RCR

Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Asignatura: Proyecto (clave 1909)
Semestre 2017-1
Profesor responsable del proyecto:
M. en C. Roberto Cruces Reséndez
Título del proyecto:
“Efecto de la geometría de la punta sobre la extracción de calor
en ensayos de temple a escala laboratorio”
Introducción
Diversas aplicaciones de componentes ingenieriles fabricados con acero requieren de ciertas propiedades
mecánicas, que se obtienen cuando la superficie del componente tiene una alta dureza. Para alcanzar esta
propiedad, los componentes se someten a un tratamiento térmico de temple, usualmente seguido de un
revenido.
Las primeras investigaciones realizadas en este campo emplearon el análisis de curvas de enfriamiento
como una herramienta para caracterizar la extracción de calor durante el temple de probetas fabricadas
con materiales que no transforman. Dado que el medio de enfriamiento (comúnmente) es un líquido
volátil, las curvas de enfriamiento muestran evidencia de tres etapas distintas de extracción de calor:
convección en presencia de capa de vapor; convección en presencia de burbujas y convección forzada sin
ebullición. La frontera móvil que separa la película de vapor de la zona de burbujas se conoce como frente
de mojado. La evolución del frente de mojado determina la respuesta térmica en el interior de la pieza y
esto a su vez controla la evolución de los campos microestructural y de desplazamientos. Es por eso que
es de vital importancia comprender y cuantificar el comportamiento del frente de mojado para diversas
condiciones de operación.
Aunque los estándares internacionales para ensayos de caracterización de temple a escala laboratorio
utilizan probetas cilíndricas de base plana, en el Depto. de Ingeniería Metalúrgica se ha mostrado que,
cuando se usa ese tipo de probetas, el avance del frente de mojado no es uniforme, lo que genera
dificultades en el análisis de los resultados e incertidumbre en los mismos. En una investigación previa se
encontró que, cuando se utiliza una probeta de punta cónica en ensayos de temple, las condiciones
hidrodinámicas favorecen la evolución de un frente de mojado uniforme, lo que garantiza la calidad de
los resultados derivados de las mediciones.
El presente protocolo está diseñado para generar información experimental sobre la transferencia de calor;
en particular, se busca determinar el efecto de la geometría de la punta de probetas de acero inoxidable
austenítico sobre la extracción de calor hacia el medio de temple.
Hipótesis
Los resultados obtenidos con la probeta de punta cónica han mostrado que esta geometría estabiliza los
fenómenos de ebullición presentes durante el enfriamiento, generando un avance del frente de mojado
uniforme y a velocidad constante; se espera que la probeta con punta semiesférica presente las mismas o
mejores condiciones para estudiar la evolución del frente de mojado; y que la probeta con base plana
genere un avance del frente de mojado inestable y asimétrico.
Objetivo
El objetivo de este proyecto es caracterizar la interacción térmica probeta-medio de temple durante el
temple por convección forzada de probetas a escala laboratorio de acero inoxidable austenítico, con tres
diferentes geometrías de la punta (“punta plana”, “punta cónica” y “punta semiesférica”).
En particular, se busca: 1) calcular la rapidez de enfriamiento local; 2) estimar la velocidad del frente de
mojado; y 3) estimar la historia de flux de calor.
Metas
 Optimizar el dispositivo experimental ya existente para mejorar la manipulación y el control
durante la realización de los experimentos.
 Adquirir las historias térmicas al interior de la probeta, para la matriz experimental propuesta.
 Obtener videograbaciones durante cada enfriamiento para analizar la cinemática del frente de
mojado.
 Realizar el tratamiento de las respuestas térmicas obtenidas con software especializado.
 Aplicar un programa de cómputo ya existente, que resuelve el problema inverso de conducción de
calor 1-D (sin generación de calor), para estimar el flux de calor en la superficie y la temperatura
de la superficie.
Metodología
Experimental
Se realizarán reparaciones y modificaciones menores al dispositivo experimental ya existente, para
mejorar el control de las condiciones de trabajo.
Los experimentos se realizarán con probetas cilíndricas fabricadas con acero inoxidable AISI 304, de 12.7
mm (1/2 in) de diámetro, instrumentadas con termopares tipo K (1/16 in de diámetro) previamente
calibrados. Se usarán tres tipos de punta: 1) cónica, 2) semiesférica y 3) plana. Para tener siempre la misma
cantidad de energía térmica al inicio de cada prueba, la masa de la probeta será igual para las tres
geometrías.
Además de variar la geometría de la punta, se estudiarán dos niveles de la velocidad del medio de temple
y dos niveles de la temperatura inicial del ensayo.
La técnica experimental se basa en la grabación de la respuesta térmica de los termopares de la probeta
mediante un sistema de adquisición de datos; la probeta caliente se sumerge verticalmente hasta colocarla
15 cm debajo de la salida de un ducto de acrílico de 1.85 m de longitud por el cual fluye agua con un flujo
regulado. Para evitar la distorsión visual provocada por la curvatura del tubo de acrílico, la posición de
inmersión está colocada concéntricamente en un tanque de vidrio (de paredes rectas) frente al cual se
coloca la videocámara que filma el experimento; el espacio entre el tanque de vidrio y el tubo de acrílico
se llena con agua.
Análisis de datos
Los datos obtenidos de los experimentos se filtrarán con el software SigmaPlot 12.3 para reducir el ruido
provocado por la inestabilidad de la señal de los termopares asociada con la corriente eléctrica, empleando
un “suavizador”. Con estos datos se calculará la rapidez de enfriamiento local y se generarán curvas de
rapidez de enfriamiento local como función del tiempo y de la temperatura local.
Las curvas de enfriamiento se alimentarán al programa de cómputo WinProbe, que implementa el
algoritmo secuencial de especificación de la función (SFS) para resolver el problema inverso de
conducción de calor para flujo de calor 1-D (que es el caso, dado que la geometría de las probetas garantiza
esta condición) y sin “generación” de energía térmica (que se cumple al utilizar un acero inoxidable
austenítico, que no transforma durante el temple).
Adicionalmente, se estudiará el efecto del número de tiempos futuros y de densidad de nodos en la malla
de diferencias finitas que utiliza WinProbe para determinar a los parámetros numéricos óptimos para el
sistema bajo estudio. Una vez realizado esto, se procederá a estimar el flux de calor de la superficie como
función de la temperatura de la superficie para cada uno de los experimentos.
Infraestructura disponible
 Dispositivo experimental para realizar los experimentos
 Horno de resistencia eléctrica para calentamiento de las probetas
 Probetas de acero AISI 304 con diversas geometrías
 Termopares tipo K y extensiones para termopar
 Sistema de adquisición de datos, que consiste de una computadora y un adquisidor de datos
 Videocámara Samsung NX30 con frecuencia de imágenes de 30 cuadros por segundo
 Software WinProbe y PC
Cronograma
Mes 1
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Revisión bibliográfica
Puesta a punto del dispositivo experimental
Experimentación con la primera geometría propuesta (punta cónica)
Entrenamiento con el software WinProbe
Análisis de las curvas de enfriamiento correspondientes y estimación del flux de calor
Inicio de la escritura del reporte
Mes 2
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Experimentación con la segunda geometría propuesta (punta semiesférica)
Análisis de las curvas de enfriamiento correspondientes y estimación del flux de calor
Discusión de resultados preliminares
Actualización del reporte
Mes 3
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Experimentación con la tercera geometría propuesta (punta plana)
Análisis de las curvas de enfriamiento correspondientes y estimación del flux de calor
Discusión de resultados preliminares
Actualización del reporte
Mes 4
 Sesión final de discusión de resultados
 Redacción de la versión final del reporte
 Preparación de la presentación