COMPORTAMIENTO SUPEREL STICO Y FRACTURA DE UNA ALEACI N CU-11,8%PAL-0,5%PBE, EN LA PERSPECTIVA DE SU USO EN DISIPADORES DE ENERG A S SMICA

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Comportamiento superelástico y fractura de una aleación
Cu-11,8%pAl-0,5%pBe, en la perspectiva de su uso en disipadores de
energía sísmica
S. Montecinos(1,2), A. Sepúlveda(1), M. Moroni(1) y F. Lund(1,2)
(1)
Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Beauchef 850, Santiago, Chile,
[email protected]
(2)
CIMAT, Av. Blanco Encalada 2008, Santiago, Chile
RESUMEN
Se presentan algunos resultados de la caracterización del comportamiento superelástico y a la fractura,
de una aleación policristalina Cu-11,8%pAl-0,5%pBe. Ella fue sometida a ensayos de tracción monotónica y
cíclica (a 1 Hz). Esta aleación fue provista por la empresa Trefimétaux, bajo la forma de alambres de 3 y 6 mm
de diámetro. El objetivo de este trabajo es realizar una caracterización mecánica preliminar de tal aleación,
teniendo en vista su eventual utilización en dispositivos de absorción de energía sísmica en estructuras civiles.
Para los dos diámetros considerados se encontraron similares tendencias de comportamiento, si bien se
detectaron algunas diferencias en los valores de las propiedades medidas. El material es superelástico dentro de
un rango de deformación (de 2,3% para el alambre de 3 mm de diámetro y 3,1% para el alambre de 6 mm de
diámetro). Se observó que al aumentar el tamaño de grano, el rango superelástico del material también es mayor.
Al aumentar la deformación máxima aplicada, la temperatura de las probetas aumenta, y ocurre un cambio en la
forma de los ciclos, aumentando el amortiguamiento (con valores de un 5% en el límite superelástico), y
disminuyendo el parámetro K y la rigidez de los ciclos. En ensayos de tracción monotónica, el material presenta
una fractura transgranular por un mecanismo mixto de clivaje y de microporos, elongación a la fractura mayor a
un 15% y esfuerzo máximo (UTS) mayor que 5.000 kg/cm2.
Palabras Claves: Aleaciones Cu-Al-Be; superelasticidad; memoria de forma; disipadores; fractura; histéresis.
1.
INTRODUCCIÓN
Una Aleación con Memoria de Forma (SMA)
es un material que, en relación con la transformación
de fase martensítica, puede exhibir el efecto de
memoria de forma (SME) propiamente tal, o bien el
efecto superelástico (SE) [1]. Este último efecto se
obtiene con el material inicial en fase austenita (o fase
beta) y mediante una aplicación de carga, pudiendo
obtenerse importantes deformaciones recuperables al
retirar la carga impuesta. La fase presente en una
aleación a una temperatura de trabajo dada, depende
de los tratamientos termomecánicos previos y de la
composición de la aleación. En el SE, al aplicar un
ciclo de carga-descarga se produce histéresis con
disipación de energía mecánica [1].
Se ha encontrado el SE en aleaciones base
Cu, a partir de sistemas basados en los binarios Cu-Zn
y Cu-Al, con adiciones de elementos que modifiquen
las temperaturas de cambios de fases y logren el
refinamiento de grano. No obstante, muchas veces, las
aplicaciones de las aleaciones en base cobre están
limitadas por: (1) la baja ductilidad y conformabilidad
de aleaciones policristalinas, debido al gran tamaño de
grano frecuente en estas aleaciones (e.g., 1 mm), a la
alta anisotropía elástica y a la precipitación de
partículas frágiles de segunda fase; y (2) la
metaestabilidad tanto de la austenita como de la
martensita, lo que puede resultar en complicados
efectos de envejecimiento y, por ello, en una baja
confiabilidad en servicio[2]. El tamaño de grano de una
aleación depende de la composición de la misma, y de
los tratamientos térmicos y termomecánicos aplicados.
Particularmente, las SMAs con tamaño de
grano grande tienden a presentar fractura intergranular
frágil, indeseable para muchas aplicaciones[1]. El
tamaño de grano también afecta a las temperaturas de
cambios de fases[1,3]. Si bien las aleaciones Cu-Zn-Al,
Cu-Al-Ni y Cu-Al-Mn han sido las más estudiadas,
particularmente como monocristales, las de Cu-Al-Be
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son las de desarrollo más reciente y son únicas por su
adaptabilidad para usos como actuadores tanto de
baja como de alta temperatura[1].
Las SMAs Cu-Al-Be se basan en la
composición binaria eutectoide Cu-11,8%p. Al con
agregados de Be de hasta un 0,5%p.,
aproximadamente. El potencial tecnológico de la
adición de Be resulta del drástico efecto de pequeñas
adiciones de este elemento en el sistema Cu-Al, sobre
la temperatura
de transición martensítica,
reduciéndola en forma drástica; lo anterior ocurre sin
afectar prácticamente la temperatura eutectoide ni
tampoco la temperatura de la transición ordendesorden (800K, aproximadamente) que afecta a la
austenita durante su enfriamiento [4,5].
Por otra parte, para controlar los daños que se
pueden producir en estructuras con ocasión de un
sismo, se ha propuesto el uso de disipadores de
energía, particularmente en las uniones vigacolumna[6] o como arriostramiento de marcos[7] en
edificios altos y/o flexibles. Así, se procura no sólo
evitar el colapso de las estructuras, de acuerdo a las
normativas actuales, sino que también limitar el daño
de éstas.
Torra, Isalgue, Lovey y Sade[8] han estado
estudiando en los últimos años la microestructura de
aleaciones Cu-Al-Be superelásticas, y su estabilidad
con la temperatura y esfuerzos cíclicos, en la
perspectiva de aplicaciones en dispositivos
amortiguadores de energía para Ingeniería Civil.
Este trabajo se enmarca en una línea de
investigación cuyo objetivo es evaluar aleaciones base
cobre para su empleo en dispositivos de disipación de
energía sísmica en estructuras civiles para así
aprovechar particularmente dos características de estos
materiales:
la
reversibilidad
de
elevadas
deformaciones y la histéresis de los ciclos de cargadescarga. El material debe ser capaz de disipar a
temperatura ambiente y en el rango de frecuencias
entre 0,2 y 5 Hz., con una baja degradación en sus
propiedades, una fracción importante de la energía
sísmica que reciba, en repetidos ciclos de grandes
deformaciones (mayores a un 2%); esto dentro del
rango de comportamiento superelástico del material
considerado. Para asegurar este comportamiento, aún
debe desarrollarse un gran esfuerzo para producir
aleaciones y dispositivos apropiados para estas
aplicaciones en ingeniería civil estructural.
El objetivo de este trabajo es realizar una
caracterización mecánica preliminar de la aleación
Cu-11,8%pAl-0,5%pBe, en vista a su utilización como
dispositivos de energía sísmica en estructuras civiles.
Esto en relación al tipo de fractura y comportamiento
superelástico del material.
2.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
El material utilizado para este estudio
corresponde a una aleación Cu-11,8%pAl-0,5%pBe
policristalina, desarrollada por la empresa Trefimetaux
S.A. y obtenida bajo la forma de alambres de 3 y 6
mm de diámetro. En el primer caso se mantuvo la
sección del alambre y a partir del alambre de 6 mm de
diámetro se mecanizaron probetas con una sección útil
de 3,5 mm de diámetro, y 120 mm de largo en ambos
casos. Las probetas mecanizadas fueron betatizadas a
850ºC durante 2,5 y 4 min, respectivamente, con un
posterior temple al agua, y luego sometidas a un
envejecimiento convencional a 100ºC durante 1 h. Los
ensayos mecánicos se realizaron a temperatura
ambiente (24ºC). Mediante microscopía óptica se
determinó el tamaño de grano del material a ser
ensayado e identificó las fases presentes.
Se realizaron ensayos de tracción monotónica
a la fractura y cíclicos con control por deformación a
1 Hz, con series a deformación máxima creciente (con
5 ciclos por serie) y constante (con 10 ciclos por
serie), en un equipo MTS en el Laboratorio Nacional
de Vialidad del Ministerio de Obras Públicas. Los
ensayos de tracción monotónica fueron realizados sin
extensómetro a una velocidad de la máquina de 96
mm/min, mientras que para los cíclicos sí se utilizó
extensómetro. La temperatura de las probetas fue
medida con una termocupla tipo K enrollada en la
probeta y asegurada con elásticos a la misma. Se
obtuvieron curvas de esfuerzo-deformación de
ingeniería para cada uno de los ensayos realizados.
Para el análisis fractográfico de las probetas,
se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM).
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RESULTADOS Y DISCUSIONES
mixto de clivaje y de microporos, donde se observan
algunas zonas facetadas y otras con hoyuelos.
3.1. Microscopía óptica
El material a ser ensayado se encontró tenía
una estructura austenítica, sin presencia de fase
martensita. Después del tratamiento térmico, se
encontraron tamaños de grano de 0,7 mm de diámetro
para el alambre de 6 mm de diámetro, y de 0,5 mm
para el alambre de 3 mm de diámetro.
3.2. Ensayos monotónicos a la fractura
De los ensayos de tracción monotónica a la
fractura a temperatura ambiente, la probeta
proveniente del alambre de 3 mm se fracturó dentro de
marcas, con un esfuerzo máximo de 5146,38 kg/cm2 y
deformación máxima de 15,15 %. La velocidad de
calentamiento en deformación fue de 2,26 ºC/s.
La probeta proveniente del alambre de 6 mm
de diámetro se fracturó muy cerca de los límites de la
zona útil, con un esfuerzo máximo de 4586,15 kg/cm2
y una deformación máxima de 10,43 %. La velocidad
de calentamiento en deformación fue de 3,6 ºC/s. Ver
2
Esfuerzo, S [kg/cm ]
6000
4000
2000
0
0
5
10
15
Deformación, e [%]
3 mm
20
6 mm
figura 1.
Figura 1. Curva esfuerzo-deformación para ensayo de
tracción monotónica a la fractura para alambres de 3 y
6 mm de diámetro.
Al medir la velocidad de calentamiento de las
probetas en deformación se observa que esta es mayor
al aumentar la sección útil del alambre, para una
misma velocidad de deformación (impuesta por la
máquina). Además se aprecia que este material posee
una alta elongación (mayor a un 15%) y resistencia a
la fractura (esfuerzo máximo mayor a 5000 kg/cm2).
El relieve fractográfico, mostrado en la figura
2, reveló fractura transgranular por un mecanismo
25 kV x 500
50 μm
Figura 2. Fractura transgranular del alambre de 3 mm
de diámetro sometido a tracción monotónica. SEM.
3.3. Rango superelástico
De los ensayos cíclicos a deformación
máxima creciente, se observa que el material es
superelástico dentro de un rango de deformación. Para
el caso del alambre de 3 mm de diámetro, con un 2,3%
de deformación máxima el material no presenta
deformación remanente, mientras que para 2,6% de
deformación máxima se obtiene una deformación
remanente promedio de 0,032% (valor menor al error
asociado al registro de datos del equipo de 0,05%).
Para valores mayores se observa deformación
remanente. De los ensayos a deformación máxima
constante de 0,9, 2 y 2,3 % a 1 Hz, se corrobora que el
material es superelástico a esas deformaciones, ver
figura 3.
Para las probetas provenientes del alambre de
6 mm de diámetro, con un 2,5% de deformación
máxima el material no presenta deformación
remanente, mientras que para un 3,1% se obtiene una
deformación remanente promedio de 0,028% y para
un 3,6% de 0,045%.
Se puede estimar entonces que el rango de
deformación para el cual el material tiene un
comportamiento superelástico es de 2,3-2,6% para el
alambre de 3 mm de diámetro, y de 3,1% para el
alambre de 6 mm de diámetro. Relacionando estos
resultados con el tamaño de grano del material, se
observa que las probetas con un mayor tamaño de
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S vs. E
alambre 3 mm
4000
4000
3000
S (kg/cm2)
3000
S (kg/cm2)
S vs. E
alambre 6 mm
2000
1000
2000
1000
0
0
0
def. máxima
1
2,3%
e (%)
2,6%
2
0
3
1
2
3
4
e (%)
def. máxima
2,8%
2,5%
3,1%
3,6%
Figura 3. Curvas esfuerzo-deformación obtenidas de ensayos de tracción cíclica en alambres de 3 y 6 mm de
diámetro a 1 Hz.
3.4. Evolución de la temperatura
31
30
Temperatura, T [°C]
grano (de 0,7 mm de diámetro en el alambre de 6 mm
de diámetro) poseen un mayor rango de
comportamiento superelástico, observando además,
que las relaciones diámetro de la sección útil de la
probeta respecto al diámetro de tamaño de grano, son
similares (de 6 para el alambre de 6 mm de diámetro y
de 5 para el alambre de 3 mm de diámetro).
29
28
27
26
25
24
Se analizó la evolución de la temperatura de
las probetas durante los ensayos mecánicos. En ambos
casos y al avanzar las series con deformación
creciente (y, por ende, aumento de la velocidad del
ensayo), el máximo de temperatura para cada serie
presenta una tendencia creciente a partir de la
temperatura ambiente (entre serie y serie se dejó pasar
algunos segundos para que la probeta se enfriase
completamente). En la figura 4 se muestra este
comportamiento para una probeta de 3 mm de
diámetro. Esto indicaría que al aumentar la
deformación máxima impuesta, el material
experimenta un mayor calentamiento, debido a que el
trabajo mecánico impuesto es mayor, y a que la
velocidad del ensayo también es mayor. A diferencia
de esto, al avanzar las series con deformación
constante, se observó que la temperatura máxima de
los máximos se mantenía próxima a un valor
constante. Cabe señalar que se empleó una frecuencia
de captación de datos de temperatura que era próxima
a la frecuencia de los ciclos mecánicos; para un
adecuado seguimiento del fenómeno, habría sido
deseable que la primera hubiese sido, por ejemplo,
unas 10 veces mayor que la segunda.
23
0
200
400
600
800
Tiempo, t [s]
Figura 4. Evolución de la temperatura de las probetas
durante un ensayo de tracción cíclico a 1 Hz en series
de 5 ciclos cada una con deformación máxima
creciente, para una probeta de 3 mm de diámetro.
3.5. Evolución de la forma de los ciclos
Para ambos alambres se pudo apreciar una
variación en la forma de los ciclos al aumentar la
deformación máxima impuesta, mientras que al
realizar series a deformación constante los ciclos
poseen formas muy similares. Se analizaron tres
parámetros para estudiar la evolución de la forma de
los ciclos en los ensayos cíclicos a deformación
máxima creciente:
- parámetro K, que corresponde a la pendiente de la
parte elástica lineal de la curva de carga;
- rigidez, que corresponde a la pendiente del ciclo
total de carga-descarga;
- amortiguamiento (B), que es un indicador de la
energía disipada por el material, y se calcula
mediante la siguiente fórmula:
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2
Parámetro K, K [kg/cm ]
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
Deformación máxima, emáx [%]
6 mm
3 mm
Figura 5. Variación de K respecto a la deformación
máxima en ensayos de tracción cíclica a 1 Hz, para
alambres de 3 y 6 mm de diámetro.
El
amortiguamiento
presenta
un
comportamiento lineal creciente con pendientes
positivas de alrededor de 1 (%B/%emáx) para ambos
alambres, y valores de alrededor de 5% para las
deformaciones límites del rango superelástico. Por
otro lado, la rigidez posee un comportamiento
desaceleradamente decreciente para ambos alambres.
Esto indicaría que pese a que pese a que el alambre de
6 mm de diámetro posee una mayor deformación en el
límite superelástico, el porcentaje de amortiguamiento
9000
6
7500
5
6000
4
4500
3
3000
2
1500
1
0
0
0
B (%) 6 mm
1
2
3
e máx (%)
B (%) 3mm
4
Rigidez 6 mm
5
Rigidez 3 mm
Figura 6. Curvas de amortiguamiento y rigidez
obtenidas de curvas de esfuerzo-deformación en
ensayos de tracción cíclica a 1 Hz en alambres de 6
y 3 mm de diámetro.
3.
10000
7
Rigidez (kg/cm2)
En ambos alambres, se observó una tendencia
decreciente lineal del parámetro K al aumentar la
deformación máxima, a partir de 0,4% para el caso del
alambre de 3 mm, y de un 1% para el alambre de 6
mm de diámetro. Para este último, la caída del valor K
es menos drástica con una pendiente negativa de
963,18 kg/cm2, a comparación del alambre de 3 mm
con una pendiente negativa de 2445,5 kg/cm2, ver
figura 5. A diferencia de lo anterior, en los ensayos
cíclicos con deformación máxima constante, el
parámetro K se mantiene dentro de un rango de
valores. Esto indicaría que K dependería fuertemente
de la velocidad del ensayo (o deformación máxima
aplicada a frecuencia constante), pudiendo esto
producir cambios en la microestructura y/o
propiedades del material. Al comparar los valores
obtenidos de K del ensayo a deformación creciente,
con aquellos obtenidos de los ensayos a deformación
constante, éstos coinciden. Esto nos indicaría que el
valor de K no dependería de la historia de la probeta,
sólo de la deformación máxima impuesta (a frecuencia
constante).
(como indicador de la energía disipada por el material)
es similar para ambos alambres. El comportamiento
del amortiguamiento y rigidez para los alambres de 3
y 6 mm de diámetro, se puede observar en la figura 6.
B (%)
B (%) = 100 ⋅ área del ciclo / 2 ⋅ π ⋅ área total
CONCLUSIONES
Al medir la velocidad de calentamiento de las
probetas en deformación, en ensayos de tracción
monotónica a la fractura, se observa que ésta es mayor
al aumentar la sección útil del alambre, para una
misma velocidad de deformación (impuesta por la
máquina). Además se aprecia que este material posee
una alta elongación (mayor a un 15%) y resistencia a
la fractura (esfuerzo máximo mayor a 5000 kg/cm2).
El relieve fractográfico reveló fractura transgranular
por un mecanismo mixto de clivaje y microhoyuelos.
Al aumentar el tamaño de grano del material, su
rango de deformación superelástica también aumenta.
De los ensayos cíclicos a deformación
máxima creciente, se observa que el material es
superelástico dentro de un rango de deformación. Este
rango es de 2,3-2,6% para el alambre de 3 mm de
diámetro, y de 3,1% para el alambre de 6 mm de
diámetro.
Al avanzar las series en ensayos de tracción
cíclica a deformación creciente, los máximos de
temperatura presentan una tendencia creciente a partir
de la temperatura ambiente, a diferencia del caso a
deformación constante. Esto indicaría que al aumentar
la deformación máxima impuesta, el material
experimentaría un mayor calentamiento, debido a que
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el trabajo mecánico impuesto es mayor, y a que la
velocidad del ensayo también es mayor.
Durante los ciclos de una serie (a la misma
deformación), la temperatura máxima de los máximos
experimenta una tendencia creciente con el avance de
los ciclos. Esto sería coherente con el hecho de que el
material durante la carga experimenta un aumento de
la temperatura, producto del calor latente y la energía
mecánica realizada, mientras que durante la descarga
disminuiría la temperatura, producto del calor latente,
siendo mayor la variación durante la carga.
Ocurre una evolución en la forma de los
ciclos esfuerzo-deformación al aumentar la
deformación máxima impuesta. Esta evolución se
analiza respecto a tres parámetros, en relación con el
aumento de la deformación máxima aplicada: K
(pendiente de la parte elástica lineal de la curva de
carga) posee una tendencia decreciente lineal,
dependiendo su valor sólo de la deformación máxima
impuesta (a frecuencia constante) y no de la historia
de la probeta; el amortiguamiento presenta un
comportamiento lineal creciente y valores de
alrededor de 5% para las deformaciones límites del
rango superelástico, y la rigidez posee un
comportamiento desaceleradamente decreciente.
4.
REFERENCIAS
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memory materials”, eds. K. Otsuka and C.M.
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smart systems, Part I: Shape-memory materials”,
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Obradó, A. Planes, J. Zarestky, C. Stassis, R. Romero,
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shape memory alloys”, Acta Materialia, 46, 1998, pp.
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friction disipators”, Proceedings of the 8th World
Seminar Isolation, Energy Dissipation and Active
Vibration Control of Structures, Yerevan, Armenia,
2003, October 6-10,.
[8] V.Torra, A.Isalgue, F.C.Lovey, F.Martorell, and
M.Sade, “SMA and dampers in Civil Eng.: long time
guaranteed behavior and diffusional phenomena”,
Actas de Jornadas SAM/CONAMET/Simposio
Materia 2003, 2003, 05-26.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Fondo
Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico
(FONDECYT), Proyecto Nº 1030554, y al Centro
para la Investigación Interdisciplinaria Avanzada en
Ciencias de los Materiales (CIMAT) por el apoyo
financiero, y al Ingeniero Gabriel Palma, del
Ministerio de Obras Públicas, Chile, por las
facilidades
otorgadas
para
desarrollar
esta
investigación.