influencia de la microestructura del acero aisi sae 1045 en el comportamiento ante el impacto de...
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INFLUENCIA DE LA MICROESTRUCTURA DEL ACERO AISI
SAE 1045 EN EL COMPORTAMIENTO ANTE EL IMPACTO DE PROYECTILES
Espejo E. y Castro A. Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogot D.C., Departamento de Ingeniera
Mecnica y Mecatrnica
RESUMEN
En el presente trabajo se describen los tipos de crteres obtenidos durante el
impacto de proyectiles 5,56 SS109 y 7,62 C, sobre una serie de blancos de
acero AISI-SAE 1045, que fueron sometidos a diferentes ciclos de tratamiento
trmico, detallando su mecanismo de formacin y su relacin con la
microestructura.
PALABRAS CLAVE: Impacto, Crteres, Acero, Bandas de Corte Adiabticas, Desconchamiento.
1. INTRODUCCIN De acuerdo al rgimen de velocidad
de impactos de proyectiles sobre
blancos de diferentes materiales, se
puede hablar de impactos a baja
velocidad (3000 m/s)[1].
Como ejemplos se puede
mencionar, que Impactos entre
piezas de maquinaria de
conformado plstico se dan a baja
velocidad, entre proyectiles
provenientes de armas cortas y
blancos a media velocidad, entre los
de armas largas y blancos a alta
velocidad, el conformado de
materiales con explosivos implica
impactos a muy altas velocidades e
impactos de meteoritos o chatarra
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espacial se dan a
hipervelocidades[2].
Ante cargas de impacto en
cualquiera de sus regimenes de
velocidad, se presentan los
siguientes fenmenos: las ratas de
deformacin son altas, se genera
mayor calentamiento en el trabajo
plstico, aumenta la resistencia
mecnica (a fluencia y ltima),
disminuye la ductilidad, disminuye la
tenacidad a fractura, y los esfuerzos
y deformaciones se propagan en
forma de ondas[3,4,5,6,7,8 y 9].
En el diseo de blindajes balsticos
contra proyectiles de armas cortas o
largas, se pueden utilizar materiales
metlicos, cermicos, plsticos o
compuestos de fibra y/o multicapa.
Generalmente en los blindajes
compuestos multicapa, el material
que primero interacta con el
proyectil, debe ser uno de alta
dureza (metal o cermico),
colocando de respaldo materiales
compuestos de matriz polimrica,
que retengan a las partculas
generadas.
Este trabajo presenta los resultados
obtenidos en una tesis de Maestra,
dedicada a estudiar el
comportamiento del Acero AISI-SAE
1045, ante el impacto de proyectiles
de fusil, ya que puede representar
una alternativa econmica a los
aceros comerciales para blindaje,
que al ser microaleados son de
mayor costo.
2. PARTE EXPERIMENTAL
Se sometieron 64 lminas de acero
AISI-SAE 1045 de 20 x 20 x 0,635
cm, a diferentes ciclos de temple-
revenido, normalizado y globulizado,
para ser posteriormente impactadas
con proyectiles 5,56 SS109
(velocidad 925,7 m/s y masa de
4,05 g) y 7,62 C (velocidad 821,78
m/s y masa de 9,46 g). El montaje
experimental de cada lmina para
ser impactada, se muestra en la
vista de planta de la Figura 1.
Una vez impactadas las lminas con
los proyectiles, se clasificaron los
crteres obtenidos y se analizaron
algunos por metalografa, para
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identificar los mecanismos de
deformacin y fractura presentes.
Figura 1. Montaje experimental.
3. CRTERES OBTENIDOS
Los crteres obtenidos en esta
tesis[10] y en los dos trabajos de
grado que la antecedieron[11,12 y 13],
se agruparon de acuerdo a su
morfologa en 6 tipos, Figura 2 (se
muestran como se ven despus de
seccionarlos) y se detallan a
continuacin.
Tipo 1: Crteres perforantes con
protuberancias a entrada y salida.
Donde se pueden tener
delaminaciones (Tipos 1b y 1d) o no
(Tipos 1a y 1c). Las protuberancias
indican fluencia del material original
de la lmina tanto en el sentido de
avance del proyectil como en el
contrario. En algunos crteres las
protuberancias de entrada fueron
desgarradas por la accin erosiva
del plomo (Tipos 1c y 1d). Las
paredes de los crteres se formaron
por deformacin plstica masiva y
en algunos casos fue acompaada
por bandas de corte adiabticas. Caones Soporte
Lmina
Videocmara
Tipo 1a Tipo 1b 15 m
Tipo 1c Tipo 1d
Tipo 2a Tipo 2b
Tipo 2c Tipo 2d
Tipo 3a Tipo 3b
Tipo 4a Tipo 4b
Tipo 6 Tipo 5
Nota: encerradas en protuberancias, en delaminaciones, en grietas circunferenciales en bandas de corte adiabticas y en grietas radiales.
a flecha indica el sentido de incidencia del proyectil. L
Figura 2. Tipos de crteres.
Tipo 2: Crteres perforantes con
protuberancias a salida nicamente.
Donde se pueden tener
delaminaciones (Tipos 2b y 2d) o no
(Tipos 2a y 2c). Las protuberancias
indican fluencia del material original
solamente en el sentido de avance
del proyectil. En algunos crteres
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tambin se presentaron grietas
circunferenciales en la superficie de
impacto (Tipos 2c y 2d). Las
paredes de los crteres se formaron
por bandas de corte adiabticas.
Tipo 3: Crteres perforantes con
fractura frgil por flexin
axisimtrica. Donde se pueden
tener delaminaciones (Tipo 3b) o no
(Tipo 3a). En este caso todo el
material original de la lmina fue
expulsado en el sentido de avance
del proyectil. Las paredes de los
crteres se formaron por fractura
frgil.
Tipo 4: Crteres no perforantes con
grietas radiales en la superficie
opuesta al impacto. Donde se
pueden tener o no presencia de
bandas de corte adiabticas y
grietas circunferenciales alrededor
del sitio de impacto. Pueden tener
delaminaciones en la superficie
opuesta (Tipo 4b) o no (Tipo 4a).
Tipo 5: Crteres no perforantes con
fluencia masiva de material en el
sentido de impacto. Este tipo de
crter no se obtuvo durante las
pruebas balsticas de esta tesis,
pero vale la pena mencionarlo ya
que constituye el ideal a alcanzar en
lminas metlicas para una
detencin ptima.
Tipo 6: Crteres con fragmentacin
total de la lmina por grietas
radiales. Donde se pueden tener o
no bandas de corte adiabticas y
grietas circunferenciales alrededor
del sitio de impacto. Vase tambin
Figura 3.
Figura 3. Fragmentacin ante el impacto
de la lmina.
En funcin de la dureza de las 64
lminas, en las Figuras 4 y 5 se
muestran los tipos de crteres
obtenidos para cada proyectil.
4. GENERACIN DE CHISPAS
En la Figura 1 se puede notar que
durante los impactos se utiliz una
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videocmara, de caractersticas
normales en cuanto a velocidad
(aprox. 8 imgenes por segundo).
En los impactos se generaron
chispas, cuya cantidad fue
proporcional a la dureza del blanco.
0 10 20 30 40 50 60
1
2
3
4
5
6
Tipo
de
Cr
ter
Dureza (RC)
Figura 4. Tipos de crteres en funcin de la dureza de las lminas. Proyectil
5,56 SS109.
0 10 20 30 40 50 60
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tipo
de
Cr
ter
Dureza (RC)
Figura 5. Tipos de crteres en funcin de la dureza de las lminas. Proyectil
7,62 C.
En la Figura 6 se puede notar que la
cantidad de chispas y su
luminosidad, generadas durante los
impactos de los proyectiles 5,56
SS109 sobre lminas templadas
desde 940 C y revenidas a 200,
300, 400, 500, 600 y 700 C, fueron
disminuyendo respectivamente.
De izquierda a derecha y de arriba hacia abajo: revenido a 200 C (55RC), 300 C (48RC), 400 C (43RC), 500 C (35RC), 600 C (30RC) y 700 C (9RC). Proyectil 5,56 SS109.
Figura 6. Chispas generadas en las lminas templadas desde 940 C.
5. MEDICIONES
Se midieron los dimetros a entrada
y salida de los crteres Tipos 1 y 2,
y se graficaron en funcin de la
dureza para los proyectiles 5,56
SS109 y 7,62 C, Figura 7.
Adicionalmente se midi la distancia
a la superficie de impacto del punto
de cambio de flujo sobre la pared de
los crteres Tipos 1, 2 y 3 (cambio
entre flujo hacia entrada y salida),
Figuras 8 y 9.
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0 10 20 30 40 50 600123456789
101112131415
Entrada Promedio de Crteres 1 y 2 Salida Promedio de Crteres 1 y 2 Entrada Promedio de Crteres 3 y 4 Salida Promedio de Crteres 3 y 4
Di
met
ro P
rom
edio
(mm
)
Dureza (RC)
Los crteres 1 y 2 fueron formados por impactos 5,56 SS109, y los 3 y 4 por 7,62 C.
Figura 7. Dimetros de los crteres Tipos 1 y 2 en funcin de la dureza.
Figura 8. Punto de cambio de flujo sobre
la pared de un crter perforante.
6. DEFORMACIN Y FRACTURA Las bandas de corte adiabticas se
formaron en todas las
microestructuras con las que se
impacto el acero AISI-SAE 1045:
ferrito-perlticas, con martensita
revenida a alta temperatura
(esferoidita) y con martensita
revenida a baja temperatura, Figura
10.
0 10 20 30 40 50 60
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Impactos 5,56 SS109 Impactos 7,62 C
Dis
tanc
ia (m
icra
s)
Dureza (RC)
Figura 9. Distancia a la superficie de impacto del punto de cambio de flujo en
funcin de la dureza.
Distancia del Punto de
Cambio de Flujo sobre la Pared del Crter a la Superficie de Impacto
Superior: Normalizado desde 820 C (15 RC); Intermedia: Templado desde 940 C y revenido a 600 C (30 RC); Inferior: Templado desde 1000 C y revenido a 400 C (47 RC).
Figura 10. Bandas de corte formadas en todas las microestructuras.
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Las delaminaciones que se
presentaron en algunos crteres, se
formaron por bandas de corte
adiabticas que nuclearon en
discontinuidades tipo sulfuro, Figura
11.
Figura 11. Banda nucleando en un
sulfuro.
Bandas de corte formadas en el
acero templado y revenido con alta
dureza, pareciera que no poseen
estructura interna, ya que solo se ve
una banda blanca (vase foto
inferior de la Figura 10). Sin
em , en microscopa AFM
rev
gra
Gra
de
en
ma
tem
de
Tipos 1 y 2 (ntese el grado de
alargamiento de los granos, de las
fotos superior e intermedia de la
Figura 10).
Banda
Sulfuro
Acero AISI S1 Templado y Revenido (58 RC), crter tomado de un trabajo de grado anterior.
Figura 12. Imagen AFM del centro de
una banda.
Las grietas radiales y
circunferenciales, se formaron sobre
lminas con microestructuras
compuestas por martensita revenida
de media y alta dureza, Figura 13, y
en algunos crteres con bargoelan un fuerte afinamiento de
igura 12. delaminaciones en estructuras
ferrito-perlticas, la fractura final fue no, Fndes porcentajes generalizados
deformacin, solo se presentaron
estructuras ferrito-perlticas y de
rtensita revenida a alta
peratura, cerca de las bandas
corte o de bordes de crteres
frgil, Figura 14.
7. ANLISIS DE RESULTADOS De la Figura 4 se deduce que en el
caso de impactos con proyectiles
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5,56 SS109, se tendr detencin
total por parte de lminas AISI-SAE
1045 de 6,35 mm de espesor, a
partir de una dureza aproximada de
45 RC y se generar fragmentacin
total de la lmina para mayores de
50 RC. En el caso de proyectiles
7.62 C (de mayor energa que los
5,56) Figura 5, no se logro detener
el proyectil y se obtuvo para
durezas superiores a 50 RC,
formacin de crteres de naturaleza
frgil (Tipo 3), como producto de la
accin de ondas de esfuerzo
(desconchamiento o Spalling).
Templado desde 1000 C y revenido a 200 C (59 RC).
Figura 13. Borde de una grieta radial.
De la Figura 6 de deduce que a
mayor dureza del blanco, se induce
en el proyectil una mayor
destruccin, lo cual se refleja en una
mayor cantidad de material
incandescente generado (chispas),
siendo mximas cuando se
presenta detencin total.
Normalizado desde 820 C (25 RC). Figura 14. Borde de la fractura frgil de
una delaminacin.
Los dimetros de los crteres
perforantes formados por
deformacin plstica masiva y/o
bandas de corte (Tipos 1 y 2),
disminuyeron en funcin de la
dureza de la lmina, es decir, se
restringi la deformacin plstica.
Con lo cual para durezas superiores
a 45 RC empiezan a aparecer
crteres Tipo 3 (para 7,62 C) y Tipo
4 (para 5,56 SS109), Figura 7.
La diferencia principal entre crteres
Tipos 1 y 2, est en la ausencia de
fluencia de material hacia la entrada
de este ltimo, notndose que a
mayor dureza de la lmina, se
tenda a formar crteres Tipo 2 (o
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Tipo 3 para condicin frgil), lo que
concuerda con lo mencionado en el
prrafo anterior, Figura 9.
Al haberse encontrado bandas de
corte adiabticas en todas las
microestructuras y por lo tanto
durezas con las que se impacto el
acero, ello indica que para las ratas
de deformaciones impuestas por los
impactos, el conjunto de
propiedades termomecnicas del
AISI 1045 (conductividad trmica,
sensibilidad a la rata de
deformacin, sensibilidad trmica y
capacidad calorfica), hacen a este
material altamente propenso a la
formacin de est tipo de
inestabilidades plsticas.
Las discontinuidades alargadas en
el acero (sulfuros), resultaron
altamente perjudiciales para su
desempeo balstico, ya que
nuclean con facilidad bandas de
corte adiabticas.
El alto calentamiento generado
dentro de una banda de corte
adiabtica, puede producir
recristalizacin de los granos
deformados en su interior, Figura
12.
La formacin de grietas radiales y
circunferenciales, estuvo asociada a
la presencia de microestructuras de
baja tenacidad de fractura, como las
de la martensita revenida de baja
temperatura, con durezas mayores
de 45 RC.
Las paredes de los crteres Tipo 3,
se formaron por crecimiento
inestable de grietas
circunferenciales, bajo la accin
importante de las ondas de
esfuerzo.
8. CONCLUSIONES
- El acero AISI-SAE 1045 es
susceptible de formar bandas de
corte adiabticas bajo impactos de
alta velocidad.
- La susceptibilidad del acero
empleado a formar
desconchamiento (Spalling), se da
para altas durezas (>50 RC) bajo el
impacto del proyectil de mayor
energa (7,62 C).
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- Para impactos con proyectiles 5,56
SS109, se tendr la siguiente
secuencia de tipos de crteres en
funcin de la dureza: Tipo 1 (50 RC).
- Para impactos con proyectiles 7,62
C, se tendr la siguiente secuencia
de tipos de crteres en funcin de la
dureza: Tipo 1 (50 RC).
- Para el acero AISI-SAE 1045 en
aplicaciones balsticas, se deber
utilizar templado en agua y revenido
con dureza entre 45 50 RC.
AGRADECIMIENTOS A FEGECOR-INDUMIL por la
realizacin de las pruebas balsticas
y al laboratorio de fsica del plasma
de la Universidad Nacional Sede
Manizales, por la toma de imgenes
AFM.
REFERENCIAS [1] A. Castro, E. Espejo y L. Martnez, Estudio de los Tipos de Crteres Obtenidos en el Impacto de Proyectiles 5,56 SS109 Sobre Blancos de Acero AISI-SAE 1045, Revista de Metalurgia CENIM. 36 (2000) 24-32. [2] G. Dieter, Mechanical Metallurgy. Mc Graw Hill. Singapure, 1988, p. 296. [3] J.A. Collins, Failure of Materials in Mechanical Design, 1a ed. John Wiley & Sons. New York, EE.UU., 1981, pp. 500-537. [4] T. Wright, The Physics and Mathematics of Adiabatic Shear Bands, 1a ed. Cambridge University Press, United Kingdom, 2002, pp. 1-34. [5] Melvin F. Kanninen, y Carl H. Popelar, Advanced Fracture Mechanics, 1a ed. The Oxford Engineering, Science Series 15. New York, 1985, pp. 192-280. [6] H. Kolsky, Stress Waves in Solids, 1a ed. Dover Publications Inc. New York, EE.UU., 1963, pp. 1-3. [7] Y. Zeldovich and Y. Raizer, Physics of Shock Waves and High Temperature Hydrodynamic Phenomena, 1a ed in English. Dover Publications Inc. New York, EE.UU., 2002, p. 743. [8] S. Bless, Spall Criteria for Several Metals, Report AFWAL-TR-S1-4040. Air Force Wright Aeronautical Laboratories. Ohio, EE.UU., 1981, pp. 1-25. [9] J. Campbell, W. Gerberich and J. Underwood, Application of Fracture Mechanics for Selection of Metallic Structural Materials. American Society for Metals. Ohio, EE.UU., 1982, pp. 62-65. [10] E. Espejo, Influencia de la Microestructura en los Mecanismos de Formacin de Crteres en Lminas de Acero AISI-SAE 1045 al ser Sometidas a Impacto de Proyectiles. Tesis de Grado para Optar al Ttulo Maestro en Materiales y Procesos de Manufactura. Universidad Nacional de Colombia, sede Bogot, 2003, pp. 144-179. [11] E. Espejo y L. Martnez, Influencia de la Microestructura en la Eficiencia de Blindajes Balsticos Basados en Lminas de Acero, Trabajo de Grado para Optar al Ttulo de Ingenieros Mecnicos, Universidad Nacional de Colombia sede Bogot, 1998, pp. 209-308. [12] A. Castro, E. Espejo y L. Martnez, Formacin y Tipos de Crteres Obtenidos Durante el Choque de Proyectiles Contra Blancos de Acero, Memorias del Primer Congreso Nacional de Ingeniera Mecnica, Tomo I, Bogot D.C., 1999, pp. 358-372. [13] A. Castro, E. Espejo y L. Martnez, Mecanismos de Deformacin y Fractura Presentes en la Formacin de Crteres Durante el Impacto de Proyectiles Sobre Chapas de Acero. Ingeniera e Investigacin. No 48 (2001) 12-19.
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AISI 1045
ACERO GRADO MAQUINARIA
Soluciones slidas y duraderas...
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ACERO AISI-SAE 1045 (UNS G10450) 1. Descripcin: es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarios en condicin de suministro. Este acero medio carbono puede ser forjado con martillo. Responde al tratamiento trmico y al endurecimiento por llama o induccin, pero no es recomendado para cementacin o cianurado. Cuando se hacen prcticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad adecuada. Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricacin de componentes de maquinaria. 2. Normas involucradas: ASTM A108 3. Propiedades mecnicas: Dureza 163 HB (84 HRb) Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI) Esfuerzo mximo 565 MPa (81900 PSI) Elongacin 16% (en 50 mm) Reduccin de rea (40%) Mdulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI) Maquinabilidad 57% (AISI 1212 = 100%) 4. Propiedades fsicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in3) 5. Propiedades qumicas: 0.43 0.50 % C 0.60 0.90 % Mn 0.04 % P mx 0.05 % S mx 6. Usos: los usos principales para este acero es piones, cuas, ejes, tornillos, partes de maquinaria, herramientas agrcolas y remaches. 7. Tratamientos trmicos: se da normalizado a 900C y recocido a 790C
NOTA: Los valores expresados en las propiedades mecnicas y fsicas corresponden a los valores promedio que se espera cumple el material. Tales valores son para orientar a aquella persona que debe disear o construir algn componente o estructura pero en ningn momento se deben considerar como valores estrictamente exactos para su uso en el diseo.
ACERO MAQUINARIA -AISI 1045
-
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