Ensayo de tracción bajo la Norma ASTM E8

Ensayo de tracción bajo la Norma ASTM E8
A cada una de las microestructuras a estudiar se le realizó ensayo de tracción en
una máquina Universal Shimadzu AG-100kNX localizada en Instituto Tecnológico
Metropolitano, en este ensayo se obtuvieron datos como esfuerzo de fluencia,
esfuerzo último a tensión, esfuerzo último a fractura, % de elongación, % de
reducción de área y coeficiente de endurecimiento por deformación; en
investigaciones hechas con anterioridad [7,25,42,43] relacionan estas propiedades
con la resistencia a desgaste por rodadura y deslizamiento en aceros ferroviarios;
en otros trabajos [44-46] relacionan algunas de estas propiedades en modelos
que buscan describir el desgaste por fatiga y/o cambios superficiales en el material
asociados al contacto rodante-deslizante, logrando estimar que tanto puede una
propiedad influir sobre la resistencia al desgaste y/o cambios superficiales en el
material bajo condiciones especificas de contacto.
Las dimensiones y geometría de las probetas de tracción se pueden apreciar en la
figura 3.40.
Figura 3.40 Dimensiones y geometría de probetas de ensayo de tracción.
Ensayo de Tenacidad a la fractura bajo la Norma ASTM E1820
La tenaciadad a la fractura de las microestructuras a estudiar fue evaluada en el
laboratorio de Propiedades Mecánicas de la Universidad Nacional del Comahue
localizado en la ciudad de Neuqén- Argentina. Esta propiedad se hace importante
dado que permite valorar cual microestructura puede soportar tamaños de grietas
mayores antes de fallar por fractura frágil; diferentes trabajos han buscado
ralacionar esta propiedad en materiales de rueda y riel con el desempeño durante
su vida últil [25, 47].
46
Figura 3.41 Dimensiones y geometría de probetas de ensayo de Tenacidad a la fractura.
La figura 3.41 muestra la geometria y dimensiones de las probetas empleadas en
los ensayos de tenacidad a la fractura.
Antes de los ensayos las probetas fueron preagrietadas por fatiga en la máquina
mostrada en la figura 3.42a, allí se generaron grietas de longitudes permitidas y
sugeridas por la norma, tomandose entre entre 130.000 y 180.000 ciclos para la
respectiva fisuración.
Luego de esto se realizó el ensayo de tenacidad a la fractura en la prensa
mostrada en la figura 3.42b.
a)
b)
Figura 3.42 a) Máquina de preagrietamiento b) Prensa de ensayos de tenacidad a la fractura
47
Ensayo de impacto Charpy bajo la Norma ASTM E23
Las microestructuras a estudiar fueron sometidas a ensayos de impacto Charpy,
esto con el fin de contrastar los resultados con trabajos anteriores [19, 48] en los
cuales buscaban relacionar la propiedad de resistencia al impacto con el
desempeño a desgaste y modo de propagación de las grietas en los materiales.
Las dimensiones y geometría de las probetas de ensayo Charpy se pueden
apreciar en la figura 3.43.
Figura 3.43 Dimensiones y geometría de probetas de ensayo Charpy.
3.4 ENSAYOS DE DESGASTE EN EL TRIBÓMETRO DISCO-DISCO
La máquina de pruebas disco sobre disco es un dispositivo donde dos discos son
puestos a rodar uno contra otro mediante la aplicación de una carga determinada.
La Figura 3.44 muestra un las probetas en contacto de un ensayo en una máquina
disco sobre disco.
Carga
Probeta
rueda
Lubricante
Probeta
riel
48
Figura 3.44 Probetas en contacto en ensayos Disco sobre Disco [49].
Usualmente uno de los discos presenta una velocidad de rotación mayor que el
otro, con el propósito de promover un porcentaje de deslizamiento en el contacto
rodante como frecuentemente pasa en las aplicaciones reales.
El porcentaje de deslizamiento se define ajustando la velocidad de cada eje y está
dado por la ecuación (2.1).
D(%) =
200( RR N R − RW N W )
R R N R + RW N W
ecuación 2.1
(2.1)
Donde RR y RW son los radios de las probetas de los materiales que simulan el riel
y la rueda respectivamente, NR y NW son las revoluciones (rpm) a las que giran
ambas probetas. Un porcentaje de deslizamiento negativo significa que la probeta
que simula el material de la rueda está ejerciendo una fuerza de tracción sobre la
probeta que simula el material del riel.
Para evaluar la resistencia al desgaste se utilizó el tribómetro Disco sobre Disco
que se muestra esquemáticamente en la figura 3.45, este dispositivo se encuentra
en el laboratorio de Tribología y Superficies de la Universidad Nacional sede
Medellín (ver figura 3.46); allí se probaron las probetas bajo condiciones de
esfuerzo, % de deslizamiento, lubricación, acabado superficial, velocidad lineal
que son representativas y de interés para los sistemas ferroviarios.
Figura 3.45 Esquema de la máquina de ensayos Disco sobre Disco
49
Figura 3.46 Máquina de ensayos Disco sobre Disco instalada en el laboratorio de tribología y
superficies de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín.
Con el fin de obtener datos en línea durante el ensayo que puedan suministrar
información de la variación en las condiciones de contacto, la máquina disco sobre
disco fue dotada de un transductor de torque cuya función es medir las variaciones
en el par que ejerce el motor causado por el contacto entre las probetas y el
porcentaje de deslizamiento entre ellas, el hecho de medir estas variaciones fue
útil para poder calcular con mayor precisión los coeficientes de fricción que se
presentaron entre las probetas durante los ensayos.
3.5 DISEÑO EXPERIMENTAL
Se evaluaron en la máquina disco sobre disco dos materiales, con dos
microestructuras diferentes cada uno bajo dos porcentajes de deslizamiento. Para
ello se planteó realizar un diseño de experimentos factorial 23, los niveles
asociados a los factores se presentan a continuación:
MATERIALES: Se estudiaron los aceros R-260 y 370LHT, estos son empleados
en la industria ferroviaria para la fabricación de rieles [39]. En todos los casos, el
contracuerpo fue el material de fabricación de la rueda P-2079 R8T suministrada
por el Metro de Medellín.
MICROESTRUCTURAS: Cada acero fue tratado térmicamente para obtener
microestructuras bainíticas y perlíticas.
% DESLIZAMIENTO: Los ensayos fueron hechos en condiciones de rodadura
pura y rodadura-deslizamiento buscando evaluar la resistencia a desgaste por
fatiga con rodadura pura y con deslizamiento.
50
El porcentaje de deslizamiento para los ensayos rodante-deslizantes fue del -2%
establecido con base en trabajos experimentales y simulaciones de laboratorio así
como en mediciones realizadas en campo [31-33, 50].
FACTORES FIJOS
La presión de contacto durante los ensayos fue mantenida constante y se definió a
partir de la información disponible en la literatura acerca de valores de presión
críticos que se presentan en sistemas ferroviarios urbanos [51-53]. La
combinación de velocidad de deslizamiento y presión de contacto ubica los
materiales en regímenes de transición y desgaste [54], en los ensayos se buscaba
someter a los materiales a un régimen de desgaste severo; lo que ayudó a tener
un punto de apoyo en la selección de estas dos variables.
El acabado superficial inicial de cada probeta es importante en el desempeño a
desgaste de los materiales [31,55-58] por ello en estos experimentos se tuvo en
cuenta y se generaron valores similares a los presentados en campo del
parámetro de rugosidad Ra que poseen las ruedas y rieles al entrar en
funcionamiento después de ser reperfiladas. Para obtener estos valores del
parámetro de rugosidad se hicieron visitas a las instalaciones del Metro de
Medellín para hacer la caracterización y mediciones de las mismas.
Las condiciones ambientales de temperatura y humedad se mantuvieron
constantes dentro del laboratorio con el fin de evitar efectos en los resultados
asociados a la variabilidad de estas condiciones. Durante los ensayos se registró
la temperatura ambiente, humedad y presión atmosférica usando un equipo
Speedtech.
En ensayos disco-disco la dependencia de la tasa de pérdida de masa sobre el
número de ciclos está descrita por cuatro estados: desgaste de películas
superficiales, periodo de running-in, tasa de desgaste mínima y tasa de desgaste
cuasi-estable, esta última puede tardar más de 100.000 ciclos [59], adicionalmente
cuando a fallas de fatiga en el material se refieren se ha encontrado en ensayos
de laboratorio que las primeras fallas se dan aproximadamente a los 30.000 ciclos
[60]; también se encontró en simulaciones de contacto en seco a escala real que
la tasa de desgaste se comienza a estabilizar a los 100.000 ciclos [61], además de
esto se encontró en trabajos que buscaban comparar diferentes microestructuras
bajo condiciones de contacto similares a las presentadas en este trabajo que los
ensayos de desgaste estaban en su mayoría hasta menos de 100.000 ciclos,
aunque se realizaron ensayos hasta 500.000 ciclos [50].
Por lo anterior buscando llevar los materiales hasta una tasa de desgaste cuasiestable y generar grietas asociadas a la fatiga, los ensayos fueron llevados hasta
200.000 ciclos, con mediciones intermedias cada 50.000 ciclos con el fin de
obtener la curva de pérdida de masa acumulada y cambio superficial del material
en el tiempo; aunque esto no tenga influencia directa sobre los resultados es de
51
importancia conocer el comportamiento del material en el tiempo para hacer
análisis y comparaciones entre la evolución del desgaste en cada microestructura.
Ensayos de laboratorio realizados por diversos investigadores [62, 63] mostraron
que la velocidad de rotación no tiene un impacto significativo sobre las tasas de
desgate bajo las mismas condiciones de contacto; igualmente se ha mostrado que
un incremento en la frecuencia de ensayo no superior a 5 veces no afecta
significativamente el desempeño a fatiga de los materiales [64], según lo anterior
los ensayos serán corridos a 1000RPM buscando no generar altas vibraciones en
la máquina disco sobre disco y recalentamientos asociados a los motores
eléctricos de la misma.
Todos los ensayos fueron realizados bajo condición de lubricación seca, dado que
no es objeto de este estudio analizar el desempeño a desgaste en condiciones
lubricadas.
VARIABLES DE SALIDA
Pérdida de masa
Una medida del desgaste en las probetas durante los ensayos disco sobre disco
es la pérdida de masa [7, 50, 59] la cual fue evaluada utilizando una balanza
electrónica SARTORIUS con poder de resolución de 0.01 mg.
Acabado superficial
El cambio del acabado superficial es una variable importante sobre la respuesta
del material a condiciones específicas de contacto [31,65], por lo tanto la
rugosidad de las superficies fue medida antes y después de cada ensayo usando
la estación semi-automática Mitutoyo SV-3000 ubicada en el Laboratorio de
Tribología y Superficies.
Cambios microestructurales
La determinación de los cambios microestructurales en la superficie de contacto
causada por los esfuerzos de trabajo es una práctica común para evaluar la
resistencia al desgaste de los materiales en ensayos asociados a fatiga de
contacto [36,60,61], cada muestra metalográfica extraída de las probetas de
ensayo se analizó en un corte longitudinal con respecto a la dirección de giro
(Figura 3.47), con el propósito de identificar los inicios de la falla y su evolución en
las microestructuras ensayadas, para esto se uso el microscopio estereoscópico
Leica GZ6 y el microscopio electrónico de barrido JEOL JSM 5910LV instalados
en el Laboratorio de Metalografía y de Microscopía Avanzada, respectivamente,
buscando establecer relaciones entre mecanismos de desgaste y fallas en la
microestructura, vale aclarar que la preparación metalográfica fue igual a la
realizada para el análisis de las microestructuras iniciales de ensayo.
52
Investigaciones realizadas con anterioridad se apoyan en los cambios
microestructurales para estimar el esfuerzo cortante bajo la superficie desgastada
[65-68] este planteamiento se usó para las microestructuras ensayadas buscando
comparar la respuesta a los esfuerzos cortantes generados durante los ensayos.
Figura 3.47 Representación del procedimiento de extracción de probetas para análisis
metalográfico.
Microdureza bajo la superficie
En pasados trabajos [60, 65] se llevaron a cabo mediciones de microdureza bajo
la superficie del material para evaluar la respuesta del mismo a los esfuerzos que
se presentan durante el contacto, ayudando a predecir las distancias bajo la
superficie a las que se pueden presentar las fallas por fatiga, además de la
cuantificación del endurecimiento por trabajo (acritud) de cada una [69, 70] dado
que este dato es de suma importancia para la evaluación del desgaste asociado a
fatiga y deslizamiento [71].
En este trabajo se realizaron mediciones de microdureza bajo la superficie en un
corte longitudinal con respecto a la dirección de giro (Figura 3.47), buscando hacer
evaluaciones y comparaciones similares a las planteadas en trabajos anteriores,
estas mediciones se llevaron a cabo en un microdurómetro SHIMADZU serie M
con una resolución de 0.5 µm y con una carga de 100 gf siguiendo los
lineamientos de la norma ASTM E-384-09.
En la figura 3.48 se muestra el esquema de diseño de experimentos planteado
para este trabajo.
Se planeó hacer 3 repeticiones por corrida para garantizar datos con mayor
confiabilidad estadística llegando así a resultados más claros y precisos en la
investigación.
Luego de tener las probetas en condiciones óptimas se desarrollaron los ensayos,
para lo cual se hizo un arreglo aleatorio del orden de las corridas en el programa
estadístico MINITAB (ver tabla 3.39).
53
Figura 3.48 Esquema de diseño de experimentos para el enfrentamiento del problema.
Tabla 3.39 Orden aleatorio de los ensayos.
Orden Estadístico
20
4
7
19
22
1
17
14
5
21
2
13
24
12
6
3
23
15
9
8
16
11
10
18
Orden Corrida Material Microestructura % Deslizamiento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
370LHT
370LHT
R-260
R-260
370LHT
R-260
R-260
370LHT
R-260
R-260
370LHT
R-260
370LHT
370LHT
370LHT
R-260
R-260
R-260
R-260
370LHT
370LHT
R-260
370LHT
370LHT
Bainita
Bainita
Bainita
Bainita
Perlita
Perlita
Perlita
Perlita
Perlita
Perlita
Perlita
Perlita
Bainita
Bainita
Perlita
Bainita
Bainita
Bainita
Perlita
Bainita
Bainita
Bainita
Perlita
Perlita
0
0
-2
0
-2
0
0
-2
-2
-2
0
-2
-2
0
-2
0
-2
-2
0
-2
-2
0
0
0
54
Procedimiento de Ensayo
Cuando se tuvo la probeta con la microestructura, dureza y acabado superficial
deseados se montó en el tribómetro disco sobre disco para hacer el respectivo
ensayo; luego de ser montada se verificaron las condiciones ambientales
(humedad y temperatura) seguido del establecimiento de los parámetros de carga,
porcentaje de deslizamiento y velocidad angular en la máquina. Dado que se tiene
conocimiento de la velocidad angular de la probeta se estipuló el tiempo del
ensayo para cada número de ciclos donde se hicieron las mediciones intermedias
hasta llegar a 200.000 ciclos.
Cuando la probeta fue ensayada hasta el número de ciclos de interés, se le realizó
una limpieza con ultrasonido durante 5 minutos en un baño de alcohol con el fin de
desprender virutas y suciedades que hicieran parte de la misma, luego se pesó
para evaluar la pérdida de masa y por último se hizo la medición del acabado
superficial.
Todos los datos de pérdida de masa y acabado superficial final fueron ingresados
al programa de diseño de experimentos para hacer el análisis estadístico y
técnico.
55
4. RESULTADOS
4.1 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL
Microestructuras Rueda Brasilera
La microestructura de la rueda brasilera después de ser sometida a los
respectivos tratamientos térmicos se muestra en las figuras 4.49a y 4.49b, donde
es posible apreciar granos de perlita rodeados por ferrita proeutetoide. Al realizar
diferentes tomas de dureza sobre las probetas (ver figuras 3.37a y 3.37b) se
obtuvieron valores entre 260 y 280 Vickers, los cuales son del mismo orden que
presentan las ruedas empleadas por el Metro de Medellín.
Ferrita Proeutectoide
Perlíta
a)
b)
Figura 4.49 Microestructura de las probetas que simulan la rueda. Nital 2% a) 3000X b) 5000X
Microestructuras Riel R260
a)
b)
Figura 4.50 Microestructura perlítica del riel R260. Nital 2% a) 5000X b) 8500X
La microestructura del riel R260 se muestra en las figuras 4.50b y 4.50b, se
observa en su mayoría microestructura perlítica dado que es un acero con
56
composición química muy cercana a la de un acero eutectoide, adicionalmente las
tomas de dureza mostraron valores entre 340 y 360 Vickers, dureza semejante a
la que presentan algunos rieles del Metro de Medellín.
La figura 4.51 muestra la microestructura del acero R260 después de someterse a
tratamientos térmicos que buscaban la transformación en bainita superior, allí se
observaron algunas regiones compuestas por agujas bainíticas pero no fue posible
determinar de manera contundente el tipo de bainita observado, dado que para
una fácil y correcta identificación de esta se hace necesario el uso de microscopía
de transmisión en busca de observar la forma y tamaño de los carburos
precipitados [72]. Adicionalmente en esta microestructura se realizaron
observaciones de microscopia óptica con el fin de apoyar la observación de las
agujas bainíticas (ver figuras 4.52a y 4.52 b), las durezas encontradas en esta
microestructura estuvieron entre 350 y 370 Vickers.
Agujas Bainíticas
Figura 4.51 Microestructura Bainítica del riel R260 1000X, Picral 3%
Agujas Bainíticas
Agujas Bainíticas
a)
b)
Figura 4.52 Microestructura Bainítica del riel R260, Picral 3% a) 1000X b) 1000X
Microestructuras Riel 370LHT
La microestructura perlítica del riel 370LHT se muestra en las figuras 4.53a y
4.53b, en general se observa una microestructura perlítica de igual forma que en
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