Propiedades Mecanicas Del Acero-O1

Superficies y Vaco 23(S) 10-14, agosto de 2010 Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnologa de Superficies y Materiales

10 *[email protected]

Evaluacin de propiedades mecnicas de dos aceros grado herramienta AISI-O1, AISI-D2 y obtencin de la concentracin de esfuerzos en la geometra de mordazas de sujecin

de especmenes compactos de tensin

Jan Mayn Chaires*, Jos ngel Segura, Sergio A. Serna Barquera, Arturo Molina Ocampo, Universidad Autnoma del Estado de Morelos CIICAp,

Avenida Universidad s/n Col. Chamilpa, 62209, Cuernavaca Morelos

Osvaldo Flores Cedillo, Bernardo Campillo Illianes

Instituto de Ciencias Fsicas/Facultad de Qumica-UNAM Paseo de la Investigacin Cientfica s/n, Ciudad Universitaria

Coyoacn, 04510, Mxico, D.F. (Recibido: 18 de febrero de 2010; Aceptado: 04 de junio de 2010)

El presente trabajo analiza las propiedades mecnicas de aceros grado herramienta (AISI-D2 y AISI-O1), maquinadas, y tratadas trmicamente con la finalidad de disear y fabricar mordazas y pernos de sujecin para especmenes compactos de tensin (ct) de hasta un espesor de 10 mm, sometidos a cargas estticas y dinmicas (caso de fatiga) para ensayos que determinen la tenacidad a la fractura (K1c) y evaluacin del crecimiento de grieta, bajo normas de la ASTM E399 y E647 [1,2]. Se disearon y realizaron ensayos de traccin por duplicado de los aceros mencionados. Todas las probetas ensayadas fueron sometidas previamente a un tratamiento trmico, a fin de obtener las condiciones adecuadas para las mordazas de sujecin en servicio. Se obtuvieron resultados de propiedades mecnicas necesarias. Estas caractersticas se utilizaron posteriormente para analizar las mordazas y el espcimen (ct) por medio de ANSYS versin 11 programa computacional de elemento finito, determinando y ubicando los esfuerzos mximos para mejora del diseo, por medio de los cuales finalmente se calcula el nmero de ciclos para que se presente agrietamiento en cada uno de los componentes, bajo cargas dinmicas. Palabras claves: Propiedades mecnicas; Cargas dinmicas; Cargas estticas; Tenacidad a la fractura; Crecimiento de grieta; Evaluacin del crecimiento de grieta; Espcimen compacto de tencin (ct) The present work analyze AISI D2 and O1 Tool steels mechanical properties for the design and fabrication of pins and fixtures suitable for loading statically and dynamically Compact Tension (CT) specimens up to 10 mm thickness. The CT specimens were used later for fracture toughness (KIc) and fatigue crack growth testing under ASTM standards E-399 and E-647 respectively [1,2]. Tool steels tension test were designed and carried out twice. All tension specimens were previously heat treated to obtain proper conditions for the in service pins and fixtures. The required mechanical properties results were obtained. These results were utilized for pin, fixtures and CT specimen analysis by means of a commercial ANSYS version 11 finite element computational package, determining and locating maximum stress for design improvement. Finally, the number of cycles to cracking under dynamic loading was calculated for each component (pin and fixtures). Keywords: Mechanical properties; Dynamic loadings; Static loadings; Fracture toughness; Crack growth; Crack growth assessment; Compact tension specimen (CT)

1. Introduccin

Frente a la constante demanda en la reduccin de costo de los componentes y partes para la realizacin de diferentes ensayos tanto a nivel investigacin como industrial, la fabricacin de mordazas de sujecin para ensayos estticos y dinmicos con aceros grado herramienta est en una posicin promisoria. Este tipo de mordazas pueden ser utilizadas en cualquier laboratorio tanto de control de calidad en industrias metal-mecnicas como de investigacin donde se requiera determinar tenacidad a la fractura y tasa de crecimiento de grieta, ya que es importante conocer ambas propiedades en materiales estructurales, particularmente de aceros en este caso, para fabricacin de tuberas, armaduras, entre otras.

Debido a que las mordazas de prueba del diseo original fueron fracturadas en servicio (durante la fase de pre agrietamiento del espcimen compacto a una carga mxima de 1.8 toneladas) el equipo se dio a la tarea de disear nuevamente la geometra de las mordazas, la seleccin del material que conformara las nuevas mordazas y la seleccin del tratamiento trmico adecuado para obtener las propiedades mecnicas necesarias y soportar la carga de 1.8 toneladas, la cual es la carga mxima de prueba necesaria. Para tal efecto fue necesaria la simulacin de las mordazas mediante ANSYS 11 para determinar la concentracin de esfuerzos mximos y compararlo con el esfuerzo mximo soportado por el material y geometra diseada, as como analizar la fractografa de los materiales seleccionados para determinar la ptima configuracin entre material y geometra.


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Figura 1. Geometra original del sistema completo (mordazas, pernos y probeta ct). Escala en mm.

Figura 2. Geometra final despus del anlisis con ANSYS 11 del sistema completo (mordazas, pernos y probeta ct). Escala en mm.

Figura 3. Plano de probeta utilizada en los ensayos de traccin con espesor de 6mm con fundamente en la norma ASTM E8/E8M

Figura 4 Grfica de esfuerzo contra deformacin donde se observa el comportamiento semidctil del acero (AISI-O1). El tipo de grfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del lmite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevndose hasta la fractura del acero.

Figura 5 Grfica de esfuerzo contra deformacin donde se observa el comportamiento semidctil del acero (AISI-D2). El tipo de grfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del lmite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevndose hasta la fractura del acero. Se seleccionaron los tratamientos trmicos de los aceros

a evaluar [3,4], ensayos de traccin para determinar las propiedades mecnicas con base en la norma ASTM E8/E8M [5,6], la utilizacin de microscopia electrnica de barrido (MEB) para el anlisis de fractura y el uso de ANSYS 11 en la determinacin de la distribucin de esfuerzos (mximos) que propiciaran el inicio de grietas y posteriormente llevaran a una falla de los componentes (pernos, mordazas y espcimen compacto).

Se determin mediante el anlisis de los conceptos anteriores que aunque el acero AISI-O1 y AISI-D2 presentan propiedades mecnicas similares, el anlisis de fractura nos muestra que el AISI-O1 sera el indicado por presentar una dureza de 51.7 RHc y mayor tenacidad que el acero AISI-D2. 2. Metodologa Experimental

El material utilizado en el presente trabajo fue producido por Aceros Fortuna S.A. de C.V. Las probetas para ensayos de traccin fueron elegidas de perfil plano con fundamento en la norma ASTM E8/E8M [5] y el diagrama se muestra a continuacin.

Los aceros utilizados (AISI-O1 y AISI-D2) presentan la siguiente composicin qumica. El tratamiento trmico de los aceros se realiz basado en las curvas correspondientes de templado y revenido. El templado en ambos casos se realiz en aceite, las condiciones para el tratamiento trmico se hicieron en base a hojas de especificaciones de la empresa Norte Americana Uddeholm [3,4].


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Tabla 1. Composicin qumica de los aceros AISI O-1 y AISI D-2 obtenida de la referencia [6].

DESIG. COMPOSICIN QUMICA (%) AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

O1 0.85-1.00 1.00-1.40 0.50 max 0.40-0.60 0.30 max. 0.40-0.60 0.30 max.

D2 1.40-1.69 60 max. 0.60 max. 10.00-13.00 0.30 max. 0.70-1.20 1.10 max

3. Ensayos de Traccin

Las Figuras 4 y 5 permiten comparar los valores de tensin de rotura a una velocidad constante de deformacin de 5 mm/segundo, as como un comportamiento semidctil en los aceros AISI-O1 y AISI-D2.

El tipo de grfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del lmite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevndose hasta la fractura del acero.

El tipo de grfica mostrada corresponde a un acero de alta resistencia donde no se observa de manera sencilla un punto bien definido del lmite del esfuerzo de fluencia, la curva continua elevndose hasta la fractura del acero.

Debido a que no se puede observar con facilidad en este tipo de grficos de aceros de alta resistencia donde se encuentra el lmite de fluencia y el esfuerzo ltimo, se utiliza el mtodo de trazar una lnea paralela con la misma pendiente a la curva iniciando en 2% de deformacin y donde estas 2 curvas se intercepten se encuentra el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo ltimo es el esfuerzo mximo presentado antes de la ruptura.

Las siguientes tablas muestran los resultados comparativos obtenidos mediante el ensayo de traccin de los aceros AISI-O1 y AISI-D2. La microdureza de los materiales se obtuvo mediante la utilizacin de un micro durmetro marca Future Tec FM700. 4. Micrografas de la fractura en los aceros AISI-O1 y AISI-D2

Figura 6. Micrografa MEB con aumento de 1.0 Kx de la fractura del acero AISI-D2 [6], donde se puede observar un comportamiento muy frgil, esto se puede deducir ya que se observan partes lisas en un tono oscuro que representan granos cuya fractura fue sbita y no permiti deformacin plstica, la cual se puede observar en la siguiente imagen.

Figura 7. Micrografa MEB con aumento de 1.0 Kx de la fractura del acero AISI-O1 [6], donde se puede observar un comportamiento dctil con un gran nmero de zonas de deformacin plstica marcadas en color blanco en forma de telaraas. 5. Fotografas de las fallas de la geometra inicial de las mordazas

Se pueden observar los puntos donde se concentran los esfuerzos que originan grietas y posteriormente como consecuencia de la acumulacin de esfuerzos en las puntas de las grietas ocurre la falla. Para conocer las partes o zonas de mayor concentracin de esfuerzos, en diferentes puntos de las mordazas, los pernos y el espcimen se llev a cabo un estudio estructural utilizado un programa de elemento finito (ANSYS 11) [10]. Los resultados se discuten en el siguiente subtema. 6. Anlisis numrico

Este anlisis numrico se realiz para determinar la distribucin del esfuerzo en las mordazas, pernos y espcimen, con el objetivo de poder ubicar las zonas de mayor concentracin de esfuerzo. Una vez, conociendo la posicin y la magnitud del esfuerzo mximo se procedi a estimar que elemento fallara primero, calculando el nmero de ciclos en el que se iniciar el agrietamiento [7,8].

Las propiedades mecnicas que se muestran en la tabla 2 y 3, se usaron para el anlisis por elemento finito, tambin se utiliz para ambos aceros una densidad de 7850 kg/m3 y un coeficiente de Poisson de 0.3. La figura 9 muestra el modelo discreto y el estado de esfuerzo, del conjunto de elementos, por otro lado las dimensiones del espcimen son


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Figura 8 Fotografa de la falla presentada en las mordazas en servicio, fabricadas con acero AISI-O1.

(a) (b) Figura 9 Elementos ensamblados: (a) Modelo discreto; (b) Distribucin de esfuerzos.

Figura 10 Esfuerzos mximos en la mordaza y perno.

las especificadas por la ASTM norma E 399-90 [2] para un espcimen compacto (CT), donde w = 20 mm. Este modelo est construido con 9281 elementos, las restricciones de movimiento se aplican en la mordaza inferior en su extremo y en el extremo superior se aplico una carga, de 9000 y 7000 Newton (ver figura 9a). En este anlisis preliminar se utilizaron elementos de contacto nicamente en el perno superior usando una rigidez de contacto de 2 GPa, cabe mencionar que no se considero friccin en el anlisis. La figura 9b presenta la distribucin de los esfuerzos.

La figura 10 presenta las zonas de mayor concentracin de esfuerzos en las mordazas y el perno. Con respecto a las mordazas el mayor esfuerzo se presenta en el rea inferior de contacto con el perno el cual es de 789.064 MPa. Para la mordaza la ubicacin del esfuerzo calculado numricamente se presenta en la misma zona como ocurri la fractura en el anlisis experimental (ver figura 8). El esfuerzo mximo en el perno se presenta entre el segmento que conecta con el espcimen y la mordaza siendo mayor cerca de la mordaza con un valor de 963.964 MPa. El menor esfuerzo se present en el espcimen en los extremos de la muesca con magnitud de 561.35 MPa.

Se puede observar que el perno podra presentar primero agrietamiento, por lo que se llevar a cabo el clculo por fatiga para el inicio de la grieta, usando el criterio de esfuerzo vida (S-N) [7,8]. Las ecuaciones usadas se muestran a continuacin [3].

( )e

ut

SS

a29.0= (1)

e

ut

SS

b9.0

log31= (2)

ba

aN

1

= (3)

Donde: Sut = resistencia ltima, a = esfuerzo alternativo, N = nmero de ciclos, Se = lmite de fatiga.

El esfuerzo mximo en el perno por la carga de 7000 N es de 749.75 MPa. Por lo tanto el esfuerzo alternativo es 107.107 MPa. Con respecto a la resistencia ltima del acero de 1489.41 MPa (ver tabla 3), se presentara la grieta a los 7.893x1015 ciclos. Este Nmero de ciclos podra considerarse que tiene vida infinita. Sin embargo, ahora se debe observar cmo se comportara en forma experimental. Con estos resultados numricos se puede observar que fractura el perno antes que el espcimen. Pero se busca que se presente la grieta primero en el espcimen, para posteriormente analizar la propagacin de la grieta. 7. Conclusiones Ambos aceros presentan propiedades mecnicas similares, aunque existe una pequea diferencia que nos indica que el acero AISI-O1 es ligeramente superior al acero AISI-D2.


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Aunque el acero AISI-O1 presenta mayor tenacidad que el acero AISI-D2 dicha diferencia es mnima ya que en ambos se pretenda alcanzar una dureza entre 50 55 HRC, el criterio de seleccin pudiera ser en funcin de 3 cuestiones importantes: En especificaciones por diversos fabricantes incluyendo las especificaciones de Uddeholm y Aceros Fortuna ambos presentan que el acero AISI-O1 tiene mayor resistencia al desgaste por lo que al estar expuesto a fatiga este tendra mayor resistencia al rozamiento entre perno-mordaza-probeta, el cual sera un criterio de seleccin. El costo por kilogramo de material es ms bajo el acero AISI-O1 con respecto al acero AISI-D2 Por ltimo las temperaturas tanto de temple como de revenido son menores en el acero AISI-O1 con respecto al acero AISI-D2, por lo que el consumo de energa en este caso es menor. Es importante mencionar dentro de las conclusiones que se seleccion en primera instancia el acero AISI-O1 por economa y se tuvo que seleccionar una contraparte AISI-D2, ya que el primero su uso es generalmente para herramientas de corte, por lo que la aplicacin de herramienta de sujecin no era recomendada para este acero y si para el AISI-D2, sin embargo en la experimentacin de prueba de mordazas de sujecin el acero indicado es el AISI-O1. La dureza de ambos aceros est en un rango entre 50 y 55 HRc, lo cual es indicado para el tipo de servicio al que estn sometidas las mordazas En base al anlisis de las micrografas de fractura, podemos observar que aunque presentan propiedades mecnicas similares, el acero AISI-O1 presenta mayor tenacidad con respecto al acero AISI-D2. [6] En base al anlisis numrico, la distribucin de los esfuerzos presenta las zonas que se deben reforzar en la mejora del diseo. Tambin se observ que las zonas de

mayor concentracin de esfuerzos se presentan en la misma ubicacin donde se fracturaron las mordazas y los pernos experimentalmente. Como resultado de la simulacin y una estimacin en modo de fatiga del sistema completo (mordaza, pernos y espcimen), con las propiedades mecnicas que se conocen de los aceros en cuestin podemos decir que el agrietamiento se presentara primero en: en el perno debido a los esfuerzos cortantes que actan sobre l, despus en la mordaza y por ultimo en la probeta. Sin embargo la fatiga en el perno se presenta a un nmero de ciclos muy elevado. De lo anterior concluimos que de los 2 aceros grado herramienta el adecuado para este tipo de dispositivos de sujecin es el AISI-O1. [6]. Referencias [1]. Standard Test Method Measurement of Fatigue Crack Growth Rates E647-00, ASTM International, (2001). [2]. Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials E-399-90, ASTM International, (1997). [3]. Bohler-Uddeholm Corporation, AISI O-1 Cold Work Tool Steel, (United States, 2010), data sheet. [4]. Bohler-Uddeholm Corporation, AISI D-2 Cold Work Tool Steel, (United States, 2010), data sheet. [5]. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials E8 / E8M 09, ASTM International, (2009). [6]. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM Handbook, (1990), Volume 8. [7]. Shigley J. E. and Mischke C. R., Diseo en Ingeniera Mecnica, Sexta Edicin, (Ed. McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V., 2002). [8]. G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd ed., (McGraw Hill, New York, 1976). [9]. Mechanical Testing and Evaluation, ASM Handbook, (2000), Volume 8. [10]. Saeed Moaveni, Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, (2007).

Tabla 2 Propiedades mecnicas acero AISI-D2.

PRUEBA UTS E SY S. FRACTURA DEFORMACINREDUCCIN

DE REA DUREZA

HV DUREZA

HRC

(MPa) (GPa) (MPa) (MPa) (%) (%) AISI-D2 1489.41 198.24 1385 1390 0.74 0 570 53.3

Tabla 3 Propiedades mecnicas acero AISI-O1.

PRUEBA UTS E SY S. FRACTURA DEFORMACINREDUCCIN

DE REA DUREZA

HV DUREZA

HRC

(MPa) (GPa) (MPa) (MPa) (%) (%) AISI-O1 1618.21 216.35 1480 1610 0.72 0 530 51.7

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