Propiedades de fatiga y micromecanismo de la fractura de una aleación de fundición
AlSiMg0.6 utilizada en la cabeza del cilindro del motor diésel
Abstracto
El aumento en el uso de aleaciones de aluminio y silicio de fundición en la industria automotriz
se debe a que reduce el peso, el consumo de combustible y los niveles de emisión. Incluye la
aleación de aluminio fundido de silicona EN AlSiMg0.6 (ASTM A357.0) que se utiliza para hacer
la culata del motor diésel. Es importante conocer el impacto en la integridad y confiabilidad de
este componente en presencia de defectos intrínsecos de las piezas de fundición convencionales
producidas en el proceso de moldeo permanente. Dichos defectos, como la película de
porosidad y óxido, cuando se ubican en la superficie o subsuelo de las piezas de fundición,
pueden ser iniciadores de grietas por fatiga. En este documento, la resistencia a la fatiga y los
micromecanismos de la fractura se analizan utilizando muestras de 7x14x60 mm mecanizadas a
partir de cilindros extraídos de la línea de ensamblaje de producción, y sometidas a pruebas de
terminación de tres puntos de fatiga. La superficie de la fractura de las muestras de fatiga se
analizó mediante SEM para caracterizar el micromecanismo y la fractura local de inicio. La
resistencia a la fatiga promedio, basada en 10 6 ciclos, fue de aproximadamente 140MPa. Se
observó en la superficie de fractura de las muestras de prueba de fatiga, un claro contraste entre
el micromecanismo de la zona de fatiga (estrías) y la zona de fractura final (hoyuelos), y el inicio
de la fisuración por fatiga ocurre en las porosidades cerca de la superficie.
1. Introducción
Recientemente, la industria automotriz ha pasado por algunos cambios debido a una tendencia
en la sustitución de los componentes hechos de acero y hierro fundido por aleaciones metálicas
que presentan algunas ventajas específicas, tales como:
Peso, propiedades mecánicas mejoradas y el consiguiente ahorro de combustible (eficiencia
energética mejorada y emisiones de gases de efecto invernadero reducidas). En este contexto,
se incluye la culata del motor diésel hecha de aleación de aluminio, y cuando se compara con el
hierro fundido, estas aleaciones presentan una mayor resistencia a la corrosión, una mejor
eficiencia térmica y un procesamiento de fundición más fácil debido a su menor punto de fusión
y mayor fluidez, lo que permite obtener Formas geométricas más complejas.
En la fabricación de culatas para motores diésel, los materiales más utilizados son las aleaciones
de aluminio y el hierro fundido, debido a sus excelentes propiedades de fundición [1]. El proceso
de fundición de las aleaciones de aluminio está asociado con algunos defectos como
porosidades e inclusiones de óxido, que pueden ser iniciadores de grietas con gran potencial,
reduciendo la vida útil del componente e incluso conduciendo a su ruptura final. Los defectos
relacionados con la inclusión de óxido tienen más importancia cuando no hay presencia de
porosidades, porque presentan una morfología bidimensional y tienen una mayor dependencia
de la dirección de carga (por otro lado, las porosidades presentan una morfología tridimensional:
cavidades).
Por lo tanto, la influencia de las inclusiones de óxido en la vida de fatiga se reduce en
comparación con las porosidades, especialmente cuando se considera el tamaño crítico y la
ubicación de los defectos [2].
Las porosidades se forman por la precipitación de hidrógeno en la solución líquida, la
contracción durante el proceso de solidificación, la reacción del metal del molde, la oxidación a
alta temperatura, los orificios de ventilación (cavidades, esencialmente esféricas, a menudo sin
contacto con la superficie de colada externa, producida debido al gas atrapado en el metal
durante el curso de la solidificación), y generalmente por la combinación de estos efectos [3].
Debido a que es el defecto más común en los componentes fundidos, afecta la resistencia del
material y especialmente la ductilidad, las porosidades se vuelven críticas en aplicaciones que
involucran cargas cíclicas (fatiga) como en la caja de la culata [4]. Algunos investigadores indican
que tales porosidades son el factor principal que controla las propiedades de fatiga de las
aleaciones de aluminio [5]. Esto puede ser más pronunciado cuando el tamaño y la cantidad de
dichos defectos exceden algunos valores determinados [6]. Existe una buena concordancia entre
los investigadores en la literatura acerca del papel de las porosidades en el estudio de la
propagación de grietas por fatiga en las aleaciones de aluminio, porque se encontró que las
grietas se inician en los poros ubicados en la superficie de las muestras o cerca de la superficie,
asociando el efecto de muesca con las cargas cíclicas máximas, ver [5, 7‐12].
El objetivo de este trabajo es determinar y analizar las propiedades de fatiga y los
micromecanismos de fractura de la aleación de aluminio y silicio EN AlSiMg0.6 (T61) que se
utiliza para fabricar la culata del motor diésel.
2. Materiales y métodos
Para realizar este experimento, se eligió una culata de motor diésel de aleación de aluminio y
silicio EN AlSiMg0.6‐T61 cuyo peso y dimensiones son 12.7 kg y 460 x 210 x 128 mm,
respectivamente. Este componente se sometió previamente a un tratamiento térmico con
solución y se envejeció artificialmente (T61). El análisis químico del material se realizó mediante
espectrometría óptica utilizando Spectrolab LVO M3, lo que demuestra que el material de la
culata corresponde a la aleación AlSi7Mg0.6 según BSI 169: 1986 [13] como se muestra en la
Tabla 1.
Las propiedades mecánicas, incluida la resistencia a la tracción, el yield strength y la elongación,
se determinaron a partir de muestras mecanizadas a partir de algunas culatas de cilindros de
motores diesel, después del tratamiento térmico. La prueba de dureza Brinell se realizó de
acuerdo con la norma ASTM E 10‐08, utilizando una carga de 250 kg, una bola de acero de 5 mm
(HBS 10/250), una prueba de durómetro Emco, modelo MSC 030 G3.
La prueba de tracción se realizó de acuerdo con la norma ASTM E8M‐08. Se determinaron
valores de 281 MPa para la resistencia a la tracción (σTS), 254 MPa para la resistencia a la
deformación (σYS ) y 3,8% para el alargamiento, y están de acuerdo con las especificaciones de
la aleación EN AlSiMg0.6‐T61.
Se realizaron pruebas de fatiga por flexión de tres puntos según ASTM 466‐07 [14]. Estas pruebas
de fatiga de muestras de 7x14x60 mm (maquinadas a partir de algunas culatas de cilindros) y un
tramo de soporte de flexión de 54 mm se realizaron en un MTS (Material Testing System),
modelo Teststar II, con capacidad de 10 toneladas (100kN), frecuencia de 25 Hz. y relación de
carga de 0,1. La resistencia a la fatiga se determinó utilizando trece muestras y el método de la
starcase.
Tabla 1. Composición química del material utilizado ‐ EN AlSiMg0.6. Valores mínimos y máximos a partir de tres
análisis.
La fractografía se realizó con un microscopio electrónico de barrido JEO / JXA 840 A y la
caracterización de los poros se realizó con la Imagen J 1.41 y la medición del área se realizó
mediante contraste de color según una guía de programas de Abdalla [15].
Se pueden encontrar más detalles de los materiales y la metodología en Mattos [16].
3. Resultados y discusión
Para el análisis metalográfico, se tomaron muestras de la sección transversal de la culata del
cilindro preparada de acuerdo con ASTM E3, grabadas con la solución de Keller y observadas por
Reichert‐Jung, modelo Polyvar Met, microscopio. Se observó una microestructura homogénea,
donde la matriz está compuesta por una solución sólida alfa y una solución sólida de fibra beta
eutéctica (partículas de silicio esferoidizadas) como se muestra en la Fig. 1.
Como se muestra en la Fig. 2, se identificaron varios poros, típicos del final de la solidificación y
también otros causados por el gas, distribuidos irregularmente en la superficie de la muestra.
Estos defectos son responsables de la reducción de la vida útil de los componentes según el
tamaño y su ubicación.
Fig. 1. (a) Micrografía que muestra la microestructura del material utilizado: matriz compuesta de solución alfa sólida
(dendritas Al) y eutéctica con partículas de Si en forma globular (estructura fibrosa); (b) Micrografía más detallada
que muestra la microestructura: dendritas Al (solución alfa sólida) y partículas de Si esferoidizadas del eutéctico. El
grabador de Keller.
Fig. 2. (a) Micrografía que muestra la presencia de porosidad interdentrítica causada por un gas con dimensiones de
0.2x0.14 mm y 0.5x0.2 mm; (b) Micrografía de inclusión de óxido con 0.5mm de largo y 0.09mm de ancho. El grabador
de Keller.
Treinta y cuatro medidas de espaciamiento de brazos de dendritas secundarias (SDAS) se
realizaron y calcularon mediante la ecuación. (1).
Estos datos fueron analizados por Minitab ® versión 15.1, 2006, lo que resultó en un valor
promedio de 48.6 um y una desviación estándar de 24.9 um. Además, la gráfica de caja obtenida
a partir de estos valores revela que el 75% de ellos están por debajo de 60 um.
donde "landa" 2 es el SDAS, L es la longitud de una línea recta, M la ampliación de la micrografía
y n el número de brazos dendríticos interceptados por la línea recta.
El programa Image J 1.41 se utilizó para determinar el tamaño promedio de las partículas de
silicio utilizando el diámetro equivalente del método F, que muestra un diámetro promedio de
6 um y una desviación estándar de 2.6 um.
Se sometieron trece muestras a pruebas de fatiga utilizando el método de la escalera para
determinar la resistencia a la fatiga de
La aleación de aluminio AlSi7Mg0.6. Se puede observar, en la Figura 3, que el valor de la
resistencia a la fatiga promedio para 106 ciclos se encuentra en el rango de tensión de 130 a 144
MPa, lo que da como resultado un valor de resistencia a la fatiga (SN) de 140 MPa.
Los valores obtenidos para la tensión máxima y el número de ciclos a fracturar están de acuerdo
con las curvas de aluminio características, ya que no tiene el nivel límite y el aumento de la
tensión aplicada disminuye el número de ciclos a fracturar, como se puede ver en la Fig. 3 .
Las figuras 4 (a) y 4 (b) muestran la superficie de fractura de la región inferior de la muestra de
prueba de fatiga bajo tensión de tracción. Es posible observar la región aproximada donde se
inició la grieta. Además, es posible observar el poro, que tiene un diámetro equivalente de 334
um. La Figura 5 muestra que la zona de fatiga se caracteriza por el micromecanismo de fractura
de las estrías de fatiga; por otro lado, la Fig. 6 muestra que el micromecanismo de fractura de la
zona de fractura final se caracteriza por hoyuelos.
Fig. 3. Máxima tensión frente al número de ciclos a fracturar (curva S‐N) de la prueba de fatiga para la aleación
AlSi7Mg0.6.
Las porosidades que iniciaron las grietas se encuentran en la superficie de la muestra que está
sujeta a la tensión de tracción normal máxima. Además de los poros más grandes que se
encontraron dentro del material, no iniciaron grietas debido a su localización remota desde la
región de máxima tensión de tracción. Las figuras 7 (a) y 7 (b) muestran porosidades debidas a
la contracción y causadas por el gas, respectivamente, ubicadas lejos de la región de máxima
tensión de tracción.
No se encontraron inclusiones de óxido en la fractura de la superficie de las muestras que
podrían iniciar grietas por fatiga, lo cual es importante porque la presencia de inclusiones de
óxido también está relacionada con una falla prematura de la culata del motor.
Otros factores, como el tamaño de las partículas de silicio, el tamaño de SDAS y las partículas de
hierro intermetálicas no influyeron en la vida de fatiga en esta prueba debido a la reponderancia
de poros que inician las grietas por fatiga.
La caracterización del tamaño de los poros medido en tres muestras por el método de diámetro
equivalente mostró un diámetro equivalente promedio de 422.8 um y una desviación estándar
de 147.4 um, donde el poro más pequeño tenía 171 um y el mayor 808 um.
Fig. 4. (a) Fractura de la superficie de la muestra de ensayo de fatiga. Superficie inferior sometida a cargas de tracción
en las pruebas de fatiga. La línea discontinua revela aproximadamente la interfaz entre la zona de fatiga y la zona de
fractura final. La flecha muestra el poro / grieta; (b) Iniciación probable del agrietamiento por fatiga local ‐ poro y
agrietamiento secundario con aproximadamente 334 um.
Fig. 5. Zona de fatiga de la muestra de prueba de fatiga que muestra estrías de fatiga.
Fig. 6. Zona de fractura final de la muestra de prueba de fatiga que muestra hoyuelos.
Fig. 7. (a) Porosidad por contracción; (b) Porosidad causada por el gas.
4. Conclusiones
La culata del motor diesel analizada en este documento, hecha de aleación AlSi7Mg0.6, obtenida
por fundición de molde permanente y sometida al tratamiento térmico T61, mostró una
microestructura homogénea con matriz alfa y partículas de silicio esferoidales en el eutéctico
con un diámetro equivalente de 6 um y desviación estándar de 2.6 um.
La curva S‐N de esta aleación representa el comportamiento típico de las aleaciones de aluminio,
con un valor de resistencia a la fatiga promedio de 140MPa durante 106 ciclos hasta la fractura.
En las pruebas de fatiga, la porosidad de la superficie en la región de la tensión de tracción
máxima fue el factor principal para iniciar la grieta por fatiga. Por otro lado, se observaron poros
más grandes en la superficie de la fractura, pero no iniciaron la grieta por fatiga debido a su
localización lejos de la región de tensión máxima.
Otros factores como las inclusiones de óxido, el tamaño de las partículas de silicio, el tamaño de
SDAS y las partículas de hierro intermetálicas no influyeron en la vida de fatiga debido a la
preponderancia de poros que inician grietas por fatiga. Finalmente, el micromecanismo de
fractura de la región de fatiga fue estrías y la región de fractura final fue hoyuelos.
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