servicio.

Es por ello que la energía de deformación presente en esta zona es limitada, por tanto la ruptura de la herramienta durante las tareas de mantenimiento ocurre de manera inminente. Conjuntamente, la vida útil de la herramienta (N = 1100 ciclos) indica que ésta debe ser reemplazada antes del sexto mes de operación.

La simulación de la ruptura de la herramienta Kaflex, mediante el método de elemento finito, demuestra que el esfuerzo de tensión uniaxial en el tornillo compresor alcanza el límite de cedencia del material.

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Tanto las propiedades mecánicas del material, así como las condiciones de carga establecidas mediante mecánica de fractura se verificaron en la simulación. El esfuerzo de cedencia calculado (σ0 = 500 MPa) se presenta en la zona de grietas cordales.

La zona de falla se muestra al inicio de la cuerda del tornillo, lo que hace más vulnerable a la

herramienta a sufrir un colapso súbito ya que es la zona donde los grados de libertad están restringidos, es decir donde el tornillo se empotra con la rosca de compresión.

Fig. 14 Esfuerzos de operación en el tornillo compresor. En la zona de maquinado de la cuerda se denota que el esfuerzo sobrepasa el límite de cedencia del material, por ende la fractura ocurre.

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VI. CONCLUSIÓNES

El desarrollo del presente trabajo finaliza con las siguientes conclusiones:

La microestructura del tornillo compresor estudiado corresponde a la de un acero inoxidable ferrítico, como se observa en las micrografías mostradas en Fig. 12. Se determinó que el material de fabricación nacional corresponde a un acero inoxidable ferrítico AISI 430, con propiedades mecánicas equivalentes al material original (Tabla 2). La dureza de la muestra, 190 HV, se puede atribuir a que el acero fue recocido en un rango de temperatura elevado, por encima de la temperatura crítica de transformación eutectoide (Tc ≥ 980ºC) [11] y la acritud no se alcanzó con el proceso de conformación plástica utilizado. Las propiedades mecánicas calculadas por Mecánica de la Fractura Lineal Elástica, esfuerzo de cedencia (σ0 = 500 MPa) y esfuerzo último a tensión (σU = 682 MPa), tienen una aproximación del 95 % comparadas con el acero grado inoxidable AISI Serie 430 (Tabla 2).

La energía de deformación descrita por la curva de resistencia residual es mínima y no permite que el componente absorba la energía de tensión producida por la carga crítica, de acuerdo con la gráfica mostrada en Fig. 13.

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REFERENCIAS

[1] Bell 407 Product Data Manual, Textron – Lycoming Inc. Bell Helicopter, 2003 [2] Bell 407 General Maintenance Manual, Textron – Lycoming Inc. Bell Helicopter, 2003

[3] ASTM D 648, Metallography of Microstructures,E.U.A., 1998 [4] González, Mecánica de la Fractura Bases y Aplicaciones, Politécnica, México, 1998. [5] Metallography, Metals Handbook XI, E.U.A, 1996 [6] Davies, et al, Standard Handbook for Aeronautical and Astronautical Engineers, Cambridge, E.U.A., 2005

[7] Matías, El Método de Elemento Finito Mediante el Software ANSYS, Politécnica, México, 2004

[8] Schaffer, et al, Ciencia y Diseño de Materiales para Ingeniería, CECSA, E.U.A., 2002 [9] Anderson, Fracture Mechanics Fundamentals and Applications. Ed. CRC Press, E.U.A., 1991

[10] Hertzberg, Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, Wiley & Sons, E.U.A., 1998 [11] Inchaurza, Aceros Inoxidables y Aceros Resistentes al Calor. Limusa, España, 1996

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2. DETERMINACIÓN DEL MATERIAL DE FABRICACIÓN NACIONAL PARA EL PERNO SUJETADOR DE LA SEMI-ALA DE LA AERONAVE HELIO-COURIER.

RESUMEN Se determinó el material disponible en el mercado nacional para la fabricación del perno que sujeta la semi-ala de la aeronave Helio-Courier, éste debe tener propiedades mecánicas semejantes a las que presenta el perno original. Como primera fase se determina el material con el que se fabricó el perno original a través de ensayos que no afecten su integridad, realizando una caracterización microestructural y de durezas; por medio de estos datos se fijaron las propiedades mecánicas del material, posteriormente se seleccionaron los aceros que poseen estas propiedades, se eligió el acero en base a las propiedades que presentan después de aplicar el tratamiento térmico correspondiente y su resistencia a la corrosión. Debido a que es muy costoso realizar pruebas mecánicas a cada uno de los aceros seleccionados, se utilizaron métodos empíricos, que permitieron predecir, mediante cálculo, las propiedades y el comportamiento de esos aceros en los tratamientos térmicos. Se elige un acero que satisfaga los requerimientos solicitados, se fabricaron probetas y se ensayaron para comparar los resultados obtenidos con los esperados; se manufacturó el perno análogo con el acero elegido y se le aplicaron los tratamientos térmicos adecuados para obtener las propiedades mecánicas deseadas. El perno se fabrico en acero AISI 4140 y se instaló en la semi-ala de la aeronave Helio-Courier. Palabras Clave: Caracterización microestructural, Dureza, Tratamientos térmicos, Aceros de aleación.

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1. INTRODUCCIÓN

La necesidad de realizar el ensamble de la aeronave Helio-Courier que se encuentra en la ESIME UPT para que pueda ser utilizada como ayuda didáctica, genera la inquietud de fabricar un perno que tenga las mismas características mecánicas que el original utilizando un material de fabricación nacional, además de solo utilizar la infraestructura de esta Institución. En la industria aeronáutica y espacial se utiliza una amplia gama de materiales para aplicaciones estructurales en los que se encuentra el acero, aluminio, aleaciones de magnesio, titanio etc. por ello la importancia de determinar el tipo de material con el que fue manufacturado el perno original. Este tipo de trabajos son de ayuda para la comunidad estudiantil ya que se ven reflejados en forma tangible los conocimientos adquiridos en las aulas y en donde se genera un criterio de ingeniería donde puede existir una serie de opciones que satisfacen adecuadamente el problema. La caracterización microestructural y mecánica del perno existente se realiza sin afectar su integridad.

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2. DESARROLLO EXPERIMENTAL 2.1 Ensayos realizados Inicialmente se registran las dimensiones del perno utilizando un vernier, se pesa con una balanza de precisión y se obtiene una densidad de 7.5 g/cm3, donde se identifica un material ferroso ó una aleación de Hierro-Carbono. Posteriormente se realizan ensayos de Dureza Rockwell utilizando un durometro Mitutoyo siguiendo técnicas convencionales según la norma ASTM E18-02, se utiliza una escala C y se realizan cinco ensayos obteniendo un valor promedio de 33,5 HRC (figura 1), este valor descarta la posibilidad de que se trate de una función y se considera un tipo de acero.

Fig. 1

En la metalografía se consideran las recomendaciones de la norma ASTM D648 y se utiliza como reactivo de ataque nital 2%, los trabajos para la metalografía se realizan en la parte superior del perno en donde se identifican inclusiones no metálicas (figura 2). La fase identificada es martensita revenida con la presencia de carburos (figura 3) lo cual pone en evidencia la combinación del carbono con otros elementos de aleación como cromo, molibdeno, vanadio, níquel, etc. Las observaciones se logran utilizando un microscopio metalográfico invertido Versament-2 unión 7345.

Fig. 2 Etapa de pulido sin ataque químico. Muestra inclusiones no metálicas

Fig. 3 400X Atacada con nital 2%. Consiste en una matriz de martensita revenida a alta temperatura con pequeños carburos

CCAARRBBUURROOSS

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2.2 Propiedades mecánicas del acero caracterizado. Se determinan las propiedades mecánicas del material caracterizado para seleccionar un material similar, los valores son una aproximación producto de los ensayos realizados. Se conoce el esfuerzo de fluencia del material a partir de la dureza que presenta después de la condición de templado y revenido (figura 4).

Fig. 4 Relación entre dureza Brinell y resistencia a la tensión para aceros al carbono y de baja aleación [1]. La dureza de 33,5 HRC ≈ 313 HB y este ≡ 1078 Mpa, de igual manera se puede conocer el esfuerzo máximo al corte a partir del esfuerzo de fluencia [2].

2fl

máx

στ = (1)

Obteniendo un esfuerzo máximo al corte de 539 Mpa. Los valores anteriores sugieren un acero de alta resistencia mecánica. 2.3 Selección del acero Dentro de la clasificación de los aceros que son de fabricación nacional y que pueden ser utilizados en aplicaciones que demandan alta resistencia mecánica están los de grado maquinaria, sin embargo, cada uno de estos aceros tiene diferentes usos de acuerdo al su contenido de carbono y número de elementos aleantes. Consultando el manual MIL-HDBK-5H [3], se encuentra que pueden utilizarse los aceros nacionales AISI 4340, 4140 y 6150 por su amplia utilización en la industria aeronáutica. Tabla 1. Comparación de las propiedades mecánicas típicas de diferentes aceros de alta resistencia mecánica. Los datos son obtenidos de una barra de 25.4 mm de diámetro, Templadas de 845°C a 870°C y enfriadas en aceite. Revenidas a 540°C.

Acero AISI Esfuerzo Ultimo MPa

Esfuerzo de Fluencia

MPa

Elong % Resistencia a la corrosión No. Elementos aleantes

4130 1170 1000 20 Muy buena 2 Cr y Mo 4140 1140 985 15 Muy buena 2 Cr y Mo 4340 1450 1365 11 Buena 3 Cr, Ni y Mo 8640 1170 1050 14 Buena 3 Cr, Ni y Mo 6150 1185 1040 14 Muy buena 2 Cr y V H11 1480 1255 13.7 Excelente 3 Cr, Mo y V H13 1835 1530 13.1 Excelente 3 Cr, Mo y V

Los criterios para la selección del acero fueron: Valor de esfuerzo de fluencia alto. Mayor ductilidad (Elongación). Grado de resistencia a la corrosión. Menor número de elementos aleantes

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2.4 Ensayos realizados al acero AISI 4140 Se realizan ensayos de Dureza Rockwell en escala B y ensayos a Tensión en una maquina Instron, las probetas se manufacturan de acuerdo a la norma ASTM E-8. 2.5 Obtención de las propiedades mecánicas deseadas La obtención de propiedades deseadas se realiza a través de los tratamientos térmicos de temple y revenido. La temperatura de calentamiento para el temple es de 845 °C, durante un tiempo de 22 min. a partir de que el horno alcanza la temperatura de austenización. La temperatura y el tiempo de permanencia a temperatura de tratamiento térmico se encuentran de las gráficas: Intervalo de normalización y endurecimiento para aceros al carbono, tiempo que tarda en calentarse el centro de los redondos de los aceros al carbono al ser introducidos en el horno y el tiempo necesario para alcanzar homogeneidad completa de la austenita. [4,5] El medio de enfriamiento utilizado es aceite con una agitación violenta. Para realizar el revenido se utiliza el método de Hollomon debido a que se obtiene muy buenos resultados para toda gama de aceros con la excepción de los aceros de contenidos muy bajos o muy altos de carbono [6,2]. De lo cual se obtiene una temperatura de revenido de 668 °C y un tiempo de permanencia de 25 min. Se realizan ensayos de dureza y tensión a las probetas tratadas térmicamente. 3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Ubicando los valores obtenidos en los ensayos realizados al perno original en las tablas siguientes las cuales se construyen después de la consulta de diferentes referencias bibliográficas de resistencia de materiales se tiene: La densidad del material de 7.5 g/cm3 corresponde a un material ferroso de los cuales destacan las aleaciones de Hierro-Carbono.

Tabla 2. Densidad de diferentes materiales MATERIAL DENSIDAD (g/cm3)

Aleaciones de Aluminio 2.699 Aleaciones de Berilio 1.840 Aleaciones de Titanio 4.507

Aleaciones de Magnesio 1.738 Aleaciones de Hierro 7.874

La dureza presentada de 33,5 HRC corresponde a un acero de medio contenido de carbono. La micrografía revela la fase de martensita revenida y la presencia de carburos lo cual implica la combinación del carbono con otros elementos químicos. La microestructura que presenta el perno original tienen gran semejanza con la que presenta un acero AISI 4140 (figura 5b).

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(a)

(b)

Fig. 5 (a) 1000X Acero del perno Original, (b) Acero AISI 4140 Austenizada a 845°C, templada en aceite y revenida a 650°C. Presenta Bainita con Martensita El promedio de los ensayos de Dureza Rockwell B arrojan un valor de 95,2 HRB (15 HRC), siendo este valor muy inferior al requerido. La resistencia mecánica del material con esta dureza es de 566 MPa de esfuerzo de fluencia. La Dureza que presenta cada una de las probetas después del temple es de 51 HRC, 47 HRC y 46 HRC, posterior al temple se tiene una dureza de 37,8 HRC 33,3 HRC y 31,3 HRC respectivamente. Mientras que el esfuerzo de fluencia se incremento hasta 1073 MPa. Se verifica que se pueden obtener satisfactoriamente las propiedades mecánicas deseadas en el perno análogo. Posterior a la manufactura del perno análogo1 se le aplica el tratamiento térmico de temple y revenido obteniendo los siguientes resultados.

Tabla 3. Ensayos de Dureza realizados al perno análogo. Ensayo Dureza HV Prom. Dureza HRC

1 633 2 640 3 645

639 55

La dureza superior a 53 HRC indica que gran parte de la austerita logro convertirse en martensita (figura 6).

1 Las dimensiones son mayores porque el acero se dacarbura debido a la oxidación después del temple.

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Fig. 6 Diagrama de Transformación continua de un Acero que AISI 4140[1].

Tabla 4. Ensayos de Dureza realizados al perno análogo. Ensayo Dureza HV Prom. Dureza HRC

1 320 2 335 3 327

327 35

La dureza final obtenida es de 35 HRC la cual es muy aproximada a 33,5 HRC por lo que se obtienen propiedades similares a las del acero del perno original. 4. CONCLUSIONES El material seleccionado tiene semejanza con un acero AISI 4140 el cual fue seleccionado utilizando criterios de ingeniería y este pudo adquirir propiedades mecánicas similares al del perno original. Cumple satisfactoriamente con su función de acuerdo al trabajo de tesis derivada de este proyecto, titulado: “Análisis de los esfuerzos de operación del perno sujetador de la aeronave Helio-Courier por elemento finito utilizando el software ANSYS” donde el esfuerzo máximo generado es de 179 MPa, lo que representa un 33% del máximo al corte obtenido (539 MPa). Este trabajo se presenta resumido posterior a las referencias. Una etapa posterior debe ser un procedimiento de certificación observando los estándares de aeronavegabilidad establecidos por la SCT a través de la DGAC.

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5. REFERENCIAS 1 Metals Handbook

Properties and Selection Iron, Steels and High-Performance Alloys. 1990.

2 Pat L. Mangonon Ciencia de Materiales: Selección y Diseño Pearson Educación, 2001.

3 Military Handbook Metalic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures 1998.

4 Sydney H. Avner Introducción a la Metalurgia Física McGraw-Hill, 1992.

5 José Apraiz Barreiro Tratamientos Termicos de los Aceros Limusa, Noriega Editores, 2000.

6 Pascual Tarín Rehomí Comprobación Experimental de Métodos de Cálculo de propiedades obtenibles mediante temple y revenido en aceros de baja aleación Universidad Politécnica de Madrid Salamanca, 2004.

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IMPACTO

El impacto en el sector productivo de bienes y servicios es favorable, debido a que para cualquier tipo de aplicación en ingeniería, se necesitan datos confiables sobre las propiedades mecánicas de los productos metálicos disponibles en el mercado nacional, ya que no se cuenta con ellos o no se tienen, excepto para los productos de importación. Si la realidad mexicana de la pequeña y mediana industria no presenta certificados de las propiedades de los productos que vende, estas en un tiempo razonable no serán competitivas, razón por la que es necesario presentar metodologías sobre la evaluación de las propiedades físico-mecánicas de los materiales disponibles en el mercado nacional, propiedades importantes en cualquier aplicación estructural y/o de diseño.

El impacto en el beneficio social y educativo es excelente ya que a través de este proyecto se prepararan recursos humanos de alto nivel en el manejo de equipo e interpretación de los resultados obtenidos en ellos, de tal manera que si el alumno opta por prestar sus servicios en alguna industria; ya sea del ramo aeronáutico, industrial o metal mecánico, tiene las habilidades para participar en las industrias de manera competitiva. Por otro lado si desea continuar con estudios de posgrado e integrase a la sección de graduados, del área de ingeniería en el futuro, podrá participar en la formación de nuevos recursos en cualquier centro de investigación y/de educación superior del país.

Asimismo el proyecto y/o los proyectos siempre impactarán al sector educativo, puesto que la actividad como participantes se traduce en la mejora continua durante la impartición de cátedra en beneficio de los alumnos, debido a la retroalimentación recibida a través de proyectos de investigación fomentados por el IPN. Asimismo los alumnos con buen rendimiento académico, ponen en práctica sus ideas e ingenio para aterrizar sus inquietudes en la generación de varios subproductos e incluso el desarrollo anticipado de sus temas de tesis.

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