MECÁNICA FRACTAL : EVALUACION NUMERICA DE PARAMETROS FRACTOMECANICOS DE ACEROS TRATADOS TERMOQUIMICAMENTE PARTE I INFORME FINAL ENERO 2008 DICIEMBRE

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1 EVALUACION NUMERICA DE PARAMETROS FRACTOMECANICOS DE ACEROS TRATADOS TERMOQUIMICAMENTE PARTE I INFORME FINAL ENERO 2008 DICIEMBRE 2008 Director de Proyecto: Dr. José Martínez Trinidad Sección de Estudios de Posgrado e Investigación Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica - Zacatenco 1

2 RESUMEN En años recientes, el empleo de técnicas computacionales en ingeniería ha marcado una tendencia irreversible. Dentro de los métodos numéricos en ingeniería el Método del Elemento Finito es una técnica de análisis numérico utilizado de manera extensiva, en la industria e investigación, para obtener soluciones aproximadas de una amplia variedad de problemas. Por su parte, tradicionalmente los componentes endurecidos por medio de tratamientos termoquímicos son empleados en diversass industrias obteniendo buenos resultados debido al incremento del tiempo de vida útil en elementos-máquina de los parámetros fractomecánicos de los materiales sujetos a tales tratamientos. La justificación de la mecánica de fractura en ingeniería de materiales pueden ser muy variadas, pero el principal axioma es que toda estructura posee de manera intrínseca fisuras, vacíos, imperfecciones, etc. Dicha disciplina desde hace más de un centenar de años ha estado en continuo crecimiento, generando nuevos conceptos y técnicas. No obstante, aun no se ha conseguido una síntesis satisfactoria entre los micromecanismos físicos y la descripción microscópica que ocasionan dichas fracturas, que todavía, son una de las mayores causass de perdidas o fallas en materiales en ingeniería. En el desarrolloo del proyecto se determinan numéricamentee los parámetros fractomecánicos de un material tratado termoquímicamente con la finalidad de proveer respuestass cuantitativas a problemas concernientes cuando dichos materiales que presentan defectos reales o postulados caracterizados como grietas. Es decir la predicción de las condiciones bajo las cuales una fisura, en un cuerpo de configuración geométrica conocida y con la influencia de un determinado sistema de cargas, comienza a propagarse y se torna eventualmente inestable. y herramientas de trabajo. De ahí la importancia de realizarr la evaluación En el presente reporte se incluyen los resultados que se reflejan en la conclusión de un trabajo de tesis de nivel maestría (formación de recursos humanos); además, de la realización de trabajos de investigación en proceso, tres de nivel doctoradoo y tres de maestría. Dentro de los productos se encuentra también artículos que han sido enviados a revistas de nivel internacional, la participación en congresos internacionales y nacionales, la colaboración con otras instituciones de nivel superior y la vinculaciónn con la empresa San Luis Rassini Piedras Negras Coahuila. Esta última facilito el uso de sus laboratorios paraa determinación de esfuerzos residuales. 2

3 CONTENIDO El empleo de tratamientos termoquímicos como es el caso del de borurización, que tradicionalmentee ha sido empleado en industriass como la textil, la de plástico, la de vidrio y de manera general en las dedicadas a la manufactura de herramientas de corte entre otras. Debido a las altas durezas obtenidas por este tratamiento en comparación con otros tratamientos termoquímicos (como la carburización, nitruración o carbonitruración) es necesaria la determinación y caracterización de las propiedades mecánicas, físicas y químicas de las capas de boruros de hierro formadas en las superficiess del substrato. A continuación se presentan algunos resultados obtenidos de casos de estudio concretados durante la realización del presente proyecto, de acuerdo al calendario de actividades que se planteó al inicio del mismo. Cabe aclarar que se encuentrann en desarrollo otras aplicaciones y fueron enviados a revista resultados para publicacion. EL IMPACTO DEL PROYECTOO TAMBIÉN SE PUEDE VER EN LA FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS Y PUBLICACIÓN DE RESULTADOS. Así mismo, se presentan los distintoss productos generados durante la ejecución del proyecto. Resistencia a la Fatiga de Acero AISI 1045 Tratado Termoquímicamente. La fatiga es definida comoo la falla bajo una carga repetida o variante, la cual nunca alcanzaa un nivel suficiente para causar falla en una única aplicación de la misma. Las grietas en fatigaa son siempre desarrolladas como el resultado de deformación plástica en un área localizada. Por otro lado, los tratamientos superficiales pueden ser aplicados paraa mejorar la resistencia a la fatiga de un componente, debido a que estos trabajan usualmentee induciendo esfuerzos residuales de compresión en la superficie. Bajo ciclos de amplitud bajos los esfuerzos en la superficie son significativamente bajos o inclusive permanecen de compresión. El borurado es la saturación de boro en la superficie de metales y aleaciones proporcionandoo gran resistencia a la corrosión y al desgaste de los mismos. Sin embargo desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante, y en ocasiones imprescindible, conocer cuál será el comportamientoo mecánico de los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones de cargas cíclicas. En el desarrollo del trabajo se evalúa el comportamiento bajo condiciones de fatiga de aceros borurados mediante pruebas de viga rotativaa (R=-1) en comparación de aquellos no borurados. Observaciones de la superficie fracturada mediantee SEM fueron realizadas para evaluar el tipo de fractura, así como la evaluación de esfuerzoss residuales mediante difracción de rayos X. El tratamiento termoquími co se realizo en polvoo comoo medio de difusión bajo la temperatura de 950⁰C durante 7 hr. También se realizan análisis numéricos empleando el método de elemento finito. La finalidad del estudio es caracterizar el comportamiento en condiciones de fatigaa para ampliar su aplicación a 3

4 componentes reales. Se estudian factores como números de ciclos que puede soportar, rango de esfuerzos experimentados en el ciclo de carga, esfuerzo medio en cada ciclo de carga, presencia de concentración de esfuerzos; así como, la nucleación de grietas bajo condiciones de fatiga. Determinación del Número de Dureza Vickers a través del Método de Elemento Finito. La indentación dinámica es una técnica que puede ser usada para determinar propiedades mecánicas de diferentes materiales. En este trabajo un análisis de elemento finito (AEF) de indentación dinámica fue desarrolladoo mediantee el programa comercial Ansys ver. 9.0 paraa obtener la curva carga-desplazamiento para un acero Con los datos de la simulación y el método de Oliver-Pharr fue posible determinarr la rigidez de descargaa inicial, la profundidad d de contacto, el área de contacto proyectada, el modulo de elasticidad combinado espécimen- indentador y el numero de dureza Vickers del material. La carga de prueba aplicada fue de 19.6 N. Las diagonales determinadas mediante el procedimiento analítico fueron comparadas con las obtenidas de forma experimental con el analizador de imagen. Una buena aproximación resulto entre el número de dureza Vickers obtenida de forma experimental con el obtenido de forma numérica para el acero Optimización del Diseño de Muelles Multihojas Mediante Análisis Numéricos y Experimentales En la industria de los muelles multi-hojas resulta muy complicado obtener un diseño cuyo desempeño sea congruente en su totalidad con la teoría de diseño que ha sido empleadaa para su desarrollo. Esto se debe en parte a que las bases de la teoría de diseño de los muelles multi-hojas son ecuaciones elementales, método de prueba y error y teoría simple de vigas y por otra parte a que existen limitaciones de diversa naturaleza que lo hacen virtualmente imposible. Estas limitaciones pueden tener su origen en el proceso de manufactura, los materiales, los costos o las herramientas empleadas durante el proceso de fabricación y dan lugar a productos que presentan ciertos problemas como pueden ser contactos no deseados entre sus componentes, ruido, calentamiento o inestabilidad durante la operación. El trabajo busca optimizar el diseño de un modelo específico de muelle multi- hojas que presenta los problemas antes mencionados. Dicha optimización se realizará mediante el empleo combinado de herramientas de Diseño e Ingeniería Asistidas por Computadora (conocidas también como CAD-CAE) y el Análisis Experimental de Esfuerzos. De tal manera que sea posible alcanzar una mayor correlación de los resultadoss numérico- experimentales con los teóricos. Así como también lograr un mejor aprovechamiento de los recursos disponibles. El trabajo fue realizado de manera conjunta con la empresa SAN LUIS RASSINI PIEDRAS NEGRAS, e involucra información que por motivos de protección intelectual e industrial requiere de confidencialidad. 4

5 Vinculación. El proyecto desarrollado se realizo en colaboración con él Dr. Ulises Figueroa López del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México, quien permitió el acceso a sus instalaciones paraa la realización de ensayos de fatiga. También se colaboró con la empresa San Luis Rassini Piedras Negras Coahuila. Esta última facilito el uso de suss laboratorios para determinación de esfuerzos residuales. Además de participar con instituciones como: la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica Región Poza Rica-Tuxpan; el Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica; el Departamento de Mantenimiento de Ductos y Vías de Acceso Activo de Producción Poza Rica Altamira; el Instituto Nacional de Rehabilitación y el Instituto Mexicano del Transporte. PRODUCTOS OBTENIDOS FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS Tesiss de Maestría: Optimización del Diseño de Muelles Multihojas Mediante Análisiss Numéricos y Experimentales. Alumno: Abraham Licona Mayett. Concluida No presentada. Tesiss de Licenciatura: Análisis Estructural de un Puente de Vigas Empleando el Método de Elemento Finito. Alumno: Enrique Flores Cuamatzi. Concluida No presentada. Actualmente se encuentrann en proceso tres tesiss de maestría y tres de doctoradoo con temas relacionados al proyecto de investigación. PRODUCTOS DE INVESTIGACIÓN Publicaciones Publicación en Extenso Congresos Internacionales A. Meneses A., J. Martínez T, et al, Determination of vickers hardness number throughh finite element method. 30 Congreso Internacional de Metalurgiaa y Materiales Octubre de Saltillo, Coahuila. 5

6 Publicación en Extenso Congresos Nacionales A. Meneses A., J. Martínez T, et al, Determinación de la Dureza Vickers Empleando el Método de Elemento Finito. CONGRESO DE INSTRUMENTACIÓNN SOMI XXIII, 1 al 3 de octubre de 2008 Xalapa, Veracruz Publicación de Abstractss en Memorias de Congresos Internacionales N. López-Perrusquia, I. Campos-Silva, U. Figueroa-López, Using Palmqvist Crack Models on AISI 4140 Borided Steels. Symposiumm 11 Fracture Mechanics. XVII International Materials Research Congress, IMRC Cancun, Q.R., México, at October 17 th 21 st of J. Martínez-Trinidad, A. Meneses-Amador. Fracture Toughness Evaluation A. Licona M., J. Martínez T., J. Urdiales, R. Frausto. Fatigue Evaluation of Multi-Leaf Springs of Automotive Suspensions. Symposium 11 Fracture Mechanics. XVII International Materials Research Congress, IMRC Cancun, Q..R., México, at October 17 th 21 st of A. Meneses A., J. Martínez T., G. A. Rodríguez C., G. Bermudez, E. Y. Guevara Z. Numerical Simulation of Depth Sensing of Vickers Hardness Indentation. Symposium 111 Fracture Mechanics. XVII International Materials Research Congress, IMRC Cancun, Q.R., México, at October 17 th 21 st of G. A. Rodríguez C., J. Martínez T., I. Campos S., U. Figueroa L. Resistencia a la Fatigaa del Acero AISI 1045 Tratado Termoquímicamente. Symposium 11 Fracture Mechanics. XVII International Materials Research Congress, IMRC Cancun, Q.R., México, at October 17 th 21 st of Actividades Relacionadas con Investigación - Docencia Co-Chairman en el Symposium 11 Fracture Mechanics. XV International Materials Research Congress, IMRC Cancun, Q.R., México, at October 28 th November 1 st of