250 TENSIONES RESIDUALES Y DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
04-22
TENSIONES RESIDUALES Y DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN SUPERFICIES
MECANIZADAS DE FUNDICIÓN DE HIERRO ESFEROIDAL DE DISTINTO
CONTEO NODULAR
Paolinelli L.D a, Echeverría M.D.b , Míngolo N c, y Moncada O.J.
d
a
UNMDP. J.B.Justo 4302. Mar del Plata, Argentina, [email protected]
b
UNMDP, J.B.Justo 4302. Mar del Plata, Argentina, [email protected]
c
CAC-CNEA, Buenos Aires, Argentina, [email protected]
d
UNMDP, INTEMA, J.B.Justo 4302. Mar del plata, Argentina, [email protected]
En piezas de pared delgada de fundición de hierro esferoidal, la disminución del espesor y el consecuente
aumento del conteo nodular, modifica las propiedades del material. Por su parte, el mecanizado final,
comúnmente un rectificado, genera cambios microestructurales, defectos superficiales y subsuperficiales,
distorsión de forma, y tensiones residuales que afectan la capacidad de carga y la fiabilidad de componentes
mecánicos críticos, de pequeño espesor.
En este trabajo se estudia el efecto del conteo nodular en las tensiones residuales post-mecanizado sobre placas
delgadas de 2 y 4 mm de espesor, provenientes de una colada de fundición de hierro esferoidal. Las placas son
ferritizadas y luego rectificadas bajo condiciones de acabado normales.
Se encontró que las tensiones residuales aumentan con el conteo nodular, siendo de tracción en todos los casos.
Los valores de tensión en la superficie superan los 400 MPa para alto conteo nodular, teniendo mayor valor y
profundidad el campo de tensiones, lo que muestra coherencia con los valores de microdureza, distorsión de
forma y deformación plástica observadas.
Palabras claves: tensiones residuales – fundición de hierro esferoidal – conteo nodular – superficies rectificado - deformación plástica
1. INTRODUCCIÓN
La tecnología de las fabricaciones mecánicas, está
condicionada por mercados cada día mas dinámicos,
que demandan constantemente productos de superior
calidad, menor costo, mayor seguridad y mínimo
impacto ambiental, lo que conduce muchas veces a
reducir el peso de las piezas. En ese contexto se ubica
la fabricación de piezas de fundición de hierro
esferoidal, que compite ventajosamente con otras
aleaciones.
En muchas piezas, reducir su peso implica reducir el
espesor de la pared y en el caso de la fundición
esferoidal en pequeños espesores (menores a 4 mm),
produce
un
marcado
refinamiento
de
la
microestructura y aumento del conteo nodular,
incrementando a su vez la resis tencia y la ductilidad
del material.
En ese caso, debido a la alta relación
superficie/volumen, factores dependientes del
mecanizado como, tipo y magnitud de las tensiones
residuales, distorsión de forma, deformación plástica y
alteraciones de dureza, resultan mas significativos y
relevantes, afectando la capacidad de carga y el
comportamiento al desgaste y a fatiga de las piezas en
servicio [1].
El monto y dirección de las tensiones residuales que
deja el mecanizado final, comúnmente un rectificado,
dependen de su tipo (tangencial, frontal, etc.), del
material que se mecaniza, de la herramienta (muela) y
de las condiciones de corte [2,3].
En este proceso de corte abrasivo, la temperatura en la
superficie puede ser muy alta, generando tensiones
residuales de tracción durante el enfriamiento rápido
al contraerse la zona calentada (efecto térmico). Se ha
demostrado que tales tensiones aumentan con la
temperatura[4].
Las tensiones de tracción serán tanto mas altas cuanto
mayor sea el coeficiente de dilatación térmica del
material, menor sea el triple producto (kρc) entre su
conductividad térmica, densidad y calor específico [5],
mayores su dureza y presión específica de corte [6], y
mayor el caudal de viruta removido (profundidad,
avance y velocidad de corte elevados), condiciones
que aumentan la generación de calor.
A su vez la superficie mecanizada y capas subyacentes
se deforman plásticamente en el corte, sufriendo un
alargamiento por efecto mecánico que genera
esfuerzos opuestos a los producidos por la contracción
térmica de las capas superficiales afectadas por el
calor [3,7]. Entonces, según el balance que resulte de
las influencias del material a mecanizar, la
herramienta, condiciones de corte y del fluido
refrigerante, las tensiones residuales resultantes
pueden ser de tracción, compresión o nulas.
Un rectificado con bajo caudal de viruta removido y
fluido refrigerante, causará menores tensiones
residuales, pudiendo resultar compresivas, haciendo
menos probable la aparición y propagación de grietas,
mejorando la integridad estructural y la resistencia a la
fatiga de las piezas.
Por otra parte, mayores tensiones residuales en piezas
delgadas y alta relación longitud/espesor, generan
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
mayor distorsión de la forma, y un consecuente
aumento del rechazo de piezas. Como ejemplo, en el
rectificado de acero 4340 templado y revenido, con
distintas muelas y condiciones de corte, se informan
variaciones de dureza entre 45 y 65 Rc, de tensión
residual entre +100 y -20 ksi, de distorsión en un 35%
y de resistencia a la fatiga del orden del 30 % [8].
Los
conocimientos
básicos
y
resultados
experimentales reportados en la literatura, acerca de
tensiones residuales y su correlación con la dureza,
deformación plástica y distorsión de forma en piezas
rectificadas, son relativamente vastos, pero se refieren
mayormente a materiales de uso masivo como los
aceros, y otros pocos metales.
El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto del
conteo nodular sobre las tensiones residuales, y la
deformación plástica generadas en el rectificado de
placas de fundición esferoidal ferritizada, en
condiciones normales de acabado.
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1 Material
El material se extrajo de una única colada en Planta
Piloto, en horno de inducción de 3 KHz y 55 Kg de
capacidad. Con el objeto de obtener diferentes conteos
nodulares, causados por diferencias en la velocidad de
solidificación, se emplearon dos modelos: uno
diseñado para colar placas de 2 y 4 mm de espesor y
otro para bloque Y de ”,
½ y moldes de arena.
La composición química se determinó por
espectrometría de emisión óptica con excitación por
chispa. La Tabla I lista la composición química, y el
valor del carbono equivalente (CE) que es levemente
hipereutéctico.
TABLA I. Composición química de la colada
% C %Si % Mn % S % P %Mg CE
3,58
2,73
0,23
0,04
0,041
0,039
4,49
La caracterización metalográfica se efectuó por
microscopía óptica, y se determinó el conteo nodular
empleando el Software Image-Pro Plus de análisis de
imágenes. Los valores obtenidos fueron de 500, 1250
y 1500 nód/mm2 , para las muestras de bloque Y de ”½
y las placas de 4 y 2 mm de espesor respectivamente.
La nodularidad fue del 80% para el material de 500
nód/mm2 , y del 90% en los otros casos. El material en
bruto de colada mostró un bajo porcentaje de carburos
precipitados.
2.2 Mecanizado y tratamiento térmico
Con el objeto de lograr profundidad de pasada
constante en el rectificado, que garantice la
uniformidad de los esfuerzos transmitidos en el corte,
el material de colada se fraccionó y mecanizó por
aserrado, limado y rectificado de baja energía para
obtener placas de caras paralelas de 13x60 mm y
espesores levemente inferiores a 2 y 4 mm.
A fin de poder evaluar el efecto individual del conteo
nodular, evitando influencias de otros factores, antes
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del rectificado se sometieron las placas a un
tratamiento de ferritizado a 910 ºC durante 1 hora, y
enfriamiento
en
horno,
obteniéndose
una
microestructura homogénea totalmente ferrítica.
Utilizando una rectificadora tangencial plana y
sujeción magnética, las placas fueron rectificadas en
seco, bajo condiciones de corte de acabado, velocidad
de corte 20 m/seg, avance longitudinal 16 m/min y
profundidad
0,01mm.
La
muela
empleada,
identificada como SG36JVH, se caracteriza por el tipo
de abrasivo, constituido por micropartículas de
alúmina sinterizada de muy elevada dureza, duración
de filo y capacidad de remoción, recomendada para el
rectificado de metales de difícil maquinabilidad.
2.3. Medición de tensiones residuales
Se realizaron mediciones de tensiones residuales
utilizando un difractómetro de rayos X en el
Departamento Materiales de CAC-CNEA.
Se registró únicamente el valor de la tensión en la
dirección paralela al rectificado, ya que en la dirección
perpendicular se comprobó que su valor era
despreciable.
Para obtener el perfil de las tensiones residuales en
profundidad, sobre cada muestra de diferente conteo
nodular, se obtuvieron los valores en la superficie y
por debajo de ella a diferentes profundidades. Para
ello, se realizaron decapados sucesivos mediante la
técnica de electropulido, afectando pequeños sectores
de 2x3 mm en la zona central de las placas, para no
alterar el gradiente de tensiones generado en el
mecanizado.
2.4. Medición de microdureza
Se realizaron mediciones de microdureza utilizando
un microdurómetro de banco, con un microindentador
de diamante tipo Vickers y carga de 10gr.
Se obtuvieron perfiles de microdureza de la matriz
metálica, tomando valores desde la superficie
mecanizada hasta 500µm de profundidad, sobre
inclusiones metalográficas de muestras de distinto
conteo nodular cortadas y pulidas según un plano
normal a la superficie rectificada y paralelo a la
dirección del rectificado.
Sectores
decapados
Superficie
enmascarada
Dirección en que se mide la
tensión
(dirección de rectificado)
Figura 1. Esquema de la muestra, para mediciones
de tensión residual.
2.5. Deformación plástica
A fin de cualificar y comparar la deformación plástica
en la superficie y capas subyacentes, generada en el
mecanizado, se realizan metalografías sobre muestras
preparadas de igual forma que las de microdureza,
atacadas con nital al 2%, a fin de revelar el borde de
grano de la matriz.
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tensión generada en el rectificado se alivia, al liberar
la pieza de su anclaje, produciendo mayor distorsión
de forma (curvado), por su menor rigidez.
3. RESULTADOS Y DISCUSION
400
Se analizan separadamente tensiones residuales y
deformación plástica en relación con la distorsión de
forma y las alteraciones de la microdureza,
respectivamente.
300
3.1. Tensiones residuales
La figura 2 muestra los valores de tensiones
residuales, en la superficie y a distintas profundidades
debajo de ella, originadas en el rectificado de placas
de 4 mm de espesor con 500 y 1250 nód/mm2 .
0
100
-100
-200
0
1250 nod/mm2
100
0
-100
-300
50
100
150 200 250
Profundidad (um)
300
350
300
350
3.2. Deformación plástica
A fin de evaluar la deformación plástica producida
durante el rectificado de acabado para los diferentes
conteos, se analizan los valores de microdureza en la
superficie y a distintas profundidades sobre la matriz.
En la Figura 4 se muestran los perfiles de microdureza
para los tres conteos nodulares.
-200
0
100
150
200
250
Profundidad (um)
La tensión residual en la superficie, si bien es inferior
en las placas mas delgadas, sigue siendo elevada,
pudiendo disminuir la resistencia de un componente
dado, cuando está sometido a cargas cíclicas.
200
400
Figura 2. Perfil de tensiones residuales.
Placas rectificadas, 500 y 1250 nod/mm2 ,
espesor 4 mm.
Se observa que el rectificado provocó importantes
tensiones residuales de tracción en la superficie
(450,6 y 397 MPa, respectivamente), causadas por la
elevada temperatura superficial alcanzada en el corte.
Cabe destacar que los valores encontrados, tanto en
magnitud como en signo resultaron semejantes a los
reportes bibliográficos sobre otros materiales
mecanizados por rectificado, asimismo la forma del
perfil de tensiones en profundidad [9].
En alto conteo nodular las tensiones residuales de
tracción de la superficie y capas subyacentes son
mayores y abarcan mayor profundidad. El cálculo de
la tensión promedio, para distintas profundidades
permite determinar que las mismas son de tracción y
mayores en un 16, 240, 238, 225% para las capas de
50, 100, 200 y 300 µm respectivamente.
Mediciones sobre probetas similares en igual
condición de mecanizado mostraron que las placas de
mayor conteo nodular tuvieron mayor distorsión de
forma, confirmando la conocida proporcionalidad
entre las tensiones residuales del mecanizado y la
distorsión de la forma en piezas esbeltas [10,11].
La Figura 3 muestra los valores de tensiones
residuales en la superficie y a distintas profundidades,
generadas en el rectificado de las placas de 2mm,
1500 nód/mm2 , para la misma condición de corte que
las de 4 mm.
Las tensiones residuales en la superficie y hasta 100
µm de profundidad son de tracción e inferiores a las
de 4mm. Esto se debe a que una mayor parte de la
375
350
1250nod/mm2
1500nod/mm2
500nod/mm2
sin rectificar
325
Dureza HV
Tensión residual (MPa)
500 nod/mm2
300
50
Figura 3. Perfil de tensión residuales.Placas
rectificadas 1500 nod/mm2 , espesor 2 mm.
500
400
Placa 2mm (1500 nod/mm2)
200
300
275
250
225
200
175
150
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Profundidad (um)
Figura 4. Perfil de Dureza HV, para 1500, 1250 y
500 nod/mm2
La dureza de la superficie es levemente mas alta para
bajo conteo nodular, y significantemente mayor en las
capas más profundas. Supera a la dureza del material
sin rectificar (180HV), aún a 500 µm de profundidad,
mientras que para los altos conteos, alcanza ese valor
a los 100µm.
El aumento de dureza indica el grado de deformación
plástica producido, resultando mayor en las placas de
bajo conteo nodular. Esta diferencia se aprecia en la
Figura 5, que muestra la capa superficial deformada,
para alto y bajo conteo nodular, siendo más profunda,
en las placas de 500 nód/mm2 .
De acuerdo a lo conocido, los coeficientes de
expansión térmica, conductividad y calor específico,
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
no varían con el conteo nodular [12]. Como tampoco
varían los esfuerzos de corte, el calor generado es el
mismo. De aquí se deduce que las diferencias de
tensión residual y distorsión para distinto conteo, no
están causadas por la variación de la tensiones de
origen térmico.
3.
25µm
4.
1500 nód/mm2
60µm
500 nód/mm2
Figura 5. Zona deformada plásticamente
La mayor deformación plástica de la superficie y la
mayor profundidad que ésta alcanza para bajo conteo,
reducen en mayor proporción el efecto térmico de
contracción en la zona afectada por el calor. Esto
explica que las tensiones residuales de tracción y la
distorsión sean menores.
Tal diferencia de deformación se atribuye a la menor
nodularidad, mayor tamaño y la distribución menos
uniforme de los nódulos, que aumenta el efecto de
concentración de tensiones en la matriz, y por ende su
deformación plástica.
2.
alivio de tensiones que promueve mayor
distorsión de la forma, por su menor rigidez.
La deformación plástica reflejada por las
variaciones de dureza resulta mayor para bajo
conteo nodular, y más profunda la zona afectada,
reduciendo las tensiones residuales de tracción y
modificando su distribución.
Las variaciones de tamaño, nodularidad y
uniformidad de la distribución de los nódulos,
para los distintos conteos, son causantes de las
diferencias encontradas.
5. REFERENCIAS
[1] S.W. Shin and G.H. Walter, Case Histories of
Residual Stress Related Component Failures,
Residual Stress for Designers and Metallurgists,
L.J. Vande Walle, Ed., American Society for
Metals, 1980, p 1-20.
[2] R.LBornmann,Cut-surface Quality–The Pluses
and Minuses of EDM,Tool.Prod,Jan 1985,p37-41.
[3] E. Brinksmeier, J.T. Cammett, W. Konig, P.
Leskovar, J. Peters and H.K. Tonshoff, Ann.
CIRP vol 31 (Nº2), 1982, p 491-510.
[4] R. Snoeys, Thermal Damage in Grinding, Pro.
Milton C. Shaw Grinding Symp, R. Komanduri
and D. Maas, Ed (Miami Beach, FL), The
American Society of Mechanical Engineers,
1985, p425-434.
[5] M.C. Shaw, Fundamentals of Grinding, New
Developments in Grinding, M.C. Shaw, Ed,
Carnegie Press, 1972.
[6] K.Subramanian and R.P. Lindsay, A. System
Approach for the Use of Vitrified Bonded
Superabrasive Wheels for Precision Production
Grinding, J. Eng. Ind, Vol 114, Feb 1992, p41-52.
[7] Marc Tricard, ASM Handbook Vol 5 Surface
Ingeneering, 1994 , p 144-151.
[8] Machinability Data Center, “Machining Data
Handbook 3rd Edition” Volume two, METCUT,
1980, p 18-5.
[9] ASM, “Metals Handbook 9th edition” Volume 16,
ASM International, 1989, p 242.
[10] Echeverría M.D., Moncada O.J., Sikora J.A.
Actas Congreso Conamet-SAM. Simposio
Materia 2002. Santiago Chile. Nov. 2002, p 281285.
[11] A. D. Sosa, M.D. Echeverría, O. J. Moncada, J.
A. Sikora. Jornadas Conamet-SAM. Simposio
Materia 2003. Bariloche Argentina. Nov. 2003.
[12] Quit- Fer et Titane Inc. Ductile Iron Data for
Design Engineers. 1990. Cap. III. p 59-61.
4. CONCLUSIONES
1.
04-22
Las tensiones residuales superficiales en placas de
FE ferrítica, rectificadas con condición de
acabado normal, son de tracción alcanzando
valores del orden de 400 MPa. Aumentan con el
conteo nodular, causando mayor distorsión de
forma.
La tensiones residuales de tracción en las placas
más delgadas resultaron inferiores, debido al
253