CONGRESO CONAMET/SAM 2004 CARACTERIZACION DE LA INICIACION DE FISURAS EN ADI EN CONTACTO CON MEDIOS FLUIDOS T. Lemme(1), R.A. Martínez(2), S.N. Simison(3), R.E. Boeri(2) (1) Estudiante Visitante, RWTH Aachen, Alemania , [email protected] División Metalurgia INTEMA, Fac. de Ingeniería – UNMdP -J.B. Justo 4302 - B7608FDQ - Mar del Plata Argentina, [email protected] (3) División Corrosión INTEMA, Fac. de Ingeniería – UNMdP -J.B. Justo 4302 - B7608FDQ - Mar del Plata Argentina, [email protected] (2) RESUMEN El comportamiento mecánico de las fundiciones esferoidales austemperizadas (ADI) muestra un fenómeno de fragilización por contacto con medios líquidos diversos. Este fenómeno ha sido descubierto y estudiado en años recientes, sin embargo sus mecanismos no han sido claramente identificados aún. Su esclarecimiento es sumamente importante en vista de las crecientes aplicaciones del ADI en la fabricación de partes de alta resistencia mecánica. Estudios recientes realizados en nuestros laboratorios han demostrado que el fenómeno está ligado a la aparición de fisuras tempranas durante la solicitación en tracción. Esta investigación tiene por objetivo principal identificar los valores de tensión crítica para la aparición de fisuras durante el ensayo de tracción de probetas de ADI en contacto con agua y otros medios fluidos. Con este objeto se llevaron adelante ensayos sobre probetas de sección variable en contacto con agua, alcohol isopropílico, heptano, metanol y tetracloruro de carbono. Los diversos medios han sido seleccionados para caracterizar la influencia de la estructura molecular.Los resultados confirman la dependencia del fenómeno con la naturaleza química del medio. Las fisuras subcríticas observadas en las probetas ensayadas en seco muestran una longitud que aumenta con la tensión local, indicando la existencia de un período de crecimiento estable. En cambio, las observadas en muestras ensayadas en contacto con los diversos medios líquidos utilizados, presentan longitudes menores, sugiriendo que estas alcanzan rápidamente dimensiones críticas que inducen la fractura. Adicionalmente, la aparición de fisuras tiene lugar a diferentes tensiones, dependiendo del medio en contacto con la superficie de la muestra. Palabras Claves: Fundición esferoidal, fragilización, polaridad, tensión superficial 1. INTRODUCCIÓN La reducción de la resistencia a la tracción y la ductilidad de sólidos en contacto con medios líquidos es un fenómeno conocido [1]. Algunos metales sufren, por ejemplo, el fenómeno de fragilización por contacto con otros metales en estado líquido (Liquid Metal Embrittlement - LME). En ciertos casos, un material que se comporta habitualmente en forma dúctil, falla con mucho menor alargamiento y a menor carga cuando su superficie está en contacto con un medio líquido específico. Las características de la fractura cambian respecto de aquellas observadas al ensayar el material en contacto con aire. Este fenómeno, que afecta a diversos sólidos, no ha sido completamente explicado aun. En el caso particular de la fundición esferoidal austemperizada (ADI) se ha reportado la existencia de un fenómeno de fragilización por contacto con medios líquidos diversos, aunque su mecanismo no han sido claramente identificado.[2-11]. En vista de las crecientes aplicaciones del ADI en la fabricación de partes de alta resistencia mecánica, su esclarecimiento es sumamente importante. Los resultados de estudios recientes realizados en nuestros laboratorios sugieren que el fenómeno de fractura de ADI por solicitación en tracción en CONGRESO CONAMET/SAM 2004 contacto con fluidos, está precedido por la aparición de fisuras superficiales a valores de carga inferiores a los máximos de rotura. Esta investigación tiene por objetivo principal la verificación de la hipótesis que postula que la presencia de algunos líquidos en contacto con la superficie del ADI, ejerce influencia sobre la iniciación de fisuras en el material bajo cargas de tracción. Con este objeto se abordará un estudio experimental destinado a identificar la aparición de fisuras durante un ensayo de tracción, vinculando los resultados con el estado tensional aplicado y con la naturaleza del medio líquido en contacto con la superficie de la probeta. Se realizaron ensayos de tracción sobre probetas de sección variable en contacto con agua, alcohol isopropílico, heptano, etanol y tetracloruro de carbono. Los diversos medios líquidos empleados en este estudio han sido seleccionados para caracterizar la influencia de la estructura molecular sobre el fenómeno de fragilización. 2.METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Los ensayos y análisis fueron realizados sobre probetas de fundición esferoidal obtenidas por el seccionamiento de bloques Y de 25mm de espesor, colados en la planta piloto de fundición del INTEMA, siguiendo prácticas convencionales de fusión, nodulización, inoculación y colada. La composición química de la colada empleada se lista en la Tabla 1. Las probetas poseen sección transversal rectangular, de dimensiones variables, como se observa en la Figura 1. Esta geometría fue adoptada para obtener distintos valores de tensión a lo largo de la probeta para una carga dada. De esta manera, conocida la carga máxima que produjo la rotura de la probeta en su sección menor, podrá calcularse la tensión máxima aplicada en cada sección no fracturada de las probetas. Las caras frontales de las probetas fueron pulidas a espejo luego del tratamiento térmico y previo al ensayo, para poder observar la presencia y medir la longitud de fisuras empleando un microscopio metalográfico luego de realizado el ensayo de tracción. El tratamiento de austemperizado consistió en un austenizado a 920°C durante 1 hora, seguido por un austemperizado en baño de sales fundidas a 360°C durante 90 minutos. Mediante este tratamiento el material adquiere las características necesarias para satisfacer los requerimientos de ADI grado 2 (ASTM 897-90). La microestructura obtenida luego del tratamiento térmico fue verificada sobre secciones transversales de las probetas, pulidas y atacadas con Picral 4%. Tabla 1: Composición química de la FE empleada. Elem [%] C Si Mn Mg Cu Ni P S 3,35 2.74 0.32 0.06 1,05 0,44 0.04 0.01 El líquido fue puesto en contacto con la superficie de la muestra mediante un contenedor consistente en una sección de tubería plástica con un tapón de goma obturando su extremo inferior. El contenedor del líquido se colocó alrededor de la probeta de tracción, se montó la probeta en la máquina de ensayos, y luego se llenó la porción de tubería con el líquido seleccionado. Un primer grupo de probetas, numeradas de 1 a 6, fueron ensayadas en aire y empleando líquidos similares a los ya investigados en trabajos anteriores [5-7], tales como agua y alcohol isopropílico, con el fin de identificar su influencia sobre la aparición de fisuras superficiales. El segundo grupo de probetas, identificadas como A a F, no presentaba ninguna cara pulida a espejo, y fue utilizado para realizar ensayos empleando otros líquidos, con el objetivo de evaluar la influencia de la tensión superficial y la polaridad sobre la intensidad de la fragilización. La selección de los líquidos empleados en los ensayos fue realizada, en consecuencia, teniendo en cuenta la magnitud de la tensión superficial y el valor de polaridad de cada molécula. El líquido que posee la mayor tensión superficial, aproximadamente 72 mN/m es el agua, que presenta además la mayor polaridad. Los alcoholes son también en cierta medida polares. Cuando el grupo OH- está incluido en un extremo de la molécula, como en el caso del etanol, la carga negativa produce alta polaridad, mientras que cuando el grupo OH- está próximo al centro de la molécula, como en el caso del alcohol isopropílico, el efecto es Figura 1: esquema indicando la forma y dimensiones de la probeta de tracción. Cotas en milímetros. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 mucho menor. Teniendo en cuenta que ambas moléculas están formadas aproximadamente por los mismos átomos, se estima que la comparación de los resultados al ensayar en contacto con etanol y alcohol isopropílico puede brindar información sobre la influencia de la polaridad. También se realizarán ensayos en contacto con heptano, que presenta una estructura más larga que los el etanol y el alcohol isopropílico. Otro líquido a emplear en los ensayos es el tetracloruro de carbono, que no presenta átomos de H y es no-polar, representando un extremo opuesto al del agua. La Figura 2 muestra la estructura de las moléculas de los liquidos empleados. La caracterización de las superficies de fractura y laterales fueron analizadas mediante SEM. OH Alcohol isopropílico: CH3CHOHCH3 3. RESULTADOS Los resultados de los ensayos de tracción son listados en la Tabla 2. Tabla 2. Resultados de los ensayos de tracción. Sección Probeta Medio 2 Pmax [mm ] [N] Tension max. [Mpa] 1 Seco 35.40 38736 1094 2 Seco 33.63 36285 1079 3 Agua 38.70 33146 856 4 Agua 36.00 30499 847 5 Alc. Isop. 35.76 33735 943 6 Alc. Isop. 36.24 37756 1042 A Heptano 35.64 35990 1010 B Heptano 36.84 35990 977 C Etanol 36.84 36285 985 D Etanol 36.60 36187 989 E CCl4 36.12 37756 1045 F CCl4 36.36 38246 1052 CH H3C Etanol: H3C CH3CH2OH CH3 CH2 Heptano: CH3(CH2)5CH3 CH2 H3C OH CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 Cl Tetracloruro de carbono:CCl4 C Cl Cl Cl Figura 2: estructura molecular de los líquidos. prob 1 prob 2 Los resultados confirman que todos los líquidos prob 3 prob 4 prob 5 Longitud de Fisura [micrones] 140 120 100 80 60 40 20 0 800 900 1000 1100 Tensión [Mpa] 1200 1300 Figura 3: Longitud de fisuras en función de la tensión aplicada. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 ensayados producen algún grado de fragilización. El agua produce el mayor efecto, mientras que el menor efecto se observa para el tetracloruro de carbono. Debe notarse que el ensayo número 6 arrojó un resultado contradictorio y distinto al esperable de acuerdo a las experiencias previas [2]. En este caso el espécimen no rompió en la sección mínima, por razones que no han podido explicarse. En consecuencia se optó por despreciar el resultado de este ensayo. En cambio, el ensayo número 5 concuerda con los resultados anteriores y fue considerado válido. Los resultados de la caracterización metalográfica de las fisuras en la cara pulida de las probetas ensayadas en contacto con aire, alcohol isopropílico y agua se muestran en la Figura 3. Es claro que tanto la presencia de agua como la de alcohol isopropílico inducen la aparición de fisuras a valores de tensión mucho más bajos que los observados en contacto con aire. En presencia de agua aparecen fisuras a tensiones por encima de los 850 Mpa. En presencia de alcohol isopropílico las fisuras aparecen a tensiones por encima de 900 Mpa, mientras que al ensayar en aire sólo aparecen fisuras por encima de los 1050 Mpa. En concordancia con los resultados de trabajos anteriores se observa que el efecto del agua es más marcado que el del alcohol isopropílico. La cantidad y el tamaño de las fisuras que se forman es también diferente. El ensayo en aire está acompañado de la aparición de numerosas fisuras que alcanzan los 150 micrones. En cambio, en presencia de medios fragilizantes aparece menor cantidad de fisuras que rara vez superan los 50 micrones de longitud. En todos los casos las fisuras aparecen a valores de tensión por encima de la tensión de fluencia para esta aleación y tratamiento térmico, que es de aproximadamente 790 Mpa. Las Figuras 4 y 5 muestran el aspecto de las fisuras observadas mediante SEM sobre la cara pulida de las probetas de tracción ensayadas en agua y alcohol isopropílico. Las fisuras se ubican tanto en contacto con nódulos de grafito como lejos de ellos. Figura 4: fisuras en superficie de probeta 3. La Tabla 3 muestra los valores de tensión de falla medidos en los distintos ensayos, y los correspondientes valores de tensión superficial y polaridad de los respectivos fluidos. Los valores de tensión han sido ordenados de mayor a menor. Figura 5: fisuras en superficie de probeta 5. Tabla 3. Tensión de rotura medida, tensión superficial y polaridad de los líquidos. Medio Tensión Tensión Polaridad de Rotura Superf. [Debye] [Mpa] [mN/m] Aire 1087 CCl4 1049 26,5 0 Heptano 993 21,73 <0,2 Etanol 987 22,1 1,68 Alc. Isopr. 943 23,5 1,66 Agua 852 72,1 1,85 Los resultados de la Tabla 3 muestran que la tensión superficial no es la variable que controla el fenómeno de fragilización, ya que la intensidad de la fragilización, manifestada por la disminución de la tensión de rotura respecto de aquella medida en contacto con aire, no se condice con los valores de tensión superficial listados. Con excepción del agua, los otros cuatro medios líquidos empleados presentan tensiones superficiales semejantes, pero ocasionan fragilización de variada intensidad. Los valores de polaridad, en cambio, muestran una buena correlación cualitativa con la intensidad de la fragilización, observándose en general que la mayor tendencia a la fragilización corresponde a los líquidos de mayor polaridad. Las Figuras 6 y 7 muestran el aspecto típico de zonas próximas a la superficie de las probetas ensayadas en contacto con agua. En la Figura 6 la superficie lateral de la probeta se encuentra en la parte superior. La zona central superior de la fotografía muestra una superficie de fractura relativamente plana, que observada a mayores aumentos muestra el típico aspecto de clivaje. En la superficie restante se observa una totpografía mucho más rugosa, típica de las fracturas dúctiles con alto grado de deformación local. La Figura 7 muestra el mismo tipo de comportamiento CONGRESO CONAMET/SAM 2004 en la probeta 4, aunque a mayores aumentos. En este caso la superficie lateral de la probeta de tracción se encuentra en el borde inferior. Se observa la presencia de una región relativamente plana, de aproximadamente 800 micrones de profundidad, rodeada de una zona de fractura dúctil. Este comportamiento se repite en las probetas en contacto con alcohol isopropílico, mientras que no se observan zonas de fractura por clivaje en las probetas ensayadas en aire. Figura 6: superficie de fractura de probeta 3. verifica la aparición progresiva de fisuras superficiales en el ADI. Esto ocurre tanto en aire como en presencia de líquidos. Sin embargo, algunos líquidos producen la aparición de estas fisuras a valores de carga menores. Las fisuras superficiales han sido observadas tanto en contacto con concentradores de tensiones, como los nódulos de grafito, como en zonas alejadas de ellos, aparentemente libres de defectos que pudieran concentrar tensiones. Esto implica que los líquidos causan una marcada reducción en la ductilidad en ciertas zonas de la microestructura, las que ante una tensión relativamente baja, se fisuran. En un trabajo anterior [8] se ha verificado que la tenacidad a la fractura del ADI disminuye marcadamente por efecto de la presencia de líquidos. Existirán entonces dos efectos sumados que contribuyen a la fragilización. Por un lado aparecen fisuras superficiales a menores tensiones, y por el otro estas fisuras se tornarán críticas a menores dimensiones por haber disminuido la tenacidad a la fractura por el contacto con agua u otros líquidos. Un segundo aspecto novedoso que surge en este estudio es la identificación de la influencia de la polaridad de los líquidos sobre la intensidad de la fragilización, y ser independiente de la tensión superficial. En este aspecto es necesario realizar nuevos ensayos empleando probetas de sección uniforme y calibrada, con el objeto de determinar con mayor precisión la magnitud de la fragilización producida por cada líquido. Debe tenerse en cuenta que las probetas de tipo cónico empleadas en este estudio no ofrecen la precisión necesaria en la determinación de la tensión de rotura como para intentar establecer una correlación cuantitativa entre la fragilización y el valor de polaridad. 5. CONCLUSIONES ¾ La presencia de líquidos en contacto con la superficie del ADI durante el ensayo de tracción causa la aparición de fisuras superficiales. Estas fisuras también aparecen al ensayar en aire, pero a tensiones mucho mayores. ¾ Distintos líquidos ensayados producen distinta intensidad de fragilización. Esta pérdida de tenacidad guarda una relación cualitativa con la polaridad del líquido, observándose que a mayor polaridad existe mayor fragilización. Figura 7: superficie de fractura de probeta 4. 4. DISCUSION Este estudio muestra que existe una marcada influencia del fluido sobre los niveles de carga a los que se registra la aparición de fisuras en la superficie del ADI sometido a tracción. Tanto la fragilización como la iniciación de fisuras superficiales se ven facilitadas por la presencia de líquidos con alta polaridad. Hay dos aspectos que se han verificado en esta investigación que constituyen avances significativos en la comprensión del fenómeno de fragilización del ADI por contacto con líquidos. En primera instancia se ha demostrado que luego de entrar en fluencia, se 6. REFERENCIAS [1] P.A Rehbinder,.,Surface phenomena in solids during deformation and fracture processes, Moscow: Moscow State University, Institute of Physical Chemistry [2] R.A. Martínez,.; R.E Boeri,.; J.A Sikora,.International Journal of Cast Metals Research, 13, 2000 p. 9-15 [3] S. Komatsu.; C.Q .Zhou,; S. Shibutani,.; Y Tanaka,.International Journal of Cast Metals Research, 11, 1999. p. 539-544 CONGRESO CONAMET/SAM 2004 [4] S Komatsu,. , International Journal of Cast Metals Research 16, 2003 p. 209-214 [5] R.A.Martínez, S.Simison and R.E.Boeri. Proceedings 2002 World Conference on ADI, Louisville, Kentucky USA, 2002, AFS Publication, ISBN 0-87433-257-7, pp91-96. [6] L Masud,.; R.A. Martinez,.; S Simison,.; R Boeri,. 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