1. Introducción. Superficies y Vacío 23(S) 10-14, agosto de Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales

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1 Evaluación de propiedades mecánicas de dos aceros grado herramienta AISI-O1, AISI- D2 y obtención de la concentración de esfuerzos en la geometría de mordazas de sujeción de especímenes compactos de tensión Jan Mayén Chaires*, José Ángel Segura, Sergio A. Serna Barquera, Arturo Molina Ocampo, Universidad Autónoma del Estado de Morelos CIICAp, Avenida Universidad s/n Col. Chamilpa, 62209, Cuernavaca Morelos Osvaldo Flores Cedillo, Bernardo Campillo Illianes Instituto de Ciencias Físicas/Facultad de Química-UNAM Paseo de la Investigación Científica s/n, Ciudad Universitaria Coyoacán, 04510, México, D.F. (Recibido: 18 de febrero de 2010; Aceptado: 04 de junio de 2010) El presente trabajo analiza las propiedades mecánicas de aceros grado herramienta (AISI-D2 y AISI-O1), maquinadas, y tratadas térmicamente con la finalidad de diseñar y fabricar mordazas y pernos de sujeción para especímenes compactos de tensión (ct) de hasta un espesor de 10 mm, sometidos a cargas estáticas y dinámicas (caso de fatiga) para ensayos que determinen la tenacidad a la fractura (K1c) y evaluación del crecimiento de grieta, bajo normas de la ASTM E399 y E647 [1,2]. Se diseñaron y realizaron ensayos de tracción por duplicado de los aceros mencionados. Todas las probetas ensayadas fueron sometidas previamente a un tratamiento térmico, a fin de obtener las condiciones adecuadas para las mordazas de sujeción en servicio. Se obtuvieron resultados de propiedades mecánicas necesarias. Estas características se utilizaron posteriormente para analizar las mordazas y el espécimen (ct) por medio de ANSYS versión 11 programa computacional de elemento finito, determinando y ubicando los esfuerzos máximos para mejora del diseño, por medio de los cuales finalmente se calcula el número de ciclos para que se presente agrietamiento en cada uno de los componentes, bajo cargas dinámicas. Palabras claves: Propiedades mecánicas; Cargas dinámicas; Cargas estáticas; Tenacidad a la fractura; Crecimiento de grieta; Evaluación del crecimiento de grieta; Espécimen compacto de tención (ct) The present work analyze AISI D2 and O1 Tool steels mechanical properties for the design and fabrication of pins and fixtures suitable for loading statically and dynamically Compact Tension (CT) specimens up to 10 mm thickness. The CT specimens were used later for fracture toughness (KIc) and fatigue crack growth testing under ASTM standards E-399 and E-647 respectively [1,2]. Tool steels tension test were designed and carried out twice. All tension specimens were previously heat treated to obtain proper conditions for the in service pins and fixtures. The required mechanical properties results were obtained. These results were utilized for pin, fixtures and CT specimen analysis by means of a commercial ANSYS version 11 finite element computational package, determining and locating maximum stress for design improvement. Finally, the number of cycles to cracking under dynamic loading was calculated for each component (pin and fixtures). Keywords: Mechanical properties; Dynamic loadings; Static loadings; Fracture toughness; Crack growth; Crack growth assessment; Compact tension specimen (CT) 1. Introducción Frente a la constante demanda en la reducción de costo de los componentes y partes para la realización de diferentes ensayos tanto a nivel investigación como industrial, la fabricación de mordazas de sujeción para ensayos estáticos y dinámicos con aceros grado herramienta está en una posición promisoria. Este tipo de mordazas pueden ser utilizadas en cualquier laboratorio tanto de control de calidad en industrias metal-mecánicas como de investigación donde se requiera determinar tenacidad a la fractura y tasa de crecimiento de grieta, ya que es importante conocer ambas propiedades en materiales estructurales, particularmente de aceros en este caso, para fabricación de tuberías, armaduras, entre otras. Debido a que las mordazas de prueba del diseño original fueron fracturadas en servicio (durante la fase de pre agrietamiento del espécimen compacto a una carga máxima de 1.8 toneladas) el equipo se dio a la tarea de diseñar nuevamente la geometría de las mordazas, la selección del material que conformaría las nuevas mordazas y la selección del tratamiento térmico adecuado para obtener las propiedades mecánicas necesarias y soportar la carga de 1.8 toneladas, la cual es la carga máxima de prueba necesaria. Para tal efecto fue necesaria la simulación de las mordazas mediante ANSYS 11 para determinar la concentración de esfuerzos máximos y compararlo con el esfuerzo máximo soportado por el material y geometría diseñada, así como analizar la fractografía de los materiales seleccionados para determinar la óptima configuración entre material y geometría. 10

2 Figura 1. Geometría original del sistema completo (mordazas, pernos y probeta ct). Escala en mm. Figura 2. Geometría final después del análisis con ANSYS 11 del sistema completo (mordazas, pernos y probeta ct). Escala en mm. Figura 3. Plano de probeta utilizada en los ensayos de tracción con espesor de 6mm con fundamente en la norma ASTM E8/E8M Figura 5 Gráfica de esfuerzo contra deformación donde se observa el comportamiento semidúctil del acero (AISI-D2). El tipo de gráfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del límite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevándose hasta la fractura del acero. Se seleccionaron los tratamientos térmicos de los aceros a evaluar [3,4], ensayos de tracción para determinar las propiedades mecánicas con base en la norma ASTM E8/E8M [5,6], la utilización de microscopia electrónica de barrido (MEB) para el análisis de fractura y el uso de ANSYS 11 en la determinación de la distribución de esfuerzos (máximos) que propiciarían el inicio de grietas y posteriormente llevarían a una falla de los componentes (pernos, mordazas y espécimen compacto). Se determinó mediante el análisis de los conceptos anteriores que aunque el acero AISI-O1 y AISI-D2 presentan propiedades mecánicas similares, el análisis de fractura nos muestra que el AISI-O1 sería el indicado por presentar una dureza de 51.7 RHc y mayor tenacidad que el acero AISI-D2. 2. Metodología Experimental Figura 4 Gráfica de esfuerzo contra deformación donde se observa el comportamiento semidúctil del acero (AISI-O1). El tipo de gráfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del límite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevándose hasta la fractura del acero. El material utilizado en el presente trabajo fue producido por Aceros Fortuna S.A. de C.V. Las probetas para ensayos de tracción fueron elegidas de perfil plano con fundamento en la norma ASTM E8/E8M [5] y el diagrama se muestra a continuación. Los aceros utilizados (AISI-O1 y AISI-D2) presentan la siguiente composición química. El tratamiento térmico de los aceros se realizó basado en las curvas correspondientes de templado y revenido. El templado en ambos casos se realizó en aceite, las condiciones para el tratamiento térmico se hicieron en base a hojas de especificaciones de la empresa Norte Americana Uddeholm [3,4]. 11

3 Tabla 1. Composición química de los aceros AISI O-1 y AISI D-2 obtenida de la referencia [6]. DESIG. COMPOSICIÓN QUÍMICA (%) AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co 0.30 O max max max D max max max max 3. Ensayos de Tracción Las Figuras 4 y 5 permiten comparar los valores de tensión de rotura a una velocidad constante de deformación de 5 mm/segundo, así como un comportamiento semidúctil en los aceros AISI-O1 y AISI-D2. El tipo de gráfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del límite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevándose hasta la fractura del acero. El tipo de gráfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del límite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevándose hasta la fractura del acero. Debido a que no se puede observar con facilidad en este tipo de gráficos de aceros de alta resistencia donde se encuentra el límite de fluencia y el esfuerzo último, se utiliza el método de trazar una línea paralela con la misma pendiente a la curva iniciando en 2% de deformación y donde estas 2 curvas se intercepten se encuentra el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo último es el esfuerzo máximo presentado antes de la ruptura. Las siguientes tablas muestran los resultados comparativos obtenidos mediante el ensayo de tracción de los aceros AISI-O1 y AISI-D2. La microdureza de los materiales se obtuvo mediante la utilización de un micro durómetro marca Future Tec FM Micrografías de la fractura en los aceros AISI-O1 y AISI-D2 Figura 6. Micrografía MEB con aumento de 1.0 Kx de la fractura del acero AISI-D2 [6], donde se puede observar un comportamiento muy frágil, esto se puede deducir ya que se observan partes lisas en un tono oscuro que representan granos cuya fractura fue súbita y no permitió deformación plástica, la cual se puede observar en la siguiente imagen. Figura 7. Micrografía MEB con aumento de 1.0 Kx de la fractura del acero AISI-O1 [6], donde se puede observar un comportamiento dúctil con un gran número de zonas de deformación plástica marcadas en color blanco en forma de telarañas. 5. Fotografías de las fallas de la geometría inicial de las mordazas Se pueden observar los puntos donde se concentran los esfuerzos que originan grietas y posteriormente como consecuencia de la acumulación de esfuerzos en las puntas de las grietas ocurre la falla. Para conocer las partes o zonas de mayor concentración de esfuerzos, en diferentes puntos de las mordazas, los pernos y el espécimen se llevó a cabo un estudio estructural utilizado un programa de elemento finito (ANSYS 11) [10]. Los resultados se discuten en el siguiente subtema. 6. Análisis numérico Este análisis numérico se realizó para determinar la distribución del esfuerzo en las mordazas, pernos y espécimen, con el objetivo de poder ubicar las zonas de mayor concentración de esfuerzo. Una vez, conociendo la posición y la magnitud del esfuerzo máximo se procedió a estimar que elemento fallaría primero, calculando el número de ciclos en el que se iniciará el agrietamiento [7,8]. Las propiedades mecánicas que se muestran en la tabla 2 y 3, se usaron para el análisis por elemento finito, también se utilizó para ambos aceros una densidad de 7850 kg/m 3 y un coeficiente de Poisson de 0.3. La figura 9 muestra el modelo discreto y el estado de esfuerzo, del conjunto de elementos, por otro lado las dimensiones del espécimen son 12

4 Figura 8 Fotografía de la falla presentada en las mordazas en servicio, fabricadas con acero AISI-O1. (a) Figura 9 Elementos ensamblados: (a) Modelo discreto; (b) Distribución de esfuerzos. (b) las especificadas por la ASTM norma E [2] para un espécimen compacto (CT), donde w = 20 mm. Este modelo está construido con 9281 elementos, las restricciones de movimiento se aplican en la mordaza inferior en su extremo y en el extremo superior se aplico una carga, de 9000 y 7000 Newton (ver figura 9a). En este análisis preliminar se utilizaron elementos de contacto únicamente en el perno superior usando una rigidez de contacto de 2 GPa, cabe mencionar que no se considero fricción en el análisis. La figura 9b presenta la distribución de los esfuerzos. La figura 10 presenta las zonas de mayor concentración de esfuerzos en las mordazas y el perno. Con respecto a las mordazas el mayor esfuerzo se presenta en el área inferior de contacto con el perno el cual es de MPa. Para la mordaza la ubicación del esfuerzo calculado numéricamente se presenta en la misma zona como ocurrió la fractura en el análisis experimental (ver figura 8). El esfuerzo máximo en el perno se presenta entre el segmento que conecta con el espécimen y la mordaza siendo mayor cerca de la mordaza con un valor de MPa. El menor esfuerzo se presentó en el espécimen en los extremos de la muesca con magnitud de MPa. Se puede observar que el perno podría presentar primero agrietamiento, por lo que se llevará a cabo el cálculo por fatiga para el inicio de la grieta, usando el criterio de esfuerzo vida (S-N) [7,8]. Las ecuaciones usadas se muestran a continuación [3]. a ( 0.9S ) 2 ut = (1) Se 1 0.9Sut b = log (2) 3 S 1 b e a N = σ (3) a Donde: S ut = resistencia última, σ a = esfuerzo alternativo, N = número de ciclos, Se = límite de fatiga. El esfuerzo máximo en el perno por la carga de 7000 N es de MPa. Por lo tanto el esfuerzo alternativo es MPa. Con respecto a la resistencia última del acero de MPa (ver tabla 3), se presentaría la grieta a los 7.893x10 15 ciclos. Este Número de ciclos podría considerarse que tiene vida infinita. Sin embargo, ahora se debe observar cómo se comportara en forma experimental. Con estos resultados numéricos se puede observar que fractura el perno antes que el espécimen. Pero se busca que se presente la grieta primero en el espécimen, para posteriormente analizar la propagación de la grieta. Figura 10 Esfuerzos máximos en la mordaza y perno. 7. Conclusiones Ambos aceros presentan propiedades mecánicas similares, aunque existe una pequeña diferencia que nos indica que el acero AISI-O1 es ligeramente superior al acero AISI-D2. 13

5 Tabla 2 Propiedades mecánicas acero AISI-D2. PRUEBA UTS E SY S. FRACTURA DEFORMACIÓN REDUCCIÓN DE ÁREA (MPa) (GPa) (MPa) (MPa) (%) (%) HV HRC AISI-D Tabla 3 Propiedades mecánicas acero AISI-O1. PRUEBA UTS E SY S. FRACTURA DEFORMACIÓN REDUCCIÓN DE ÁREA (MPa) (GPa) (MPa) (MPa) (%) (%) HV HRC AISI-O Aunque el acero AISI-O1 presenta mayor tenacidad que el acero AISI-D2 dicha diferencia es mínima ya que en ambos se pretendía alcanzar una dureza entre HRC, el criterio de selección pudiera ser en función de 3 cuestiones importantes: En especificaciones por diversos fabricantes incluyendo las especificaciones de Uddeholm y Aceros Fortuna ambos presentan que el acero AISI-O1 tiene mayor resistencia al desgaste por lo que al estar expuesto a fatiga este tendría mayor resistencia al rozamiento entre perno-mordazaprobeta, el cual sería un criterio de selección. El costo por kilogramo de material es más bajo el acero AISI-O1 con respecto al acero AISI-D2 Por último las temperaturas tanto de temple como de revenido son menores en el acero AISI-O1 con respecto al acero AISI-D2, por lo que el consumo de energía en este caso es menor. Es importante mencionar dentro de las conclusiones que se seleccionó en primera instancia el acero AISI-O1 por economía y se tuvo que seleccionar una contraparte AISI- D2, ya que el primero su uso es generalmente para herramientas de corte, por lo que la aplicación de herramienta de sujeción no era recomendada para este acero y si para el AISI-D2, sin embargo en la experimentación de prueba de mordazas de sujeción el acero indicado es el AISI-O1. La dureza de ambos aceros está en un rango entre 50 y 55 HRc, lo cual es indicado para el tipo de servicio al que están sometidas las mordazas En base al análisis de las micrografías de fractura, podemos observar que aunque presentan propiedades mecánicas similares, el acero AISI-O1 presenta mayor tenacidad con respecto al acero AISI-D2. [6] En base al análisis numérico, la distribución de los esfuerzos presenta las zonas que se deben reforzar en la mejora del diseño. También se observó que las zonas de mayor concentración de esfuerzos se presentan en la misma ubicación donde se fracturaron las mordazas y los pernos experimentalmente. Como resultado de la simulación y una estimación en modo de fatiga del sistema completo (mordaza, pernos y espécimen), con las propiedades mecánicas que se conocen de los aceros en cuestión podemos decir que el agrietamiento se presentaría primero en: en el perno debido a los esfuerzos cortantes que actúan sobre él, después en la mordaza y por ultimo en la probeta. Sin embargo la fatiga en el perno se presenta a un número de ciclos muy elevado. De lo anterior concluimos que de los 2 aceros grado herramienta el adecuado para este tipo de dispositivos de sujeción es el AISI-O1. [6]. Referencias [1]. Standard Test Method Measurement of Fatigue Crack Growth Rates E647-00, ASTM International, (2001). [2]. Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials E , ASTM International, (1997). [3]. Bohler-Uddeholm Corporation, AISI O-1 Cold Work Tool Steel, (United States, 2010), data sheet. [4]. Bohler-Uddeholm Corporation, AISI D-2 Cold Work Tool Steel, (United States, 2010), data sheet. [5]. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials E8 / E8M 09, ASTM International, (2009). [6]. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special- Purpose Materials, ASM Handbook, (1990), Volume 8. [7]. Shigley J. E. and Mischke C. R., Diseño en Ingeniería Mecánica, Sexta Edición, (Ed. McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V., 2002). [8]. G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd ed., (McGraw Hill, New York, 1976). [9]. Mechanical Testing and Evaluation, ASM Handbook, (2000), Volume 8. [10]. Saeed Moaveni, Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, (2007). 14

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