efecto de la temperatura de recocido en el comportamiento de termofluencia de un acero aisi 1045...
Post on 16-Dec-2015
35 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
Universidad Nacional de Trujillo Escuela: Ingeniera Metalrgica
Tesis:
Efecto de la temperatura de recocido en el
comportamiento de termofluencia de un
acero AISI 1045 sobre el tiempo de ruptura
sometido a temperatura y tensin
constante
Integrantes:
Luis H. Hernndez Vsquez
Gleny Janet Prez Yrene
-
INTRODUCCIN En el Per el uso de altas temperatura en las industrias: Industrias qumicas,
refinera del petrleo, centrales trmicas de energa industrial, turbinas de gas,
motores de reaccin, etc. han impulsado el desarrollo de materiales que conservan
las propiedades a altas temperaturas bajo la accin de esfuerzos inferiores a la
tensin de fluencia por largos periodos de tiempo, y tambin toda la vida para la cual
fueron proyectadas.
Las temperaturas afectan las propiedades mecnicas de los metales, la movilidad de los tomos (dislocaciones) aumenta rpidamente y las propiedades se modifican
significativamente.
Los movimientos de los tomos inducen una deformacin muy lenta llamada termofluencia, que provocan fallas que pueden ser catastrficas.
El tamao de grano de un material influye en termofluencia, un material de grano grueso es ms resistente a la ruptura por termofluencia, debido a que hay mayor
espacio para que las dislocaciones formadas por temperaturas y esfuerzos altos
pueden movilizarse fcilmente sin encontrar muchos obstculos (lmites de grano).
La termofluencia es causada por el movimiento de las dislocaciones, la cuales ascienden en la estructura cristalina a causa de la difusin, la dislocacin se mueve
perpendicularmente a su plano de deslizamiento.
-
ANTECEDENTES Correa, A. y Valiente, W. (2001).
Demostraron que la tensin influye en
el tiempo a la rotura siendo los valores
de 20000Psi (2,31h),
15000(5,022h),10000(14,20h)y
5000(131,86h).
Salvador - De la Cruz (2007). En su investigacin de la tensin en
termofluencia del acero Inoxidable AISI
304 concluye: que el parmetro Larson
Miller para este acero obedece a la
siguiente ecuacin: T(log t+19)x103/K-
h y que la velocidad de deformacin
obedece a la siguiente expresin: s = 3.1484 x 10-11 2.5253.
Lopez, J. y Carbonell, R. (2001). Afirma que a medida que aumentan la
temperatura de austenizacin aumenta
el tamao de grano y la templabilidad
siendo los valores finales siguientes: a
1000C tamao de grano 4; 950C
tamao de grano 5; 900C tamao de
grano 6; 850C tamao de grano 7.
Alcntara, R. y Rios, E. (2001). Demostraron que al incrementar la
temperatura se reduce el tiempo de
rotura de 172 h con 650 C a 0.159 h
con 800 C e incrementa la rapidez de
termofluencia de 1,598x10-2%/h a
36,8%/h.
Martnez L. (1983). En su investigacin concluye: Que el modelo
de fractura de metales por crecimiento
difusivo de cavidades intergranulares
supone las cavidades crecen en forma
de grietas que se propagan a lo largo
de las fronteras de grano debido a un
balance energtico del proceso y de la
continuidad de flujo atmico, y que la
termofluencia es causada por proceso
difusivo que son trmicamente
activados.
-
MARCO TERICO Aceros: Se denomina acero a la aleacin de hierro con carbono y otros elementos,
con un contenido de carbono hasta 2.06%C.
Aceros Hipoeutectoides.
Aceros Eutectoides.
Aceros Hipereutectoides.
La reaccin eutectoide es fundamental en el estudio de los aceros, sta ocurre a 723 C y 0.8% C
Termofluencia:La termofluencia se define como la deformacin permanente y dependiente del tiempo cuando son sometidos a una tensin constante.
Los movimientos de los tomos inducen una deformacin muy lenta, (termofluencia), si el material est sometido a esfuerzos. Esta deformacin termina por causar
problemas dimensionales en la estructura o componente, lo cual provoca un mal
funcionamiento o falla.
La termofluencia es la deformacin plstica que puede sufrir un material a temperatura elevada y durante periodos largo de tiempos, an cuando el esfuerzo
aplicado sea menor que su resistencia a la fluencia. La termofluencia es causada por
el movimiento de las dislocaciones, las cuales ascienden por difusin en la estructura
cristalina
-
Ensayo de Termofluencia:
Para determinar el comportamiento de un material se aplica una carga axial
constante, normalmente en forma de
tensin a una probeta cilndrica de
material.
Se mide la deformacin por termofluencia con el tiempo y se
registra el tiempo para la ruptura o
fractura, habitualmente los ensayos
sobre un material dado se llevan a
cabo diversas temperaturas, esfuerzos
y la duracin de los ensayos puede ir
desde menos de un minuto hasta ms
de un ao, o varios aos.
-
CURVA DE TERMOFLUENCIA :
El grfico: Muestra una curva deformacin por
termofluencia o respuesta de comportamiento de
deformacin. Al someter al material a una carga (esfuerzo),
la respuesta inmediata es una deformacin instantnea o,
que puede ser elstica o plstica (incluida una parte
elstica); se compone de tres regiones, que tiene como base la
razn de cambio de deformacin.
La primera regin de 0 a 1, se describe como la
termofluencia primaria y se caracteriza por una pendiente o
velocidad de deformacin inicial muy grande, que despus
disminuye de manera gradual hasta 1, ocurre debido a una
transformacin de la microestructura y al reacomodo de la
subestructura de dislocaciones y vacancias inicial en el
material.
La segunda regin de 1 a 2, se le conoce como
termofluencia secundaria o estacionaria y se
caracteriza por una pendiente constante o velocidad
de deformacin constante, aqu el equilibrio
alcanzado entre los mecanismos de dislocacin y
vacancias y mecanismos de aniquilacin de
dislocaciones, llevan a una velocidad de deformacin
constante.
La tercera regin de 2 a r, denominada
termofluencia terciaria o inestable, se caracteriza por
una pendiente o velocidad de deformacin creciente
hasta que el material se fractura en r se llama
tiempo de ruptura; en la ltima regin, la
deformacin se localiza y el espcimen se adelgaza
como en el ensayo de tensin o bien se forma
cavidades en su interior o pueden ocurrir ambos
casos, aqu ocurre un dao severo en los lmites de
grano. Este diseo consiste en la formacin de
cavidades que al crecer e interconectarse provoca la
fractura intergranular del material
-
Mecanismos de termofluencia
El movimiento de las molculas en lo slidos amorfos (termofluencia viscosa) constituye un proceso de difusin favorecido por los incrementos de temperatura.
Donde:
:Velocidad de termofluencia
Q: es la energa de activacin en cal/mol
R: constante de los gases
T: es la temperatura absoluta
A: constante
La termofluencia por difusin implica el movimiento de vacancias a travs de los granos a lo largo de los lmites de grano. El movimiento de vacancias a travs de los
granos se denomina mecanismo de Nabarro Herring, en tamao que el que se produce a lo largo de los lmites de grano se conoce como mecanismo de:
. Nabarro Herring
.
Coble
-
Fractura en termofluencia
La fractura transgranular se produce
cuando los granos son ms dbiles
que sus lmites, mientras que en la
fractura intergranular los lmites de
grano son los de mayor debilidad.
Jeffries introdujo el concepto de temperatura equicohesiva (TEC).
Fractura de tipo intergranular; el proceso est dado por:
Deslizamiento de lmites de grano
Cavitacin de lmites de grano
Formacin de subgranos.
Flujo difusivo
Producen cavidades: dados por los siguientes mecanismos:
Deslizamiento del lmite de grano.
Flujo y condensacin de vacancias en lmite de grano.
La termofluencia del material alrededor de la cavidad.
Temperatura equicohesiva
-
Esfuerzo ruptura
Diagrama tpico de esfuerzo ruptura
La causa comn para un cambio en la pendiente de la curva esfuerzo ruptura, es un desplazamiento en el
mecanismo de fractura segn cambian
las condiciones de ensayo.
Las fracturas transgranulares se caracterizan usualmente por la
estriccin de la probeta y gran
ductilidad. Las fracturas intercristalinas
muestran poca estriccin y con
frecuencia fallan con poco
alargamiento
-
Influencia de la tensin y de la temperatura
Tanto la temperatura como el nivel de la tensin aplicada influyen en las
caractersticas del comportamiento
bajo fluencia en caliente
Logaritmo de la tensin frente a la velocidad de deformacin para una
aleacin de nquel con bajo contenido
de carbono a tres temperaturas
-
Logaritmo de la tensin frente al tiempo de ruptura para una aleacin de nquel con bajo contenido de carbono a tres temperaturas.
Tensin vs. Tiempo de ruptura
-
Mtodos de extrapolacin de resultados:
La informacin necesaria sobre la fluencia de los materiales no se puede obtener de manera prctica mediante ensayo de laboratorio.
Parmetro de Larson Miller.
Donde :
C es una constante.
T en grados Kelvin y el tiempo a la ruptura tr en horas.
Recocido:
El recocido de regeneracin o de austenizacin completa, consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a AC3 y se mantiene a esa temperatura hasta
lograr la estructura austentico en toda la masa del acero y luego enfriar lentamente
a lo largo del intervalo de transformacin, preferentemente en el horno o en cualquier
material que sea buen aislante del calor. Por lo general el enfriamiento lento contina
a temperatura ms baja.
Por razones tcnicas el recocido de regeneracin, solo se emplea en aceros hipoteutectoides (AISI 1045) cuando se desea obtener perlita laminar gruesa y
tamao de grano grandes.
-
FASES:
Recuperacin: No se presenta ningn cambio microestructural considerable.
Recristalizacin: La recristalizacin es un proceso cuya extensin depende tanto de la temperatura como
del tiempo.
Crecimiento de granos: Se da con un calentamiento continuo a temperatura por encima de la temperatura de
recristalizacin.
Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de
la red disminuye y la rapidez de crecimiento de
grano es mayor. A cualquier temperatura dada
existe un tamao de grano mximo, punto donde
estos dos efectos estn en equilibrio.
Efecto de la temperatura sobre el
tamao de grano recristalizado
-
Problema
Cmo afecta la temperatura de recocido sobre el tiempo de ruptura
del acero AISI 1045 sometido a un
proceso de termofluencia?
Hiptesis
El incremento de la temperatura de recocido en el rango de 850 a 1000 C
aumenta el tiempo de ruptura del
acero AISI 1045 sometido a
termofluencia, debido al aumento del
tamao de grano.
Objetivos
Objetivos Generales:
Evaluar como la temperatura de recocido en el rango de 850 a 1000 C
afecta el tiempo de ruptura del acero
AISI 1045. Mediante ensayos de
termofluencia a 600 C y 70 MPa.
Objetivos Especficos:
Evaluar experimentalmente mediante ensayos de termofluencia el efecto de la
temperatura de recocido sobre el tiempo
de ruptura.
Determinar cul es la temperatura de recocido adecuada para obtener el ms
alto tiempo de ruptura, bajo las
condiciones del ensayo de termofluencia.
Determinar la velocidad mnima de fluencia en el acero en estudio.
Mostrar los resultados bajo curvas y graficas de termofluencia: Deformacin
vs Tiempo de ruptura.
-
MATERIALES Y MTODOS
Materiales y Equipos:
Material de estudio:
En esta investigacin se utiliz el acero AISI 1045 (Bohler) en forma de barra de 20 mm. De dimetro y 3.0 m de longitud.
Las propiedades qumicas y mecnicas de este acero se especifican en las tablas 2.1 y 2.2 respectivamente.
Composicin qumica del acero AISI 1045
Propiedades Mecnicas del acero AISI 1045 (estado recocido)
-
Muestra
Para el presente trabajo de investigacin se maquinaron 12 probetas segn la norma
ASTM E 139 Fig. 2.1
Probetas segn norma ASTM E139
De corte a)Mquina cortadora de disco Metasinex.
b)Arco de sierra marca Sanflex.
c)Cuchillas de torno HSS de d)Brocas de corte 10 mm.
-
EQUIPOS, MATERIALES Y MTODO EXPERIMENTAL
Ensayo de termofluencia:
Horno elctrico pequeo 5.5 KW. 220 V
Equipo de tensin,
Pesas de 5 000, 10 000, 15 000 , 20 000 Psi
Termocuplas de registrador de temperatura de 0- 1000 C
Anlisis metalogrfico:
Microscopio metalogrfico Leica
Cmara fotogrfica: Canon 8MPX.
Anlisis microestructural:
Almina (Al2O3) grado : 0.5 , 1.0 , 1.5
Reactivo : Nital 3%
Resina epxica, perxido de Co y Co.
Alcohol etlico 90
Agua destilada
algodn
Mtodo Experimental
Para el experimento se utiliz un diseo unifactorial, considerando la
temperatura de recocido como nico
factor, realizndose tres repeticiones
obteniendo un total de 12 probetas.
Variable Independiente:
Temperatura de Recocido (C): 850-900-950-1000.
Variable Dependiente:
Tiempo de ruptura (min)
Variable Paramtricas:
Temperatura de termofluencia : 600C
Tensin: 70 Mpa.
-
Modelo experimental Unifactorial
Donde: R =Temperatura de
Recocido
Tr = tiempo de ruptura
-
PROCEDIMIENTO De la barra de 20mm de dimetro x 3.0 m. de longitud, del acero AISI 1045 se
seccionaron 12 partes de 230 mm. de longitud.
Luego se introdujeron en el horno de tratamiento trmico de recocido (3c/u) a las temperaturas de austenizacin de 850, 900, 950, 1000 C por espacio de 1 hora y se
dejaron enfriar dentro del horno hasta temperatura ambiente.
Despus de estas barras se prepararon probetas de dimetro de 20 mm. x 10 mm. de altura y se realiz el anlisis metalogrfico.
Luego estas barras fueron maquinadas segn la Norma ASTM E139 (segn figura 2.1). Obtenindose las probetas para el ensayo de termofluencia.
Seguidamente las 12 probetas se codificaron, y se sortearon las probetas una a una para conseguir la aleatoriedad, es decir la secuencia de prueba del ensayo.
El ensayo de termofluencia se realiz segn la norma ASTM E139, el equipo para el ensayo de termofluencia consiste en una mquina de traccin y un horno elctrico, en
el cual se sometieron las probetas a temperatura y tensin constante (600C y 70
MPa). Los extremos de la probeta se mantuvieron sujetos en forma vertical por 02
mordazas y pasadores resistente a alta temperatura (AISI D3).
Para la medicin de la deformacin en funcin del tiempo el equipo de termofluencia cuenta con un calibrador o vernier, que esta fijo a la columna del equipo quedando
paralelo a la probeta y al aplicar la carga, la corredera del Vernier se desplaz y se
pudo obtener el desplazamiento en funcin del tiempo
-
Para el centrado de la probeta en el equipo de termofluencia, se comprob aplicando la mnima carga (5000 Psi) a 25C, luego se elimin la carga y se encendi el horno
de termofluencia, la temperatura aument hasta 600C (temperatura de ensayo),
donde se mantuvo a esta temperatura por 10 minutos con el fin de que la
temperatura se homogenice en toda la probeta.
Concluida la etapa anterior , recin se aplico la carga predeterminada (70 MPa) para cada corrida experimental, e inmediatamente se registro el valor de deformacin
instantnea (o) que se produjo al momento de aplicar la carga.
Se midi y registro los valores de deformacin a intervalos regulares de tiempo, hasta la ruptura de la probeta.
Anlisis de resultados: una vez obtenido la deformacin y el tiempo de ruptura para cada probeta ensayada, se analiz el efecto que tiene la temperatura de recocido en
el acero AISI 1045, sobre el tiempo de ruptura y mediante frmulas matemticas se
puede calcular la velocidad mnima de fluencia para cada temperatura.
las pruebas experimentales se realizaron siguiendo el diagrama de bloques del ensayo de termofluencia hasta la ruptura.
El anlisis de datos se evalu estadsticamente usando un nivel de confianza del 95%, se utiliz el anlisis de varianza y probabilidad normal de residuos.
-
RESULTADOS
Resultados Experimentales Los resultados del ensayo de termofluencia correspondiente a los procesos
experimentales se presentan en la tabla y figuras que a continuacin se detallan.
Resultados obtenidos del tiempo de ruptura en probetas de acero AISI 1045. Recocidas a las temperaturas de estudio y sometidas a termofluencia a 600C y
70 MPa. Tabla 3.1
|T Recocido Tiempo de ruptura
(C) tr1 tr2 tr3 Promedio
Minutos Horas
1000 998 1126 1188 1104 18.40
950 865 749 870 828 13.80
900 725 690 655 690 11.50
850 495 575 433 501 8.35
-
GRFICOS
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Tiempo de ruptura (min)
de
form
ac
ion
po
r t
erm
ofl
ue
nc
ia
Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045 recocida
a 1000C y sometidas a termofluencia a
600C y tensin de 70 MPa. Fig. 3.1
Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045
recocida 950 C y sometidas a
termofluencia a 600C y tensin de 70
MPa. Fig. 3.2
-
Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045,
recocidas a 900C y sometidos a
termofluencia a temperatura de 600C y
tensin de 70 MPa. Fig. 3.3
Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045,
recocida a 850Cy y sometidas a
termofluencia a temperatura de 600C
y tensin de 70 MPa. Fig. 3.4
-
Valores obtenidos de deformacin instantnea (o) de termofluencia a temperatura de 600 C y una tensin 70 MPa. Para el acero AISI 1045 a las
diferentes temperaturas de recocido. Tabla. 3.1
Efecto de la temperatura de recocido, sobre la velocidad instantnea (o) para el acero AISI 1045, sometido a temperatura de 600C y tensin de 70 MPa.
-
Efecto de la temperatura de recocido sobre el tiempo de ruptura
de termofluencia de un acero AISI
1045.Fig. 3.6
Velocidades de fluencia secundaria y tiempo de ruptura para el acero AISI
1045. Recocidas a 1000-950-900-850 C,
sometidos a termofluencia 600 C y
tensin 70 MPa. Tabla 3.3.
-
Efecto de la temperatura de
recocido sobre el tiempo de ruptura
para el acero AISI 1045, sometidos a
termofluencia a 600C y tensin de
70 MPa. Fig. 3.7.
Efecto de la temperatura de recocido
sobre la velocidad de fluencia
secundaria (%/h) para el acero AISI 1045
a temperatura de 600C y tensin de 70
MPa. Fig. 3.8.
-
DISCUSIN DE RESULTADOS
La variacin de la deformacin real con respecto al tiempo de ruptura por
termofluencia, los que corresponde a
cada temperatura de recocido
ensayado 1000C, 950C, 900C, y
850C. respectivamente, podemos
observar en cada caso una curva
tpica de termofluencia que produce
inicialmente una deformacin
instantnea (o) en un tiempo t=0. Y luego tres etapas bien definidas.
La etapa I o etapa primaria o transitoria: ocurre al comienzo del
ensayo, es una regin de pendiente
decreciente, la velocidad de
deformacin disminuye rpidamente
desde un valor muy grande.
La etapa II o etapa secundaria o estacionaria: aqu la velocidad de
deformacin se hace constante ,
debido a que existe en equilibrio entre
la generacin de dislocaciones que se
apilan entre los lmites de grano.
La etapa III, terciaria, inestable o de fractura; es donde ocurre, que la
pendiente se eleva con rapidez hasta
que se fractura. Se produce una
aceleracin de la velocidad de
deformacin.
El proceso de flujo se vuelve catastrfico, acelerndose la
deformacin hasta que ocurre la
fractura.
-
La tabla 3.2 y figura 3.5, muestra que a medida que aumenta la temperatura de
recocido la deformacin
instantnea(o) disminuye de tal manera que para la temperatura de
recocido de 850Ces 0.023 y para
1000C es 0.0080.
En la figura 3.6 se observa que el tiempo de ruptura aumenta, conforme
aumenta la temperatura de recocido,
de tal manera que para la temperatura
de recocido de 850C es 501 min. y
para la temperatura de recocido de
1000C es 1104 min.
La tabla 3.3 y fig. 3.7 se observa que el tiempo de ruptura por termofluencia
(tr) aumenta con el aumento de la
temperatura de recocido de forma
lineal para el rango de temperatura de
recocido en estudio, para 600 C y 70
MPa.
La Fig. 3.8 se observa que la velocidad de fluencia secundaria (%hr)
para las probetas recocidas a 850C
es 86x10-2(%)/h y para 1000C es de
32x10-2 (%)/h Se analiza que al
aumentar la temperatura de recocido
la velocidad de fluencia secundaria
disminuye aumentando el tiempo de
ruptura.
-
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones:
De los resultados obtenidos se confirma el efecto de la temperatura
de recocido en el comportamiento a
termofluencia del acero AISI 1045
sometido a 600C y 70 MPa. nos
demuestra que a medida que aumenta
la temperatura de recocido desde
850C hasta 1000C. aumenta
significativamente el tiempo de
ruptura.
Los tiempos de ruptura cortos en termofluencia para el acero AISI 1045
se debe al alto porcentaje de perlita
en su estructura, que inhibe el
deslizamiento de las dislocaciones.
La deformacin instantnea (o) disminuye con el aumento de la
temperatura de recocido
Para todos los niveles de temperatura de recocido en estudio. La etapa II es
la etapa controlante. Pero para la
temperatura de recocido de 1000C, la
etapa II es la ms prolongada debido
al mayor tamao de grano producido a
esta temperatura.
Para el acero AISI 1045 el tiempo de ruptura aumenta al incrementarse la
temperatura de recocido debido al
crecimiento de grano.
La velocidad de deformacin (s) por termofluencia, para el acero AISI 1045
aumenta a medida que disminuye la
temperatura de recocido .Esto debido
a que las temperturas de recocido
altas produce tamao de grano
grandes y esto es favorable en
termofluencia.
-
Recomendaciones:
Estudiar el efecto del tamao de grano en el comportamiento a termofluencia de un acero AISI 1045 sobre el tiempo de ruptura sometido a 450 C y 70 MPa.
Evaluar el efecto de la tensin y temperatura en el comportamiento a termofluencia de un acero AISI 1045 para poder obtener el parmetro Larson -Miller y el valor de
la constante C.
-
Fig. A.1 Microestructura del acero AISI 1045, recocida a
850C (tamao de grano aprox.ASTM7) Muestra
ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 208 HB
ataque qumico: Nital 3% 200X
Fig. A.2 Microestructura del acero AISI 1045,
recocida a 900C (tamao de grano aprox.ASTM6).
Consta ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura).
Dureza 196 HB ataque qumico: Nital 3% 200X
FOTOMICROGRAFAS
-
FOTOMICROGRAFAS
Fig. A.3 Microestructura del acero AISI 1045, recocida
a 950C (tamao de grano aprox. ASTM 5). Esta
consta de ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura).
Dureza 178 HB ataque qumico: Nital 3% 200X
Fig. A.4 Microestructura del acero AISI 1045, recocida
a1000C (tamao de grano aprox. ASTM 4). Consta
ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 158
HB ataque qumico: Nital 3% 200X
top related