Figura 4.79 Figura 4.80

Transcripción

1 Según la figura 4.78 los aceros que mayor y menor capa deformada mostraron son el bainítico R260 y Perlítico 370LHT respectivamente, en busca de identificar las dimensiones de estas capas, los cortes transversales fueron atacados químicamente y analizados en el microscopio óptico; las figuras 4.79 y 4.80 muestran las microestructuras de estos aceros ensayadas a rodadura pura y rodadura-deslizamiento. a) b) Figura 4.79 Capa deformada bajo la superficie del acero bainítico R260. Picral al 3% a) Ensayado a 0% deslizamiento b) Ensayado de 2% de deslizamiento. a) b) Figura 4.80 Capa deformada bajo la superficie del acero perlítico 370LHT,Nital al 2% a) Ensayado a 0% deslizamiento b) Ensayado de 2% de deslizamiento. En las figuras 4.79 y 4.80 se compara la deformación de las microestructuras bajo la superficie de los aceros bainítico R260 y perlítico 370LHT para ensayos a 0% y 2% deslizamiento respectivamente; en la zona cerca a la superficie se observa una clara deformación de la microestructura para los aceros evaluados a rodadura-deslizamiento, esto debido al incremento del esfuerzo cortante en dicha zona; pero al tratar de identificar las dimensiones de las capas deformadas en 76

2 dichas fotografías, no fue posible inferir ni relacionar dicha deformación con la obtenida en las figuras 4.69 y 4.78, esto debido a que los esfuerzos que actúan sobre las microestructuras deformándolas hasta alcanzar los valores de dureza obtenidos, no deforman los granos conjuntamente sino zonas localizadas dentro de los mismos, las cuales no fue posible identificar de manera unívoca; según lo anterior, dado que los esfuerzos cerca a la superficie alcanzan valores altos para deformar los granos, solo es posible identificar la deformación en las primeras µm, sin lograr establecer la clara diferencia que debe existir entre las fotografías de las figuras 4.79b y 4.80b. Las superficies de los aceros evaluados a rodadura- deslizamiento son mostradas en las figuras 4.81 a La figura 4.81 muestra las superficies desgastadas del acero R260 cuya pérdida de masa fue mayor que la del acero 370LHT bajo ensayos de rodaduradeslizamiento; allí es posible identificar que el ratcheting aún prevalece como principal mecanismo de desgaste; inspeccionando la superficie del acero perlítico R260 (ver figura 4.81a) se observó que los contornos relacionados al ratcheting se encuentran bien definidos, pero su continuidad se ve alterada en algunas zonas, comportamiento contrario al presentado por el acero bainítico R260 donde los bordes del ratcheting no están bien definidos y su continuidad se observa más prolongada. Lo anterior es coherente con los análisis realizados a partir de las figuras 4.74 y 4.75, con lo que se logra establecer una relación entre pérdida de masa, desprendimiento de debris y mecanismos de desgaste. Contorno no continuo Contornos continuos, no bien definidos a) b) Figura 4.81 Superficies desgastadas posterior a ensayos disco-disco 2% deslizamiento.a) Acero Perlítico R260 b) Acero Bainítico R260 En las figuras 4.82 y 4.83 se muestran las superficies desgastadas de las microestructuras bainítica y perlítica del acero 370LHT, cuyo desempeño fue el mejor durante los ensayos a 2%. 77

3 La figura 4.82 muestra la superficie del acero bainítico 370LHT, las señales de ratcheting se observan sobre la superficie con contornos continuos y marcación poco definida, esto relacionado con las grietas largas y poco profundas identificadas en la figura La figura 4.83 muestra que se encontraron contornos de ratcheting muy cortos en comparación con las demás superficies, lo que demuestra la alta resistencia a fatiga superficial de este acero en condiciones rodante-deslizante por ende su buen desempeño a pérdida de masa. Contornos continuos Figura 4.82 Superficies desgastadas posterior a ensayos disco-disco 2% deslizamiento. Acero Bainítico 370LHT Contorno poco definido Contorno corto discontinuo a) b) Figura 4.83 Superficies desgastadas posterior a ensayos disco-disco 2% deslizamiento Acero Perlítico 370LHT. a) 75X b) 150X La tabla 4.40 muestra un resumen de las relaciones obtenidas entre los patrones de crecimiento de grieta, pérdida de masa y microestructura para los ensayos realizados. 78

4 De la tabla es posible identificar que en los ensayos a rodadura pura la menor pérdida de masa está relacionada con el patrón de crecimiento de grietas paralelas a la superficie, mientras que en las microestructuras evaluadas a rodadura-deslizamiento la menor pérdida de masa se relaciona con la poca profundidad bajo la superficie donde se presenta la nucleación de las grietas independiente de la forma de propagación de las grietas. Tabla 4.40 Relaciones entre patrones de crecimiento de grieta, pérdida de masa y microestructura. Microestructura Desliza Long Grietas R260 Perlita 0% Cortas R 260 Bainita 0% Largas 370LHT Perlita 0% Largas 370LHT Bainita 0% Cortas R260 Perlita 2% Cortas R 260 Bainita 2% Largas 370LHT Perlita 2% Cortas 370LHT Bainita 2% Largas Profundidad y Avance de la grieta Mayor a 10µm, aflorando a la superficie Mayores a 10µm, paralelas a la superficie Menos a 10µm, paralelas a la superficie Mayor a 10µm, aflorando a la superficie Mayor a 50µm, aflorando a la superficie Mayores a 20µm, paralelas a la superficie Mayor a 10µm, aflorando a la superficie Mayor a 10µm, paralelas a la superficie. Frecuencia desprend. Alta Baja Baja Alta Alta Baja Alta Baja Pérdida masa Alta Baja Baja Alta Alta Alta Baja Media Cambios en el acabado superficial durante los ensayos El acabado superficial de las probetas que simulaban la rueda y riel respectivamente fue evaluado en cada muestreo de los ensayos, en busca de relacionar los cambios en las tasas de desgaste con los cambios del acabado superficial. Cuatro parámetros de rugosidad fueron estudiados Rz, Rq, Rsk y Rpk, con los que se buscaba identificar los cambios en la amplitud de las asperezas durante los ensayos. Al comparar y analizar los gráficos del cambio de los parámetros de rugosidad contra número de ciclos, se encontró que no se presentaron diferencias significativas con las cuales se puedan establecer tendencias y relaciones entre el cambio de los parámetros con el paso los ciclos y las tasas de desgaste de las microestruturas ensayadas, esto dadas las altas dispersiones que presentan los valores de rugosidad además de un comportamiento similar en las tendencias de los mismos. La figuras 4.84 y 8.85 muestran los valores del parámetro de rugosidad Rz para las microestructuras ensayadas de rodadura pura y rodadura-deslizamiento respectivamente. 79

5 a) b) c) Figura 4.84 Cambio del parámetro de rugosidad Rz de los aceros durante los ensayos a rodadura pura. a) Perlítico 370LHT b) Bainitico 370 LHT c) Perlitico R260 d) Bainitico R260 a) b) d) 80

6 c) Figura 4.85 Cambio del parámetro de rugosidad Rz de los aceros durante los ensayos a rodaduradeslizamiento. a) Perlítico 370LHT b) Bainitico 370 LHT c) Perlitico R260 d) Bainitico R260 De las figuras 4.84 y 8.85 es posible observar que la tendencia y los valores en el parámetro Rz son similares en todos los aceros de riel evaluados, mostrando disminución a los primeros 50 mil ciclos y luego mostrando un comportamiento estable; la alta dispersión no permite establecer pequeñas diferencias que podría presentar este parámetro entre las microestructuras. El anterior análisis puede ser aplicado a los gráficos de los parámetros de rugosidad restantes, los cuales son mostrados en el anexo 3. d) 4.4 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE RESULTADOS La figura 4.86 muestra la gráfica de cubo del diseño factorial completo desarrollado en este trabajo, de allí se infiere que la mayor y la menor pérdida de masa se presentaron en los aceros perlítico R260 y perlítico 370LHT respectivamente, ambos ensayados a 2% de deslizamiento. 81

7 Figura 4.86 Resultados del diseño factorial completo presentados en gráfica de cubo. Primero se realizó la validación de los supuestos por medio de los residuales entregados por el programa estadístico MINITAB, los cuales indican la diferencia entre la predicción que proporcionó el modelo del diseño factorial y el punto real proporcionado por el sistema de ensayos. El modelo debe cumplir que los residuos sigan una distribución normal, media cero y varianza constante. Se verificaron estos supuestos por medio de la gráfica de los residuales que proporcionó el paquete estadístico. Las figuras 4.87 y 4.88 son resultado del análisis de normalidad de los residuos. A la gráfica de la figura 4.87 se le llama la prueba del lápiz gordo, en esta gráfica se observan los puntos alineados sobre la recta, lo cual indica que no se viola el supuesto de normalidad. En la figura 4.88 se observa un histograma de los residuos, donde se muestra una forma semejante a la de una curva de probabilidad normal sesgada un poco a la izquierda, lo cual corrobora que se cumple el supuesto de normalidad En la figura 4.89 se tiene una gráfica de dispersión de los residuos, la cual ayuda a observar el comportamiento de la varianza de los residuos, confirmando el supuesto de igualdad de varianza planteado al inicio del diseño del experimento. Figura 4.87 Análisis de normalidad de los residuos, prueba del lápiz gordo. 82

8 Figura 4.88 Análisis de normalidad de los residuos, histograma de residuos. Por último en la figura 4.90 se tiene la gráfica de los residuos contra el orden de los datos, en esta se observa que no existe algún patrón reconocible en los residuos, con lo cual se cumple el supuesto de independencia. La tabla 4.41 muestra los resultados entregados por el MINITAB de la prueba de normalidad hecha a los residuales, allí se observa que cumple con el supuesto de la media cero y varianza constante. Figura 4.89 Gráfica de dispersión de residuos, Varianza de los residuos 83

9 Figura 4.90 Gráfica de dispersión de residuos contra el orden de los datos. Al realizar un análisis de varianza ANOVA (ver figura 4.91) con un α de 0.05, se observó que el factor de Material y la interacción de los factores Material*Microestructura y Material*Deslizamiento son estadísticamente significativos, es decir, sus valores p son menores que Tabla 4.41 Prueba de normalidad de los residuales Media E-18 Desv.Est N 24 AD Valor P Figura 4.91 Gráfica de dispersión de residuos 84

10 De lo anterior, con base en las recomendaciones estadísticas, la atención debe centrarse en la interacción de los factores cuyo análisis de varianza los mostró como significativos, dejando de lado cada factor individual, además el valor de R 2 tiene un valor del 72.13% de tal manera que el modelo explica en buena parte la variación presente en el experimento. En busca de confirmar de manera más intuitiva los resultados del análisis ANOVA, en las figuras 4.92 y 4.93 se presentan la gráfica de Pareto y la gráfica normal de efectos estandarizados, las cuales muestran que el efecto más significativo es la interacción entre material-microestructura seguida por la interacción entre material -% Deslizamiento y por último el material. Figura 4.92 Gráfica de Pareto Figura 4.93 Gráfica Normal de efectos estandarizados 85

11 Para poder determinar de alguna manera qué nivel de los factores afecta de manera más adversa la pérdida de masa, se observan las gráficas de los efectos principales y las interacciones para los distintos factores, ver figuras 4.94 y Figura 4.94 Gráfica de efectos principales para pérdida de masa. En la gráfica 4.94 se pueden apreciar los niveles de los factores en los que se muestra mejor desempeño en la pérdida de masa, aunque se debe tener precaución dado que la interacción entre algunos factores es significativa y concluir a cerca de los resultados para cada factor individual podría no se confiable. En términos generales, se encontró que el cambio de material R260 a 370LHT redujo la pérdida de masa en un 25% mientras que el cambio de perlita a bainita aumentó la pérdida de masa en un 17% aproximadamente. Por otro lado, el aumento del esfuerzo cortante en la superficie de contacto durante los ensayos, es decir un incremento en el porcentaje de deslizamiento, llevó a un aumento de la pérdida de masa del 12% aproximadamente. De los anteriores resultados, se infiere que el factor causante de una mayor influencia en los ensayos disco-disco realizados fue el cambio de material. Sin embargo, dado que en este caso es más conveniente hacer conclusiones para la interacción entre los factores según las recomendaciones estadísticas obtenidas del análisis de varianza, en la gráfica 4.95 se muestran los efectos de las interacciones sobre el desempeño a pérdida de masa. 86

12 Figura 4.95 Gráfica de interacción entre los efectos principales para pérdida de masa. Aunque la interacción entre los factores Microestructura*% Deslizamiento tampoco fue recomendada estadísticamente, se observa que el aumento del porcentaje de deslizamiento tiene un efecto similar sobre las microestructuras, es decir, la línea relacionada con la microestructura perlítica que conecta los dos porcentajes de deslizamiento estudiados, tiene una pendiente similar a la de la línea relacionada con la microestructura bainítica. Al analizar la interacción de los factores Material*% Deslizamiento sugerida por el ANOVA se encontró que el incremento en el porcentaje de deslizamiento conlleva a un aumento del 60% en la pérdida de masa del acero R260, contrario al comportamiento presentado por el acero 370LHT donde al incrementar el porcentaje de deslizamiento la pérdida de masa se ve disminuida en un 25% aproximadamente. La interacción entre los factores Material*Microestructura fue la más significativa estadísticamente en la pérdida de masa según el análisis de varianza, de allí se puede inferir que en el material R260 el cambio de microestructura perlítica a bainítica disminuyó la pérdida de masa en un 23% aproximadamente, por el contrario un cambio en la microestructura perlítica a bainítica en el acero 370LHT llevó a un aumento en la pérdida de masa del 95%. 87

13 4.5 RELACIONES ENTRE PROPIEDADES MECÁNICAS Y PÉRDIDA DE MASA Según el análisis de varianza del diseño de experimentos, la interacción entre los factores Material*Microestructura fue la más significativa estadísticamente; siendo las propiedades mecánicas evaluadas en los anteriores numerales descriptores de dicha interacción. Dado que el factor deslizamiento no es significativo estadísticamente y la interacción microestructura*deslizamiento no es tan significativa comparada con la de Material*Microestructura, en este trabajo se hizo especial énfasis en establecer relaciones entre propiedades mecánicas y desempeño a pérdida de masa de los aceros evaluados a rodadura pura. La pérdida de volumen se vio influenciada por algunas propiedades mecánicas en los ensayos de rodadura pura, encontrándose que los aceros con mayor energía de impacto charpy, mayor resistencia última y mayor fracción de reducción de área presentaron mejor desempeño. Por otra parte se tiene la energía total absorbida en el ensayo de tracción que se traduce en el área comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta la rotura, cuyo valor relaciona la capacidad del material de soportar esfuerzos y deformaciones sin fracturarse (ver figura 4.96), Figura 4.96 Área bajo la curva del ensayo de tracción, R260 Perlita muestra 3. Al relacionar los productos de las propiedades enunciadas anteriormente con el cociente de la energía total absorbida durante el ensayo de tracción, se tiene una energía resultante. E UTS RA X = ecuación 4.6 Utot 88

14 ( ) Nm. ( Pa) X = N m= J Pa E= Energía de impacto Charpy [N.m] UTS=Resistencia última [N/m 2 ] RA= Fracción de reducción de área (adimensional) Utot= Área bajo la curva tensión-deformación hasta la rotura [N/m 2 ] Adicionalmente se tiene la resiliencia, que relaciona la cantidad de energía que puede absorber un material, antes de que comience la deformación irreversible, esto es, la deformación plástica, la cual multiplicada por el volumen perdido durante los ensayos generan una energía resultante. Z PV = ecuación 4.7 U elast Donde 3 m N Z = N m= J 2 m U elast = Resiliencia [N/m 2 ] PV= Pérdida acumulada de volumen durante los ensayos a los ciclos [m 3 ] Al graficar las relaciones Z en función X, se encontró el comportamiento mostrado en la figura 4.97, el cual puede ser ajustado a una función lineal cuyas constantes son presentadas en la tabla Figura 4.97 Curva ajustada a la gráfica de la relación Z vs relación X para ensayos rodadura pura. 89

15 Tabla 4.42 Constantes ecuación lineal ajustada al gráfico del factor Z vs. factor X Ecuación y = a + b*x Adj. R-Square Valores Error estandar Intercepto Pendiente La ecuación que relaciona el factor Z y el factor X puede ser descrita de la siguiente forma. Z X = ecuación 4.8 Donde la pérdida de volumen durante los ensayos a rodadura pura puede ser descrita de la siguiente manera. PV E UTS RA U tot = U Partiendo de que un material con capacidad de soportar altos esfuerzos y deformaciones entregaría un valor alto de energía total absorbida U tot durante el ensayo de tracción (lo mismo para condiciones contrarías) se tiene que; un material con alta capacidad de absorber energía al impacto durante el avance de las grietas que llevan a la fractura, con valores altos de resistencia última, ductilidad y absorción de energía durante su estado de deformación elástico llevaría a valores bajos de pérdida de volumen. Posteriores trabajos son sugeridos en busca de dar un análisis conceptual más profundo de esta ecuación además de validarla bajo diferentes condiciones de contacto, dado que sólo se ha ajustado para condiciones muy específicas, tales como durezas de los materiales (tanto rueda como de riel), presión de contacto, acabados superficiales (rueda y riel), condiciones de lubricación, número de ciclos, microestructuras (rueda y riel), entre otros. elast 90

16 5. CONCLUSIONES En este trabajo se estudió la resistencia al desgaste por rodadura y rodaduradeslizamiento de dos aceros para uso ferroviario en condiciones de tratamiento térmico que permitieron obtener microestructuras perlíticas y bainíticas. Los resultados más importantes de la investigación se sintetizan a continuación. Sobre las propiedades mecánicas de los aceros estudiados De los aceros estudiados el de mayor resistencia última y límite de cedencia fue el 370LHT bainítico, seguido por el perlítico 370LHT para resistencia última y el bainítico R260 para límite de cedencia. Los aceros bainíticos R260 y 370LHT presentaron la mayor y menor ductilidad respectivamente de todos aceros evaluados, medida a partir de los porcentajes de reducción de área y elongación. No se encontraron grandes diferencias entre los aceros estudiados en los valores del coeficiente de endurecimiento por deformación y tenacidad a la factura KIc. Sobre la resistencia al desgaste y mecanismos de daño El acero perlítico 370LHT mostró el mejor desempeño en las dos condiciones de contacto estudiadas (0% y 2% de deslizamiento); adicionalmente se encontró que el promover deslizamiento durante el contacto hizo que el acero bainítico R260 disminuyera su desempeño a la mitad aproximadamente, contrario a lo que sucedió con el acero bainítico 370LHT, el cual mejoró su desempeño con el deslizamiento. En las dos condiciones de contacto estudiadas se encontró que los aceros de mejor desempeño son aquellos que menos contribuyen a la pérdida de masa total del tribosistema (pérdida de masa combinada rueda+riel), siendo más sacrificado el material de la rueda durante el contacto. En condiciones de rodadura pura, los materiales con mayor resistencia al desgaste presentaron grietas largas propagándose paralelas a la superficie, mientras que en los de menor desempeño las grietas fueron más cortas y afloraron rápidamente. Bajo condiciones de rodadura-deslizamiento, en los aceros con mejor desempeño las grietas nuclearon a una profundidad menor bajo la superficie, comparado con lo que fue observado en los aceros de menor resistencia al desgaste. Sobre los cambios en la calidad superficial Al analizar los cambios de los parámetros de rugosidad en función del número de ciclos de ensayo y de las tasas de desgaste medidas, se encontró que no se presentaron diferencias significativas con las cuales se puedan establecer tendencias para las microestructuras ensayadas, dadas las altas dispersiones que 91

17 presentaron los valores de rugosidad y la respuesta similar de las microestructuras. Sobre las correlaciones entre propiedades y resistencia al desgaste El análisis estadístico de los resultados mostró que la interacción Material- Microestructura fue la más significativa estadísticamente en relación con la pérdida de masa durante los ensayos. Se encontró también que es posible establecer correlaciones numéricas entre algunas propiedades mecánicas y la resistencia al desgaste de los materiales estudiados, pero un análisis causal de fondo es propuesto para investigaciones futuras. 92

18 6. RECOMENDACIONES Realizar mayor número de muestreos de las probetas evaluadas dentro de un mismo ensayo, esto con el fin de identificar cambios en el acabado superficial y hacer un seguimiento más estricto de tiempos de nucleación y propagación de grietas. Simular de los esfuerzos que actúan en las probetas bajo condiciones de rodadura pura y rodadura-deslizamiento en busca de soportar las hipótesis planteadas en este trabajo. Evaluar los aceros estudiados en este trabajo bajo mismas condiciones de contacto en régimen lubricado, debido a que en condiciones reales de contacto ferroviario, el lubricante hace parte importante dentro del tribosistema rueda/riel. Hacer un estudio más cuidadoso de la evolución del material de la rueda durante los ensayos. Realizar ensayos bajo diferentes condiciones de contacto con el fin de retroalimentar la relación obtenida entre propiedades mecánicas y pérdida de masa. 93

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25 8. ANEXOS ANEXO 1 Diagrama TTT acero R

26 ANEXO 2 Diagrama TTT acero 370LHT 101

27 ANEXO 3 Cambio del los parámetros de rugosdad durante los ensayos disco-disco en los aceros 370 Perlita 0% DELIZAMIENTO R260 Bainita 0% DELIZAMIENTO 102

28 R260 Perlita 0% DELIZAMIENTO 103

29 370 Bainita 0% DELIZAMIENTO R260 Bainita 2% DELIZAMIENTO 104

30 370 Perlita 2% DELIZAMIENTO 105

31 370 Bainita 2% DELIZAMIENTO R260 Perlita 2% DELIZAMIENTO 106

32 107