influencia de la carburizaciÓn sobre la vida en fatiga por flexiÓn en un acero aisi 5160...

Universidad Nacional Experimental Politécnica

“Antonio José de Sucre”Vicerrectorado BarquisimetoDepartamento de Ingeniería

Metalúrgica

INFLUENCIA DE LA CARBURIZACIÓN SOBRE LA VIDA EN FATIGA POR FLEXIÓN EN UN ACERO

AISI 5160 DESCARBURIZADO

Autor: Alexander Contreras

Tutor: MSc. Henry Lozada1

INTRODUCCIÓNEl acero AISI 5160 es utilizado para la fabricación de muelles. La principal causa de falla de los muelles se da por fatiga mecánica, ocasionando este fenómeno una fractura que se inicia en la superficie del material, además de que muchos de estos muelles son conformados en caliente, por lo que tienden a ser muy susceptibles a la descarburización.

En este trabajo se simularon condiciones de conformado de los muelles de ballesta (como tiempos y temperaturas de estancia dentro de los hornos sin atmósfera controlada), para descarburizarlos y se observaron los efectos sobre la vida en fatiga en el acero. 2

Los muelles que son conformados en caliente tienden a ser muy susceptibles a la descarburización durante el conformado si no hay una atmósfera controlada del horno, por lo cual puede que la descarburización sea uno de los factores que incide negativamente en la resistencia a la fatiga.

Por esta razón es importante conocer el efecto que podría tener la carburización sobre la vida en fatiga por flexión y de esta manera emplear este tratamiento térmico como una herramienta para recuperar muelles que puedan sufrir este problema.

3

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Es de gran importancia conocer la influencia de la carburización sobre la vida en fatiga por flexión en un acero AISI 5160 descarburizado, debido a que permitirá conocer si este tratamiento térmico es capaz de acondicionar el material que ha sufrido una descarburización por un mala operación durante su fabricación, para que cumpla con los requisitos mínimos que debe tener el material para ser utilizado como acero de muelles según la norma Venezolana COVENIN 966-78 “Ballestas para vehículos automotores” (Poseer una estructura martensítica y tener durezas comprendidas entre los valores de 380Hv-500Hv).

4

JUSTIFICACIÓN

En el año 1993 R.G. Baggerly y R.A. Drollinger estudiaron la “Determinación de la Carburización en Acero”.

En el año 2000 G. H. Rubiolo, M. Ortiz y J. Vera Alvarado estudiaron el “Granallado de pre-tensionado III: Comportamiento en fatiga de alto número de ciclos”.

En el año 2004 Y. Prawoto, N. Sato, I. Otario y M. Ikeda estudiaron la “Restauración de Carbono en capa descarburizada de resortes de acero”.

5

ANTECEDENTES

En el año 2004 Pedro Este y Laura Sáenz estudiaron la “Evaluación de la resistencia a fatiga y limite de fatiga de aceros de medio y bajo Carbono”.

En el año 2005 Félix Moreno, Wilman Salazar y Laura Sáenz estudiaron la “Evaluación del comportamiento mecánico a la fatiga en aceros AISI 4340 y AISI 4140”.

En el año 2007 J. J. Fuentes, H. J. Aguilar, J. A. Rodríguez y E. J. Herrera estudiaron la “Fractura prematura de ballestas de vehículos automóviles”.

6

ANTECEDENTES

Objetivo GeneralEvaluar la influencia de la carburización sobre la vida en fatiga por flexión en un acero AISI 5160 descarburizado.

Objetivos específicos1. Simular la descarburización del proceso de conformado de la

empresa RESORTES VANDERBILT.2. Determinar los parámetros adecuados de operación del

sistema de carburización a utilizar.3. Analizar los resultados de los procesos de descarburización y

carburización en un acero AISI 5160 mediante análisis químico, metalografías y perfiles de dureza.

4. Evaluar las curvas S-N del ensayo de fatiga por flexión de las probetas de acero AISI 5160 carburizado y descarburizado.

7

OBJETIVOS

Fatiga de materialesEs un fenómeno en el cual se da la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas, se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura.

Ciclo de carga en fatiga de flexión rotativa 8

REVISION BIBLIOGRAFICA

Curvas S-N, estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande. Se cuentan los ciclos hasta rotura.

Ejemplos de curvas S-N9


Curvas S-N para los aceros AISI 1020, 1030 y 104510


Curvas S-N para los aceros AISI 4140 y 434011


Inicio de grietas en fatiga.El mecanismo de deslizamiento en el inicio de las grietas por fatiga se explica en base a una serie de intrusiones y extrusiones que se desarrollan en la superficie durante los ciclos de esfuerzo.

Mecanismo que da inicio a una grieta por fatiga 12


Principios Generales de la Mecánica de la Fractura.En la mecánica de la fractura en fatiga el parámetro mas importante que hay que establecer es el relacionado con la fluctuación del factor de intensidad de esfuerzos con la variación de esfuerzos.

ΔK= Kmax - KminΔσ = σmax – σmin

K: Factor de intensidad de esfuerzos.a: Longitud de la grieta o defecto.σ: Esfuerzo aplicado.

Y: Factor geométrico.13


Principios Generales de la Mecánica de la Fractura.

Crecimiento de grieta por fatiga en metales14


Acero AISI 5160.

Composición química del acero AISI 5160

Propiedades mecánicas del acero AISI 5160 15


Efecto del porcentaje de Carbono sobre los diagramas TTT.

16


Proceso de Conformado de BallestasProceso de conformado de la empresa RESORTES VANDERBILTCorte de pletinas.Corte y desbaste de los extremos de la pletina.Se calienta el centro de la pletina y se abre el agujero pasador central mediante un punzonado.Se calientan los extremos de la pletina y se perforan para el posterior ensamble de las grapas y se hace el orejamiento.Desbaste superficial en frio.Se calienta a 900°C por 30 minutos, después se conforma y se templa en aceite.Se reviene el muelle.

17


Actividades

Obtención del material. Fabricación de las probetas para el ensayo de fatiga y de las

probetas control. Realizar el temple y el revenido sobre 4 probetas de fatiga,

cuidando de no descarburizar la superficie, las cuales se tomaran como probetas patrón.

Realizar la descarburización sobre 32 probetas de fatiga y a 10 probetas de control.

Templar y revenir, la mitad de las probetas descarburizadas. La otra mitad se dejan enfriar al aire para su posterior carburización.

Realizar análisis metalográfíco, mediciones de dureza y análisis químico a las probetas de control para verificar los resultados de la descarburización. 18

METODOLOGÍA

Actividades

Realizar la carburización en la mitad de las probetas descarburizadas.

Templar y revenir, las probetas carburizadas. Realizar las metalografías, mediciones de dureza y análisis

químico a las probetas de control para verificar los resultados de la carburización.

Realizar los ensayos de fatiga por flexión sobre todas las probetas.

Graficar las curvas S-N de acuerdo con los datos obtenidos en el ensayo de fatiga por flexión.

Analizar los resultados obtenidos.

19

METODOLOGÍA

MaterialesPletinas de acero AISI 5160.Agente cementador.

EquiposTermocupla, Horno de resistencia eléctrica, Equipo de ensayos de fatiga por flexión, Espectrómetro de masa, Sierra tronzadora, Durómetro Vickers, Desbastadora metalográfica, Pulidora metalográfica, Microscopio óptico.

20

METODOLOGÍA

MétodosFabricación de las Probetas para fatiga.Se tornearán con las dimensiones tomadas del manual Estudio y Evaluación de un Equipo de Fatiga por Flexión para el Laboratorio de Metalurgia Mecánica, del Ing. Santiago Durán.Donde:L = 55 mm.d = 9 mm.r = 38 mm.Ø = 4,4 mm.

Probeta para la prueba de fatiga 21

METODOLOGÍA

Sistema de nomenclatura de las Probetas para fatiga.

22

METODOLOGÍA

Nomenclatura Designaciones Significado

X.Y.Z

X: Puede tomar las designaciones C, D y N.Y: Puede tomar las designaciones a, b, c, d, y e.Z: Puede tomar las designaciones 1, 2, 3 y 4

C: Carburizadas.D: Descarburizadas.N: Capa superficial original del material.a: Carga de 475 Mpa.b: Carga de 400 Mpa.c: Carga de 250 Mpa.d: Carga de 200 Mpa.e: Carga de 100 Mpa.1: Probeta 1.2: Probeta 2.3: Probeta 3.4: Probeta 4.

Fabricación de las Probetas Control.Se realizó dos tipos de probetas control:

a) Probetas control para realizar metalografías y mediciones de dureza, éstas tienen una dimensiones de 1×1×1 cm.

b) El análisis químico se tuvo que realizar sobre otro tipo de probetas de control, debido a los requerimientos físicos del espectrómetro de emisión óptica. Dichas probetas eran de 3×3×1 cm.

23

METODOLOGÍA

Probetas con capa superficial original del material.

24

METODOLOGÍA

Tratamientos Térmicos

Se Preparan 4 Probetas del

Ensayo de Fatiga

TempleRevenido

Fin de los Tratamientos

Térmicos

Descarburización de las Probetas.

25

METODOLOGÍA


Descarburización de Todas las

Probetas

Temple

No

Si

Se Templan en Aceite 16 Probetas

para Fatiga y la Mitad de Probetas

Control

Revenido


Térmicos

Se Enfrían al Aire el Resto de Probetas

Proceso de Carburización de

las Probetas


Térmicos

Carburización de las Probetas.

26

METODOLOGÍA


Preparación de las Cajas de

Recocido

Se Introducen al Horno

TempleRevenido


Térmicos

Verificación de los Resultados de los Tratamientos

Metalografía. Se utilizó para verificar los cambios de fases sufridos en ellas debidos a los tratamientos térmicos aplicados y también para medir la capa descarburizada.

Análisis Químico. Este se realizó en un ESPECTRÓMETRO DE EMISIÓN ÓPTICA, de marca Baird Spectrovac de la serie 1000. Se realizó sobre las caras superficiales de 3×3 cm de las probetas control.

27

METODOLOGÍA

Mediciones de dureza. Se realizaron perfiles de durezas comenzando desde el exterior del material hasta el interior del material. Luego para relacionar las durezas con el porcentaje de carbono se utilizaron las siguientes ecuaciones tomadas del antecedente R.G. Baggerly y R.A. Drollinger (1993).

Relación lineal entre dureza y el % de Carbono.

a: Intersección de la relación lineal.H: Dureza medida en el material.m: Es la pendiente de la relación lineal.C:Porcentaje de Carbono en la zona donde se midió la dureza del material.

28

METODOLOGÍA

Mediciones de dureza.

Relación entre el contenido de Carbono y la intersección de la relación lineal.

Relación entre el contenido de Carbono, la intersección de la relación lineal y la pendiente de la relación lineal.

HS: Dureza medida en la superficie del material.

HO: Dureza medida en el interior del material.

CS: Porcentaje de Carbono en la superficie del material.

CO: Porcentaje de Carbono en el interior del material.29

METODOLOGÍA

Ensayo de Fatiga por Flexión

Los rangos de esfuerzos con el cual se realizaron los ensayos estuvieron en los valores de 475, 400, 250, 200 y 100 MPa, estos rangos de esfuerzos fueron seleccionados en base al estudio realizado en el antecedente de G.H. Rubiolo, M. Ortiz y J. Vera Alvarado (2000). Si la probeta no falla a los 10 millones de ciclos se detiene la prueba porque se considera que el valor del esfuerzo está por debajo del límite de fatiga.

30

METODOLOGÍA

Efectos de la carburización y de la descarburización sobre el porcentaje de carbono superficial

Tabla de datos de los porcentajes de Carbono

31

RESULTADOS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS

z Carburizado Descarburizado

%C. Superficial 1,074 0,263

%C. Centro 0,567 0,567

•Capa descarburizada

32


100X25 Micras

500X5 Micras

500X5 Micras

1000X2.5 Micras

Micrografías de la superficie del acero AISI 5160 descarburizado. Atacada con Nital 2%.


Perfil de dureza del acero AISI 5160 Descarburizado

33


0 50 100 150 200 250 300 3500

100

200

300

400

500

600

Acero AISI 5160 descarburizado

Acero descarburizado

Tendencia Hv vs X

X (Micras)

Dureza Hv


Variación del porcentaje de Carbono del acero AISI 5160 Descarburizado

34


0 50 100 150 200 250 300 3500.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.5000.5500.6000.6500.700

Variación del %C del acero AISI 5160 descarburizado

%C

Tendencia %C vs X

X (Micras)

%C

•Capa carburizada

35


Micrografías de la superficie del acero AISI 5160 carburizado. Atacado con Nital 2%.

100X25 Micras

500X5 Micras

1000X2.5 Micras

•Capa carburizada

Perfil de dureza del acero AISI 5160 carburizado

36


0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

100

200

300

400

500

600

700Acero AISI 5160 Carburizado

Acero Carburizado

Tendencia Hv vs X

X (Micras)

Dureza Hv

X (Micras)

Dureza Hv

•Capa carburizada

Variación del porcentaje de Carbono del acero AISI 5160 carburizado

37


0 50 100 150 200 250 300 350 4000.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

1.100

1.200

Variación del %C del acero AISI 5160 carburizado

%C

Tendencia %C vs X

X (Micras)

%C

•COMPARACION DE LAS CURVAS S-N DEL ACERO AISI 5160

38


Curvas S-N σ (Mpa) Numero de ciclos (N)

Log Nf

475 161748 5,20Acero 400 1024986 6,01

AISI 5160 250 7039537 6,84

200 Indeterminado ------475 72100 4,86

Acero AISI 5160

400 273340 5,44

Descarburizado

250 3260895 6,51

100 Indeterminado ------

475 180701 5,26

Acero AISI 5160

400 1523726 6,18

Carburizado 250 8250928 6,92

200 Indeterminado ------

•COMPARACION DE LAS CURVAS S-N DEL ACERO AISI 5160

Curvas S-N del acero AISI 5160, en condiciones de descarburación, carburación y con la superficial original del

material 39


4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Acero AISI 5160 curva S-N Acero AISI 5160Descarbur-izadocurva S-N Acero descarbur-izadoCarburizadocurva S-N Acero carbur-izado

Log Nf

σ (MPa)Curvas S-N para el acero AISI 5160

•CURVAS DE PROBABILIDAD DE SUPERVIVENCIA

Curvas de probabilidad de supervivencia para el acero AISI 5160 descarburizado

40


0 500000 1000000150000020000002500000300000035000000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

75%Linear (75%)90%Linear (90%)95%Linear (95%)99%Linear (99%)

Curvas de probabilidad de supervivencia para el acero AISI 5160 descarburizado

N° ciclos

σ (Mpa)

•CURVAS DE PROBABILIDAD DE SUPERVIVENCIA

Curvas de probabilidad de supervivencia para el acero AISI 5160 carburizado

41


0 2000000 4000000 6000000 8000000 100000000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

75%Linear (75%)90%Linear (90%)95%Linear (95%)99%Linear (99%)

N° ciclos

Curvas de probabilidad de supervivencia para el acero AISI 5160 carburizadoσ (Mpa)

•ANALISIS DE LA VIDA RESIDUAL DEL ACERO AISI 5160

Tamaños de grietas iniciales y crítico para el acero AISI 5160

Cabe destacar que el acero descarburizado es más propenso a originar grietas por fatiga de mayor profundidad que el acero carburizado debido a su baja dureza producto del bajo porcentaje de Carbono y es éste uno de los factores que contribuye a la disminución de la resistencia a la fatiga del acero descarburizado.

42


Grieta 100 MPa 200 MPa 250 MPa 400 MPa 475 MPa

ai315

micras

81 micras 52 micras 20 micras 14 micras

ac2907

micras

2217

micras

1997

micras

1515

micras

1324

micras

•CONCLUSIONES

El proceso de conformado de los muelles en hornos sin atmósfera protegida con los parámetros simulados produce la descarburización del acero AISI 5160.

El uso de Durferrit como agente carburante logra una carburización exitosa del material, con un 1,074 %C de aporte en la superficie y una profundidad aproximada de más de 300 micras. Se utilizó para carburizar a 900°C por 30 minutos

43

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

•CONCLUSIONES

La carburización sólida del acero AISI 5160 descarburizado mejora la curva S-N del material al moverla hacia arriba, superando a la curva S-N del acero AISI 5160 original, con lo cual se concluye que la carburización fue capaz de restituir la resistencia a la fatiga perdida por efecto de la descarburización.

Se realizaron curvas de probabilidad que dan un estudio estadístico del nivel de confianza que disminuye la probabilidad de fractura a criterio del investigador, importante en todo momento para estimar la vida de un elemento de máquina sometido a fatiga. 44


•RECOMENDACIONES

Para posteriores estudios, mecanizar la cantidad de probetas necesarias para abarcar un muestreo más grande para cada carga estudiada en las pruebas de fatiga, se recomienda usar un número de 8 probetas por cada carga estudiada, para poder tener una buena tendencia del comportamiento del material.

Mejorar el sistema de amortiguación del equipo con la finalidad de minimizar en mayor cantidad vibraciones en el equipo.

Tener cuidado al cortar las probetas que han sido descarburizadas para evitar que se redondeen los bordes. 45


•RECOMENDACIONES

Usar métodos metalográficos que conserven los bordes de las probetas descarburizadas.

Realizar inspección visual y realizar el END de tintas penetrantes, para verificar de que no se hayan producido grietas por el temple.

Proteger a las probetas durante el revenido para evitar la descarburización, debido a que durante el revenido las probetas se descarburizan. Aunque para efectos de este estudio se desprecio debido a la baja temperatura (450 °C) y al tiempo de revenido (1 hora). 46


Gracias por su atención

47

influencia de la carburizaciÓn sobre la vida en fatiga por flexiÓn en un acero aisi 5160...

Documents