Análisis de Mecánica de la Fractura para un Espécimen Compacto de Aluminio 6061T6

Transcripción

1 INSTITUTO TECNÓLOGICO DE CELAYA Análisis de Mecánica de la Fractura para un Espécimen Compacto de Aluminio 6061T6 Casique Aguirre L.*, Alcaraz Caracheo L.A.*, Terán Guillén J.**, Rodríguez Castro R.* *Instituto Tecnológico de Celaya, Av. Tecnológico S/N, Celaya, Gto., **Instituto Mexicano del Transporte, Apartado Postal 1098, Querétaro, Qro.,

2 CONTENIDO RESUMEN INTRODUCCIÓN OBJETIVOS OBTENCIÓN DE K EXPERIMENTAL OBTENCIÓN DE K CON ANSYS RESULTADOS DE K CRECIMIENTO DE GRIETA TRAYECTORIA DE GRIETA CONCENTRACIÓN DE NODOS EN LA GRIETA RESULTADOS DEL CRECIMIENTO DE GRIETA CONCLUSIONES REFERENCIAS

3 RESUMEN Se obtuvo de manera experimental y numérica el factor de intensidad de esfuerzos para una aleación de aluminio 6061 usando un espécimen compacto. La validación de estos resultados permitió simular la trayectoria del crecimiento de la grieta en la probeta sometida a un estado mixto de carga (K I y K II ).

4 INTRODUCCIÓN Buena resistencia a la corrosión La aleación de aluminio posee características excepcionales Formabilidad Facilidad para soldar Ligereza Estas características le permiten ser un material idóneo dentro de la industria aeronáutica, naval, automotriz y de construcción. Los componentes están expuestos a condiciones dinámicas.

5 INTRODUCCIÓN Entre los parámetros más significativos en el estudio de mecánica de la fractura, se encuentra el factor de intensidad de esfuerzos (K) que nos define el estado de esfuerzos en la punta de una grieta. K I = Yσ(πa) 1/2

6 OBJETIVO Simular la trayectoria de la grieta para una probeta de tensión compacta sujeta a una condición de carga mixta (K I y K II ), bajo la teoría de Mecánica de la Fractura Elástica Lineal (MFEL). Metas: 1. Obtener y validar el factor de intensidad de esfuerzos de manera experimental. 2. Obtener el factor de intensidad de esfuerzos usando ANSYS.

7 OBTENCIÓN DE K EXPERIMENTAL Para la obtención del factor de intensidad de esfuerzos (K) se utiliza el método de prueba estandarizado de la norma ASTM E 399 [1]. Para validar la prueba se fabricaron 4 especímenes compactos.

8 OBTENCIÓN DE K EXPERIMENTAL PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4 Número de trabajo: ITC1 ITC2 ITC3 ITC4 Id. De probeta: Estandar KIc Estandar KIc Estandar KIc Estandar KIc Material: Al 6061-T6 Al 6061-T6 Al 6061-T6 Al 6061-T6 Temperatura Prueba: 26 C 23 C 24 C 24 C Fecha Prueba: 14/04/ /04/ /04/ /04/2008 Humedad: % Unidades de Prueba: SI SI SI SI Tipo de espécimen: Compact Tension Compact Tension Compact Tension Compact Tension Largo: mm mm mm 55.6 mm Espesor: 25.4 mm 25 mm mm mm Espesor neto: 25.4 mm 25.4 mm mm mm Long. Inic. Grieta: mm mm 31 mm mm Módulo: MPa Mpa MPa MPa Coef. De Poisson: Long. Media Extenso: 5 mm 5 mm 5 mm 5 mm Esfuerzo de cedencia: MPa MPa MPa MPa Esfuerzo de tensión: MPa MPa MPa MPa Orientación de grieta: TL TL TL TL Modo de control: Carga constante Carga constante Carga constante Carga constante Forma de onda: Senoidal Senoidal Senoidal Senoidal Frecuencia, Hz: 15 Hz 15 Hz 15 Hz 15 Hz Amplitud: 8280 N 8230 N 8234 N 8165 N Puntos/ciclo: Rango de carga 2: 250 N 250 N 250 N 250 N Tiempo de carga: 0.25 sec 0.25 sec 0.25 sec 0.25 sec Tiempo descarga: 0.25 sec 0.25 sec 0.25 sec 0.25 sec Incremento de ciclos: 100 ciclos 100 ciclos 100 ciclos 100 ciclos Incremento Grieta: mm mm mm mm Limite de grita: mm mm 34 mm mm Limite de ciclos: ciclos ciclos ciclos ciclos Relación de prueba: 2 mm/min 2 mm/min 2 mm/min 2 mm/min Coef. grieta C0: Coef. grieta C1: Coef. grieta C2: Coef. grieta C3: Coef. grietac4: Coef. grieta C5:

9 OBTENCIÓN DE K EXPERIMENTAL De acuerdo a la norma se obtiene para cada probeta la carga PQ de la gráfica carga contra desplazamiento. El tipo de comportamiento que presentaron los especímenes fue de cedencia superior.

10 OBTENCIÓN DE K EXPERIMENTAL Sobre la superficie de fractura de los especímenes se midió la longitud de grieta como muestra la figura. Probeta#1 Probeta#2 Probeta#3 Probeta#4 f(a/w) 13,94 13,78 14,28 14,18 P Q (N) 10519, , , ,13 K Q (MPa m) 24,40 25,37 26,62 25,85 K Q = 25,56 MPa m 1/2

11 VALIDACIÓN DE LA PRUEBA Prueba PQ (N) P MAX (N) P MAX /P Q 2.5(K Q /σ y ) 2 (m) Probeta# , ,49 1,090 0,0197 Probeta# , ,64 1,098 0,0213 Probeta# , ,11 1,087 0,0234 Probeta# , ,12 1,096 0,0221 Criterios de validación de la prueba. Si P MAX /P Q <1.10, (Prueba de linealidad) Si 2.5 (K Q /σ y ) 2 < B, (B = 25.4 mm) El K obtenido de las pruebas es válido como KIc, 25,56 MPa m.

12 OBTENCIÓN DE K CON ANSYS Se realizó el modelo con elementos plane 82 y se concentraron los nodos en la punta de la grieta.

13 OBTENCIÓN DE K CON ANSYS La figura muestra la distribución de esfuerzos equivalentes. Creando una ruta de la grieta se encuentra el factor de intensidad de esfuerzos K.

14 RESULTADOS DE K Resultados experimentales y numéricos para los 4 especímenes compactos. K Experimental K Ansys Prob#1 24,40 24,42 Prob#2 25,37 25,36 Prob#3 26,62 26,58 Prob#4 25,85 25,76 K Promedio 25,56 25,53 El error entre ambas metodologías: 0,11%

15 CRECIMIENTO DE GRIETA Para realizar la simulación de la trayectoria que seguiría la grieta en el espécimen compacto sujeto a un estado de carga mixto (KI y KII), se le agrega un barreno a la geometría de 12.6 mm. Modos de carga

16 CRECIMIENTO DE GRIETA Los pasos siguientes se repiten de forma automática para observar la dirección que va tomando la grieta al aumentar su longitud: 1.- Partiendo del tamaño y orientación inicial del frente de la fisura, se calculan los factores de intensidad de esfuerzos de acuerdo a la carga aplicada. 2.- Se calcula la modificación del ángulo de la fisura, de acuerdo con el criterio de Esfuerzo Circunferencial Máximo [2],

17 CRECIMIENTO DE GRIETA 3.- Con el valor del ángulo y utilizando un paso de avance en la fisura se determina la posición del frente de la fisura en el siguiente paso. 4.- Se construye de nuevo la geometría con la nueva fisura, que incluya todos los puntos calculados en la propagación de los pasos anteriores. 5.- Se vuelven a calcular los factores de intensidad de esfuerzos y la nueva previsión de ángulo de propagación.

18 TRAYECTORIA DE GRIETA Resultados de la trayectoria del crecimiento de la grieta en el especimen compacto. Probeta fracturada

19 CONCENTRACIÓN DE NODOS EN LA GRIETA

20 RESULTADOS DEL CRECIMIENTO DE GRIETA La tabla muestra para a cada paso, la magnitud de KI, KII y el ángulo de la dirección de la grieta. # Pasos K I (MPa m) K II (MPa m) θ

21 CONCLUSIONES Se puede observar que el resultado obtenido en ANSYS tienen una excelente aproximación al factor de intensidad de esfuerzos obtenido de manera experimental, lo cual permite una buena confiabilidad para conocer la dirección de la trayectoria de la grieta. Ansys es una herramienta que permite obtener de manera relativamente fácil, los factores de intensidad de esfuerzos en un estado de carga mixto. Para materiales dúctiles, donde la zona plástica en la punta de la grieta es considerable respecto a las dimensiones de la probeta, se recomienda realizar un análisis en condiciones de Mecánica de Fractura Elastoplástica (análisis no lineal).

22 REFERENCIAS [1] ASTM E 399 Standard test method for plain strain of fracture toughness of metallic materials, Annual book of ASTM standards. [2] Erdogan, F., Sih, G.C., On the crack extensión in plates under plane loading and transverse shear, ASME J: Basic Eng., 85, pp , [3] Anderson T. L., Fracture Mechanics fundamental and Application, CRC Press, Inc., EUA [4] Mecánica de Fractura, J. Luis González Velásquez, Editorial LIMUSA, México 2004

23 FINAL GRACIAS!