Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías...

Equation Chapter 1 Section 1

Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Obtención experimental del K umbral del acero

inoxidable AISI 304L

Autor: Elena Borrego Bonilla

Tutor: Víctor Manuel Chaves Repiso

Dep. Ingeniería Mecánica y Fabricación

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

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Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Obtención experimental del K umbral del acero

inoxidable AISI 304L

Autor:

Elena Borrego Bonilla

Tutor:

Víctor Manuel Chaves Repiso

Profesor Contratado Doctor

Dep. Ingeniería Mecánica y Fabricación

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

v

Trabajo Fin de Grado: Obtención experimental del K umbral del acero inoxidable AISI 304L

Autor: Elena Borrego Bonilla

Tutor: Víctor Manuel Chaves Repiso

El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2016

El Secretario del Tribunal

vii

Agradecimientos

En primer lugar agradecer a Víctor Chaves por darme la oportunidad de trabajar en este proyecto así como por su apoyo durante el desarrollo del mismo. Cabe mencionar la importancia de Guido Beretta y Marta Martínez-Darve, sin cuya ayuda e interés este trabajo no hubiera sido posible.

Quiero dar las gracias a D. Antonio Ríos, D. Ángel Valero y D. Enrique Morilla, por acompañarme en el aprendizaje de la ciencia y hacerme disfrutar de su estudio.

Gracias a mi pareja, Rafa, por haberme acompañado en esta carrera y brindarme su apoyo hasta en los momentos más difíciles.

Y ante todo, agradecer a mis padres, a mi familia, haberme apoyado desde siempre en todos los aspectos de la vida, por ayudarme a ser quién soy y por creer en mí.

Elena Borrego Bonilla

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Sevilla, 2016

Resumen

El trabajo aquí desarrollado consiste en la obtención experimental del K umbral del acero inoxidable AISI 304L.

Para ello, se someten veinte probetas de dicho acero a ensayos de fatiga. Mediante estos ensayos, se estudiará el comportamiento del acero con curvas S-N. Finalmente, siguiendo normas y estadística se obtendrá el K umbral.

Se ha empleado ANSYS para simular el comportamiento de la probeta a las cargas estimadas. Además se ha hecho uso del rugosímetro, de papel de lijar, del proyector de perfiles, de dos microscopios distintos, de una cortadora y de dos máquinas de fatiga de distinta frecuencia.

Índice

Agradecimientos vii

Resumen viii

Índice x

Índice de Tablas xii

Índice de Figuras xiii

1 Introducción a la fatiga 1 Reseña histórica 1 1.1. Fallo por fatiga 2 1.2.

1.2.1 Fases del fallo por fatiga 2 1.2.2 Velocidad de propagación de grieta 3 1.2.3 Factores que influyen en la rotura 4

2 Objetivo del Proyecto 5

3 Metodología 6 Norma ASTM E647 6 3.1. Diagrama de Frost 6 3.2. Norma JSME 002-1981 7 3.3.

3.3.1 Ensayos para la parte inclinada 8 3.3.2 Ensayos para la parte horizontal 9

4 Probetas de Acero Inoxidable AISI 304L 11 Caracterización del acero inoxidable AISI 304L 12 4.1. Geometría de las probetas 13 4.2.

4.2.1 Mediciones con el proyector de perfiles 14 Comportamiento de la probeta en ANSYS 11 4.3. Comprobación del diagrama de Frost 15 4.4.

5 Preparación para los ensayos 16 Rugosidad y pulido 16 5.1.

5.1.1 Rugosímetro 16 5.1.2 Medidas de la rugosidad 18

Estimación del límite de fatiga 20 5.2. Curva S-N 21 5.3.

6 Realización de los Ensayos 22 Equipos utilizados y pasos seguidos en los ensayos 22 6.1. Ensayos de prueba 25 6.2. Ensayos de la norma JSME 002-1981 27 6.3.

6.3.1 1ª Fase: Diagonal de la curva S-N 27 6.3.2 2ª Fase: Línea horizontal 29

7 Obtención del Kth 31 Obtención del K umbral con la Norma JSME 002-1981 31 7.1.

xi

Obtención del K umbral con la Norma ASTM E739 32 7.2.

8 Micrografías 33 Probeta 809L 34 8.1. Probeta 811L 36 8.2.

9 Conclusiones 41

Referencias 43

Glosario 44

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 4-1. Composición química de los aceros 304 y 304L 13

Tabla 4-2. Propiedades del acero 304L 13

Tabla 4-3. Geometría diez primeras probetas 16

Tabla 4-4. Geometría diez últimas probetas 16

Tabla 5-1. Rugosidad sin pulir 18

Tabla 5-2. Rugosidad tras el pulido 19

Tabla 6-1. Datos técnicos MTS 810 23

Tabla 6-2. Datos técnicos Rumul Testronic 24

Tabla 6-3. Ensayos de prueba para curva S-N 26

Tabla 6-4. Tensiones para la diagonal no válidas 28

Tabla 6-5. Tensiones para la diagonal 28

Tabla 6-6. Resultados de los ensayos 1ª Fase 29

Tabla 6-7. Resultados de los ensayos 2ª Fase 1ª Parte 29

Tabla 6-8. Resultados de los ensayos 2ª Fase 2ª Parte 30

xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Curva S-N de Wöhler 1

Figura 1-2. Corrección de Söderberg y Goodman 2

Figura 1-3. Representación del crecimiento de grieta frente al factor de intensidad de tensiones 3

Figura 2-1. Probeta objeto del trabajo 5

Figura 3-1. Diagrama de Frost genérico 7

Figura 3-2. Curva S-N con el método de ensayo de los 14 especímenes 7

Figura 4-1. Diagrama Metaestable Fe-Fe3C 11

Figura 4-2. Clasificación de los aceros según su composición química 12

Figura 4-3. Probeta antes de ensayo 13

Figura 4-4. Entalla en el proyector de perfiles 13

Figura 4-5. Plano de la pieza con las tolerancias requeridas 14

Figura 4-6. Proyector de perfiles apagado y en uso 15

Figura 4-7. Planos para medición de la geometría 15

Figura 4-8. Tipo de elemento PLANE182 11

Figura 4-9. Mallado en ANSYS de la probeta 12

Figura 4-10. Mallado en ANSYS de la entalla 12

Figura 4-11. Tensiones en el eje x de toda la probeta sometida al límite de fatiga (MPa) 13

Figura 4-12. Tensiones en el eje x de la entalla sometida al límite de fatiga (MPa) 14

Figura 4-13. Gradiente de tensiones desde el borde de la entalla hasta el final de la probeta (MPa) 14

Figura 4-14. Diagrama de Frost para nuestras probetas 15

Figura 5-1. Rugosímetro 16

Figura 5-2. Palpador sobre pieza pulida 17

Figura 5-3. Palpador sobre pieza sin pulir 17

Figura 5-4. Computadora de análisis 17

Figura 5-5. Pantalla de la computadora 18

Figura 5-6. Puntos de medida de rugosidad 18

Figura 5-7. Papel de lija 19

Figura 5-8. Y para tracción y grieta central 20

Figura 5-9. Y para flexión y grieta en un lado 20

Figura 5-10. Y para tracción y grieta en un lado 20

Figura 5-11. Curva S-N del acero 304L 21

Figura 6-1. Máquina de fatiga MTS 810 22

Figura 6-2. Máquina de resonancia Rumul Testronic 23

Figura 6-3. Mordazas moleteadas colocadas en el cabezal inferior 24

Figura 6-4. Guía colocada en el cabezal inferior 25

Figura 6-5. Probeta ensayada en la MTS 810 25

Figura 6-6. Curva S-N con los ensayos de control 26

Figura 6-7. Probeta ensayada en la Rumul Testronic 27

Figura 6-8. Niveles de tensiones para los ensayos en la diagonal 28

Figura 6-9. Curva S-N con los ensayos realizados 30

Figura 8-1. Microscopio Nikon OPT02 33

Figura 8-2. Microscopio Nikon OPT01 33

Figura 8-3. Probeta 809L con la grieta aumentada 34

Figura 8-4. Probeta 809L en el microscopio 34

Figura 8-5. Probeta 209L cara trasera con la grieta aumentada 35

Figura 8-6. Probeta 209L cara trasera en el microscopio 35

Figura 8-7. Probeta 811L con la grieta aumentada 36

Figura 8-8. Probeta 811L en el microscopio 36

Figura 8-9. Probeta 811L cara trasera con la grieta aumentada 37

Figura 8-10. Probeta 811L cara trasera en el microscopio 37

Figura 8-11. Probeta 811L vista frontal 38

Figura 8-12. Corte de la probeta 811L 38

Figura 8-13. Cortadora 39

Figura 8-14. Probeta 811L frontal 39

Figura 8-15. Correlación de la probeta 811L en su línea frontal entera 40

1

1 INTRODUCCIÓN A LA FATIGA

egún la Real Academia Española, la fatiga referida al término mecánico es la “pérdida de la resistencia mecánica de un material, al ser sometido largamente a esfuerzos repetidos”. Por ello, en aquellas aplicaciones que llevan asociada una carga cíclica, la pieza romperá a tensiones menores que si la carga

fuera estática. [1]

Reseña histórica 1.1.

Se conoce el fenómeno de la fatiga desde hace siglos, aunque comenzó a estudiarse a mediados del siglo XIX. Este interés fue debido a la Revolución Industrial ya que se extendió el uso del ferrocarril, el cuál mostraba fallos en sus ejes debido a las altas vibraciones que sufría.

En el año 1839 Poncelet acuñó el término “fatiga” para describir el fallo de los materiales sometidos a cargas cíclicas ya que parecía que el material se había “cansado” como una persona. En 1842 se produjo un accidente ferroviario en Versalles debido a la rotura de un eje de la locomotora. Este hecho hizo que el ingeniero escocés William Rankine [2] estudiase en mayor profundidad los ejes y la causa de su fractura. Demostró que la rotura del eje se debió al crecimiento de una grieta desde algún concentrador de tensiones.

Fue una década después cuando el ingeniero alemán August Wöhler [3] empezó su investigación sobre el fallo de los ejes entre otras cosas, publicando los resultados en 1871. Desarrolló una máquina en la cuál se basan las que se usan hoy día en los ensayos de fatiga. Con ella realizó pruebas a ejes del ferrocarril que habían fallado, comprobando que mantenían la ductilidad y resistencia del material original, es decir, el material no se había fragilizado como se creía hasta entonces. Como conclusiones principales de estos ensayos podemos destacar:

La existencia de un límite de resistencia a la fatiga para los aceros, es decir, un valor de tensión por debajo del cual no se da el fallo.

Las cargas cíclicas que provocaban el fallo eran mucho más bajas que las estáticas.

Como consecuencia de estas investigaciones se empezó a introducir el concepto de curva S-N, que relaciona las tensiones que se aplican con el número de ciclos (ver Figura 1-1.)

Figura 1-1. Curva S-N de Wöhler

S

2

Medio siglo después, Goodman y Söderberg determinan, por separado, la influencia de cargas estáticas a cargas cíclicas. A partir de estos trabajos, obtuvieron métodos de corrección del comportamiento de fatiga de los materiales, hoy ampliamente conocidos. Podemos ver la diferencia de ambas correcciones en la figura 1-2.

Figura 1-2. Corrección de Söderberg y Goodman

A mediados del siglo XX, se produjeron avances significativos en el campo de la fatiga. El ingeniero y matemático Waloddi Weibull desarrolló la conocida distribución de Weibull cuyas aplicaciones son, entre otras, para modelar procesos y realizar análisis de la supervivencia. Además, Irwin [4] modificó la teoría de fractura de Griffith incorporando dos términos que la simplificaban: el factor de intensidad de tensiones y la tenacidad de fractura (Kc). Finalmente, del año 1961 destacamos la ley de Paris para el crecimiento de las grietas por fatiga.

Desde entonces el campo de la fatiga sigue en continuo estudio y crecimiento debido a los nuevos materiales y tecnologías.

Fallo por fatiga 1.2.

Como hemos definido anteriormente, una carga cíclica provoca una pérdida de resistencia en el material. Esto quiere decir que en cada ciclo se daña la pieza (aunque en un principio los daños no tengan consecuencias). Es el daño acumulado (grietas) el que hace que la pieza termine rompiendo. En este punto tenemos que tener en cuenta el límite de fatiga en los materiales metálicos ya que si la tensión aplicada se encuentra por debajo de este la pieza no romperá independientemente del número de ciclos.

1.2.1 Fases del fallo por fatiga

El fallo por fatiga se produce por la aparición y crecimiento de grietas. Estas se inician en la superficie del material, por lo que se intenta disminuir la posibilidad de aparición de estas como veremos después. Podemos dividir el fallo en tres fases:

Iniciación o nucleación: una o más grietas aparecen en el material, normalmente en la superficie, en puntos de concentradores de tensión (como una entalla). Las causas de esta nucleación son múltiples: defectos superficiales como poros o arañazos, e incluso por la propia geometría de la pieza, si posee concentradores de tensión.

3

Obtención experimental del K umbral del acero inoxidable AISI 304L

Propagación: Podemos diferenciar dos etapas en esta fase:

o Etapa I: tras nuclear la grieta, la propagación es muy lenta y se extiende normalmente a pocos granos.

o Etapa II: en esta etapa la velocidad de crecimiento de grieta aumenta muy rápidamente y la grieta comienza a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado.

Fractura o rotura: la grieta sigue creciendo hasta que la sección resistente es demasiado pequeña y, por tanto, incapaz de soportar la carga, por lo que se produce la rotura.

1.2.2 Velocidad de propagación de grieta

Se estudia la siguiente figura, donde se muestra una representación del crecimiento de grieta (da/dN) frente al factor de intensidad de tensiones (ΔK).

Figura 1-3. Representación del crecimiento de grieta frente al factor de intensidad de tensiones

Vemos que esta curva se puede dividir en tres etapas:

Etapa I: es la etapa que nos interesa para este proyecto. Se observa que para valores de ΔK bajos, la velocidad de crecimiento de grieta decae rápidamente, teniendo por valor asintótico ��.

Etapa II: en esta zona, el comportamiento del material se aproxima mediante la ecuación de Paris.

��

��= � · ��

Donde:

a: tamaño de la grieta.

N: número de ciclos.

C y n: constantes del material.

��: factor de intensidad del material.

4

Etapa III: en esta etapa la velocidad de crecimiento aumenta muy rápidamente con el factor de intensidad en tensiones. Llegando a un crecimiento de grieta rápido e inestable cuando se tiende a ��.

1.2.3 Factores que influyen en la rotura

Además de la carga y la forma en que se aplique, hay otros factores que intervienen en la rotura por fatiga como hemos comentado anteriormente. En este apartado nombraremos los de mayor relevancia:

Geometría de la pieza: puede ser uno de los factores que más influencia tenga en la fractura. Cualquier discontinuidad de esta actuará como un concentrador de tensiones, por lo que la grieta podría nuclear ahí. Este concentrador de tensiones será más severo cuanto más aguda sea la discontinuidad. Tomando como discontinuidad entallas, cambios bruscos de secciones…etc.

Por tanto, la forma de disminuir la probabilidad de rotura sería modificar la geometría para evitar las irregularidades, como redondear los cantos vivos.

Estado de la superficie: tanto por el uso como por la propia fabricación y mecanizado de la pieza, pueden aparecer en esta arañazos y surcos. Estas marcas pueden considerarse pequeñas grietas que pueden aumentar.

En este caso, pulir la pieza es el método más común para evitar la rotura.

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2 OBJETIVO DEL PROYECTO

l objetivo principal del proyecto es la obtención experimental del K umbral (��) del acero inoxidable AISI 304L sometido a una carga axial cíclica. Siendo el K umbral el valor por debajo del cual la grieta no crece. Para ello se realizarán ensayos de fatiga a veinte probetas planas con una entalla lateral en mitad de

la superficie de esta (ver figura 2-1). A partir de estos ensayos podemos estimar la curva S-N y el comportamiento del material.

Figura 2-1. Probeta objeto del trabajo

Además se estudiarán en otra parte del proyecto las superficies de las probetas ensayadas que rompan. Mediante un microscopio podremos ver en dichas probetas la iniciación de la grieta, su crecimiento y la superficie de fractura generada.

E

6

3 METODOLOGÍA

Norma ASTM E647 3.1.

Con esta norma se puede obtener el ��, como es nuestro objetivo en este proyecto. Veremos a continuación las ventajas y desventajas de su uso. [5]

Ventajas:

o Pueden realizarse los ensayos con cualquier material sin estar limitado por el espesor o la fuerza, siempre y cuando las probetas sean de un espesor suficiente para impedir el pandeo y tengan una superficie suficientemente plana para que puedan mantenerse elásticas durante el ensayo.

o Los resultados tienen mucha precisión.

Desventajas:

o Se necesitan muchos especímenes ensayados, lo cual se traduce en mucho más tiempo empleado que en otros casos como con la norma JSME 002-1981.

o Requiere extensómetro para medir la deformación de las probetas.

o Las probetas deben ser de un tamaño grande, un ancho mínimo de 25 mm.

Por estas desventajas se descarta esta norma para nuestros ensayos ya que nuestras probetas son más pequeñas de lo necesario.

Diagrama de Frost 3.2.

El diagrama de Frost relaciona las tensiones con los concentradores de tensión. Esto nos permite saber de qué forma crece la grieta. [6]

Definimos el concentrador de tensiones para grietas, ��, como una función de la geometría de la grieta, no de su tamaño. Además podemos obtenerlo a través de la tensión máxima y la nominal o de referencia.

�� =��

��

La curva asintótica se modela con la siguiente función:

� =��ó��

��

Y la parte horizontal se estima en nuestro trabajo como el límite de fatiga porque es la tensión con la que obtenemos el ��.

Ambas líneas se cortan en un punto para una ��∗. Para calcularlo solo tenemos que igualarlas. Es entonces

cuando vemos si el �� con el que estamos trabajando es mayor que ��∗. De serlo, podríamos seguir trabajando

con esa tensión. Sin embargo, si ��< ��∗, estaríamos en la curva.

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Figura 3-1. Diagrama de Frost genérico

Norma JSME 002-1981 3.3.

Esta norma nos describe el método estándar para la determinación de curvas S-N a partir de ensayos y estadística con catorce especímenes. [7]

Como introducción al método, nombraremos algunas condiciones y características del mismo:

Se requieren catorce especímenes, ocho para la parte de la pendiente de la curva y seis para la parte horizontal.

Parte de la pendiente: esta parte de la curva comprende desde N=5·10� hasta N= 1·10� ciclos y se considera como la de la vida a fatiga finita.

Parte horizontal: es la zona para el límite de fatiga y comienza a partir de N>10� ciclos.

Ambas partes se consideran lineales en escala semilogarítmica o escala doblemente logarítmica.

Se considerará Run Out o no fractura cuando no rompa para N= 10� ciclos, por lo que a dicho número de ciclos se parará el ensayo.

Figura 3-2. Curva S-N con el método de ensayo de los 14 especímenes

8

3.3.1 Ensayos para la parte inclinada

Como comentamos al principio, en esta parte se ensayarán ocho probetas a cuatro niveles de tensión como se ve en la figura 3-2. Para ello tenemos que seguir los siguientes pasos:

�� = � (� = 5 · 10�)

�� = � (� = 1 · 10�)

�� =��

� : este será el paso entre los distintos niveles de tensión.

�� = �� − �� : es el nivel de tensión inicial.

�� = �� + �� (i= ±1, ±2,…)

Esto nos servirá para tener todas las tensiones necesarias para esta parte, aunque podemos adaptar el paso (��) y �� si fuese necesario.

Una vez se han ensayado a las tensiones calculadas, obtenemos unos resultados que nos servirán para calcular la desviación de estos ensayos. Dicha desviación nos servirá para los ensayos en la parte horizontal. Para calcularla debemos diferenciar si la curva está en una escala semi-log o log-log.

Escala semi-log:

La pendiente de la curva S-N viene dada por:

Donde:

Así la desviación estándar estimada para el logaritmo de la vida a fatiga es:

La desviación estándar estimada para el esfuerzo a fatiga queda:

9


Escala log-log

La pendiente de la curva queda definida de la siguiente forma:

Siendo:

Quedando las desviaciones:

Y siendo el coeficiente de variación del esfuerzo a fatiga estimado:

3.3.2 Ensayos para la parte horizontal

Para la parte horizontal se usa el método del staircase con un número pequeño de especímenes, seis en este caso. Como se muestra en la figura 3-2, en esta parte las tensiones variarán alrededor del límite de fatiga estimado.

El primer nivel de tensión o S (1), debe ser el mayor de los niveles de tensión de la parte inclinada donde no se haya roto ningún espécimen y si no hay, el nivel en que haya roto uno de ellos al menos.

Partiendo de dicha tensión, se aumentará la siguiente tensión mediante un paso obtenido de la siguiente forma según la escala en la que se trabaje:

El segundo dato siempre sigue la misma forma, mientras que los siguientes dependerán del resultado del anterior ensayo:

�(2) = �(1) + ��

�(�) = �(�− 1) ± �� (j= 3, 4, 5, 6, 7)

10

Escogiéndose en el caso de la segunda expresión (+) si el ensayo anterior no rompió y (-) si se produjo la fractura. Del S (7) solo nos interesa el valor para calcular el límite de fatiga y dicho valor se obtiene a partir del anterior, por lo que no hace falta que se ensaye.

Podemos obtener el límite de fatiga de la siguiente manera:

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4 PROBETAS DE ACERO INOXIDABLE AISI 304L

as aleaciones son combinaciones de dos o más elementos metálicos y aleantes que pueden ser no metálicos, como fósforo, carbono y azufre entre otros. En la industria se emplean tanto aleaciones como metales solos. Ambos podemos dividirlos en dos grupos principales: ferrosos (contienen hierro como

elemento principal) y no ferrosos (no tienen hierro).

Dentro de las aleaciones cabe destacar el acero, ya que es ampliamente usado por su versatilidad, precio y propiedades. Podemos describirlo como una combinación de hierro y una cantidad carbono menor del 2,11% en peso de su composición. En la siguiente figura podemos ver el Diagrama Metaestable Fe-Fe�C, el cual nos muestra las transformaciones que puede sufrir el acero [8]:

Figura 4-1. Diagrama Metaestable Fe-Fe�C

Según el porcentaje en peso de los elementos de las aleaciones férricas, podemos encontrar varios grupos (ver Figura 4-2) con características y aplicaciones muy distintas.

L

12

Figura 4-2. Clasificación de los aceros según su composición química

Debido a que este trabajo estudia probetas de acero inoxidable, nos centraremos en el análisis de este.

Aceros inoxidables: gracias a la reacción del cromo con el oxígeno, se forma una capa pasivadora, por lo que son muy resistentes a la oxidación. Se emplean entre otras cosas para utensilios de cocina, tuberías en contacto con químicos e incluso en arquitectura con fines decorativos. Se clasifican en:

Martensíticos: son magnéticos y pueden endurecerse mediante tratamiento térmico de temple y revenido o con adición de otros elementos de aleación.

Ferríticos: además de ser magnéticos poseen una elevada resistencia a la corrosión bajo tensión. Sin embargo, son difícilmente soldables.

Austeníticos: gran capacidad para ser endurecidos por deformación en frío, mejor resistencia a la corrosión y los más utilizados. Por el contrario, son más caros y poseen una pobre resistencia a la corrosión bajo tensión.

Dúplex: composición mixta (50% austenita y 50% ferrita). Sus propiedades se encuentran a medias entre ferríticos y austeníticos.

A continuación describiremos tanto las características del acero como la geometría de nuestras probetas.

Caracterización del acero inoxidable AISI 304L 4.1.

En primer lugar, mostramos su composición química para poder clasificarlo y ver sus propiedades, así como la del 304 para hacer una comparación [9], [10]:

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Tabla 4-1. Composición química de los aceros 304 y 304L

Tabla 4-2. Propiedades del acero 304L

Siendo el �� un dato resultado de una estimación hecha a través del tamaño de grano.

Comprobamos con los datos recogidos de la figura 4-2 que se trata de un acero inoxidable austenítico. Este acero se recomienda para construcciones ligeras soldadas, aunque tiene propiedades adecuadas para una gran cantidad de aplicaciones. La diferencia entre ambos la supone la disminución del carbono en el 304L, ya que facilita la soldadura (recomendable cuando se quiere soldar espesores altos y la temperatura es mayor) y reduce el riesgo de corrosión, aunque pierde resistencia.

Geometría de las probetas 4.2.

Realizaremos los ensayos de fatiga a veinte probetas planas con una entalla de un radio muy agudo para asegurar el comienzo de la fractura en ese punto.

Figura 4-3. Probeta antes de ensayo

En la siguiente imagen podemos observar la entalla de nuestra probeta en el proyector de perfiles para verla con más claridad.

Figura 4-4. Entalla en el proyector de perfiles

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A continuación se muestra el plano de la pieza con las dimensiones y tolerancias que fueron pedidas al fabricante:

Figura 4-5. Plano de la pieza con las tolerancias requeridas

Como podemos observar en la figura anterior, la probeta tiene una entalla en la zona del centro para simular una grieta y que se produzca la fractura en esa zona. Por ello y para evitar una aparición prematura de la grieta o en otro punto al deseado, esta zona se pulirá.

4.2.1 Mediciones con el proyector de perfiles

Para comprobar que las medidas cumplan con las tolerancias, medimos cada probeta con un proyector de perfiles de la marca TOPCON VP-300D (ver figura 4-6) cuyo campo de medida es 150x50 mm y rango de rotación 0÷360º, con apreciaciones de 0,001 mm y 1’ respectivamente. Además hacemos uso de los objetivos 10x y 50x.

Cabe destacar que en este paso nuestras probetas ya han sido pulidas (como explicaremos posteriormente) para

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tener datos definitivos, aunque no se perdiese material de forma significativa en el proceso.

Figura 4-6. Proyector de perfiles apagado y en uso

En la siguiente imagen se muestra la pieza con las medidas a tomar señaladas para poder ver las de cada probeta en las tablas 4-3 y 4-4. El radio de la entalla no se calcula de forma directa, por lo que medimos la flecha (f) y la cuerda (c).

Figura 4-7. Planos para medición de la geometría

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Aunque el estudio abarca veinte probetas, se comienza con diez. Por ello, medimos en primer lugar diez probetas únicamente, ya que la media de sus medidas se usa para la estimación del límite de fatiga.

Tabla 4-3. Geometría diez primeras probetas

Tabla 4-4. Geometría diez últimas probetas

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En primer lugar, tras haber tomado las medidas necesarias, calculamos el radio de curvatura de la entalla a partir de la flecha y la cuerda mediante la siguiente expresión:

� =�

2+

��

8 · �

Posteriormente calculamos el área neta que se ve sometida a la fatiga, es decir, el área resistente en un ensayo de tracción.

� = (� − �) · �

La longitud exacta de la probeta, “L” en la figura 4-7, no se considera relevante para los cálculos posteriores por lo que se ha dejado fuera de estas mediciones y se considera el valor propuesto inicialmente de 180 mm. Una vez tenemos todos los datos a considerar, vemos que las tolerancias se han respetado.

Comportamiento de la probeta en ANSYS 4.3.

En este apartado veremos una simulación del comportamiento de la probeta en 2D en ANSYS [11] para, apoyándonos en el diagrama de Frost, poder ver si nuestra probeta cumple �� > ��

∗. A continuación explicaremos los pasos a seguir:

Propiedades del material: dado que es una simulación en 2D, solo introduciremos lo básico para modelar la probeta.

o Módulo de Young (E): es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico según la dirección en la que se aplica una fuerza.

� = 193 ��

o Coeficiente de Poisson (ν): es una constante elástica que proporciona una medida del estrechamiento de sección de un prisma de material elástico lineal e isótropo cuando se estira longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de estiramiento.

� = 0,26

Tipo de elemento: el elemento escogido es el PLANE182, clasificado por ANSYS como Sólido Estructural 2D, que resulta adecuado para el modelado bidimensional. Está compuesto por cuatro nodos con dos grados de libertad cada uno (en direcciones x e y).

Figura 4-8. Tipo de elemento PLANE182

Mallado: es una etapa vital en el proceso ya que la correcta elección de la malla hará que los resultados sean más precisos. Además el mallado puede influir mucho en el tiempo necesario para hacer los cálculos, según el número de elementos que la compongan. En este caso, elegiremos elementos cuadrados, ya que son más adecuados para el tipo de elemento elegido además de aportar mayor precisión.

Por la geometría de la probeta la zona conflictiva es la entalla, especialmente la curva debido a que el radio es muy pequeño. Es por ello que se realizará una división de elementos mayor en esa zona en proporción con el tamaño. Quedando nuestra probeta con el siguiente número de divisiones:

Figura 4-9. Mallado en ANSYS de la probeta

En la figura 4-10 se puede observar que las divisiones de las líneas que forman la entalla no son iguales, sino crecientes o decrecientes para unirse mejor con el resto de elementos. Además el radio se ha refinado posteriormente para evitar en la medida de lo posible las distorsiones, pues afectan negativamente en el resultado.

Figura 4-10. Mallado en ANSYS de la entalla

Condiciones de contorno: las probetas son sometidas a esfuerzos de tracción y compresión cíclicos. En la máquina de fatiga se sujeta con mordazas, para evitar los desplazamientos. Por ello se restringen todos los movimientos en un extremo y el movimiento tanto en “y” como la rotación en “z” en el otro.

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Cargas: simulamos el comportamiento de la probeta al ser sometida al límite de fatiga, ya que buscamos el ��. Por ello, metemos una presión de -43,7 MPa (se calcula en el apartado 5-2) aplicada en el extremo derecho de la probeta.

Una vez todos los datos han sido introducidos, procedemos a la resolución consiguiendo los siguientes resultados:

En la siguiente imagen se muestra la probeta sometida en su mayor parte a compresión, cuando por la naturaleza del ensayo se esperaría tracción. Pero si nos fijamos en la zona sometida a un mayor esfuerzo, que es la entalla, vemos que actúan en ella tracciones de un orden mucho mayor al de la compresión, por lo que podemos considerar que la entalla absorbe la mayor parte del esfuerzo mientras el resto de la probeta apenas es sometido a ninguna presión.

Figura 4-11. Tensiones en el eje x de toda la probeta sometida al límite de fatiga (MPa)

En la figura 4-12 podemos ver con mayor claridad que la mayor parte de la probeta se ve sometida a compresiones o tracciones muy pequeñas que van aumentando conforme se acercan a la zona crítica. Es la zona del radio de la entalla la que soporta una mayor tensión de tracción, como era esperado. Esto hace que se asegure la fractura en dicho punto.

También puede verse la evolución de las tensiones desde el borde de la entalla hasta el final de la probeta (ver figura 4-13). Vemos que al alejarse del borde de la grieta (donde se encuentra la tensión máxima), las tensiones disminuyen mucho, alcanzando el mínimo al final de la probeta.

Figura 4-12. Tensiones en el eje x de la entalla sometida al límite de fatiga (MPa)

Figura 4-13. Gradiente de tensiones desde el borde de la entalla hasta el final de la probeta (MPa)

15


Comprobación del diagrama de Frost 4.4.

En el apartado 3.2. se definió y desarrolló el diagrama de Frost. Lo que hacemos ahora es, gracias a los datos obtenidos del resultado de ANSYS, comprobar si nuestras probetas cumplen la condición de �� > ��

∗. Siendo el diagrama de Frost para nuestras probetas:

Figura 4-14. Diagrama de Frost para nuestras probetas

��ó��

��∗ = ��

∗ =��

��,�= 7,23

�� =��

��=

2754,07

43,7= 63,02

Comprobamos que se cumple por tanto:

63,02 > 7,23

5 PREPARACIÓN PARA LOS ENSAYOS

n estos ensayos, las grietas se inician en la superficie del material ya que está sometida a las mayores tensiones. El estado superficial de la probeta influye en el comienzo o crecimiento de la grieta. Es por todo ello que se pulirán las probetas hasta contar con la rugosidad deseada.

Estimaremos el límite de fatiga y simularemos el comportamiento de la probeta sometida a dicha tensión para comprobar si es viable.

Rugosidad y pulido 5.1.

En total se usan veinte probetas, pero comprobamos la rugosidad inicial de cinco probetas y medimos la rugosidad final de dieciséis, ya que eso nos dice con suficiente precisión el estado de todas.

5.1.1 Rugosímetro

Para medir la rugosidad haremos uso del rugosímetro Mitutoyo Surftest del CAM (ver figura 5-1).

Figura 5-1. Rugosímetro

Como podemos ver, está formado por dos partes:

Palpador: en la izquierda de la figura 5-1. Se coloca en la parte deseada de la pieza con el mecanismo de posicionamiento. A continuación observamos el palpador sobre una probeta pulida (figura 5-2) donde se refleja y sobre otra sin pulir (figura 5-3) para ver la posición de trabajo que tiene. Además se usa una plastilina para fijar la pieza en la posición deseada, aunque en nuestro caso al ser plana no es necesario.

E

17


Figura 5-2. Palpador sobre pieza pulida

Figura 5-3. Palpador sobre pieza sin pulir

Computadora de análisis: podemos verla en la figura 5-4. En ella elegimos los parámetros necesarios, como la longitud de desplazamiento del palpador y vemos los resultados de las mediciones en la pantalla.

Figura 5-4. Computadora de análisis

Antes de empezar las medidas, elegimos un rango de �� = 80, y daremos un desplazamiento al palpador de (0,8 x 2), es decir, medirá la rugosidad en una longitud de 1,6mm. Mide tanto la rugosidad media como la máxima de la longitud de desplazamiento. Sin embargo, la que debemos comparar es la media y por tanto, es la que mostramos en este trabajo.

En la siguiente imagen podemos ver la pantalla de la computadora con los datos y parámetros mencionados:

Figura 5-5. Pantalla de la computadora

5.1.2 Medidas de la rugosidad

A continuación mostramos en una imagen los puntos donde se medirá, que serán los mismos puntos en ambas caras de la probeta, es decir, haremos 6 mediciones por probeta. Para garantizar que la superficie no influya en la grieta, se pide una rugosidad media de 0,1 μm.

Figura 5-6. Puntos de medida de rugosidad

Llamando a la cara delantera Ax y a la trasera Dx, obtenemos los siguientes resultados:

Tabla 5-1. Rugosidad sin pulir

Para el pulido se usan lijas de papel de distinto grano. Al ser planas y la zona a pulir pequeña, podemos hacerlo sin la ayuda de maquinaria, de forma manual. Para ello usaremos las lijas de mayor a menor rugosidad, para provocar en primer lugar el mayor arranque de material y finalizar afinando. Así usamos primero la de 600, luego de 1200 y finalmente la de 2400, colocadas de izquierda a derecha en la figura 5-7.

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Figura 5-7. Papel de lija

La rugosidad de dieciséis probetas tras pulirlas se muestran a continuación, donde �� es la rugosidad media de las seis medidas. Comprobamos que �� < 0,1 �� para todas las probetas, que era la rugosidad requerida.

Tabla 5-2. Rugosidad tras el pulido

Estimación del límite de fatiga 5.2.

El límite de fatiga es, para algunos metales, el esfuerzo por debajo del cual no se produce fallo por fatiga. Se considera que no hay fallo, es decir, que tiene vida infinita, cuando no rompe para 10� ciclos o más.

El valor umbral por debajo del cual no crecen las grietas, se define mediante la siguiente expresión:

�� = ��√��

Donde:

Y: factor geométrico adimensional que depende de la forma y tamaño del defecto preexistente así como de la geometría de la probeta y del modo de solicitación aplicado. [12]

��: límite de fatiga.

a: longitud de grieta.

Para estimar el límite de fatiga, partimos de:

Un valor estimado de �� = 11��√� .

El valor medio de “a” a partir de diez de las probetas: a= 10,0239 mm.

Para calcular Y, debemos tener en cuenta el modo en que se aplica la fuerza y la entalla:

Figura 5-8. Y para tracción y grieta central

Figura 5-9. Y para flexión y grieta en un lado

Figura 5-10. Y para tracción y grieta en un lado

21


Dada la situación de la entalla en nuestra probeta y el tipo de fuerza aplicada, debemos calcular “Y” siguiendo la figura 5-10.

Siendo a/W= 0,5 < 0,6, usamos la segunda expresión de dicha figura, resultando: Y= 2,8637.

Así tenemos:

�� =��

�√��=

11

2,8637√0.0102�= 21,65 ��

Dicho límite de fatiga lo referiremos al área neta para poder introducirlo en la curva S-N:

�� · �� = �� · ��

�� =21,65 · 197,806

98,072= 43,7 ��

Curva S-N 5.3.

La curva S-N de un material representa valores de tensiones frente a número de ciclos. Para algunos materiales, como es el caso del acero objeto de este trabajo, tiene una asíntota horizontal que representa al límite de fatiga.

Para trazar la curva S-N, debemos definir dos puntos:

La tensión para N= 10� ciclos la estimamos como � = 0,9 · �� , siendo �� la tensión de rotura del material. En nuestro caso, 654 MPa.

Para N= 10� ciclos (vida infinita) la tensión será el límite de fatiga, �� = 43,7 ��.

Finalmente, introducimos estos datos en una gráfica logarítmica-logarítmica (ver figura 5-11).

Figura 5-11. Curva S-N del acero 304L

6 REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS

artimos con veinte probetas disponibles para la realización de este trabajo. Sin embargo, no todas serán usadas en los ensayos que darán como resultado los datos necesarios para la obtención del ��. Se destinarán dos de ellas para ensayos iniciales cuyo objeto es conocer la verdadera situación de la curva

S-N. Catorce se emplearán con el método elegido y explicado en el apartado 3, ya que es el número que dicho método exige. Y finalmente, el resto se ensayará como las catorce anteriores para obtener un �� nuevo a partir de los datos obtenidos en los últimos dieciocho ensayos, comprobando así la influencia de un mayor número de especímenes en el resultado final.

Se usarán dos máquinas diferentes para realizar los ensayos de fatiga. Esto se debe a la diferencia de frecuencias de trabajo, ya que una de ellas tiene una mucho mayor y por tanto disminuye el tiempo de ensayo.

Equipos utilizados y pasos seguidos en los ensayos 6.1.

El primer equipo que usamos fue la máquina hidráulica MTS 810 Material Test System. Tiene una capacidad de 100 kN y trabaja a una frecuencia de 8 Hz.

Figura 6-1. Máquina de fatiga MTS 810

P

23


En la figura 6-1 se puede observar la máquina y los cabezales superior e inferior, que se puede mover en la dirección vertical para ajustar la probeta en la posición adecuada. A continuación vemos los datos técnicos [13]:

Tabla 6-1. Datos técnicos MTS 810

El otro equipo, usado en diecinueve de los ensayos, es la máquina de resonancia Rumul Testronic de una capacidad de 100 kN y una frecuencia de trabajo de 114,9 Hz ~115 Hz.

Figura 6-2. Máquina de resonancia Rumul Testronic

Como se aprecia en la figura 6-2, el equipo que acciona el mecanismo está separado de la máquina de resonancia. Al igual que en la MTS 810, posee dos cabezales que se mueven en la dirección vertical. Podemos ver en la siguiente tabla los datos técnicos:

Tabla 6-2. Datos técnicos Rumul Testronic

En ambos equipos, los datos se introducen a través de un equipo informático. Para realizar los ensayos en ambas máquinas se siguieron los siguientes pasos previos a la aplicación de la carga:

Se colocan mordazas en ambos cabezales. Su función es agarrar bien la probeta para evitar desplazamientos, algo a lo que ayuda que sean moleteadas.

Figura 6-3. Mordazas moleteadas colocadas en el cabezal inferior

Entrada rampa: se introducen los datos necesarios, entre ellos la carga a la que se realizará el ensayo. También se tendrá especial cuidado al elegir los límites de seguridad: como no pasar de cierta fuerza o desplazamiento, ya que se puede romper la máquina.

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Colocar probetas: colocamos las probetas de forma que tanto las mordazas superiores como las inferiores sujeten la misma longitud. Además las centramos con guías para asegurar la verticalidad lo mejor posible.

Figura 6-4. Guía colocada en el cabezal inferior

Posición final previa al ensayo: una vez hemos asegurado la verticalidad de la probeta, movemos el cabezal hasta que esta quede sujeta por ambos cabezales.

Ensayos de prueba 6.2.

En primer lugar se realizan ensayos a dos probetas para comprobar si nuestras estimaciones de la curva S-N eran acertadas.

Para ello, tomamos una probeta (la 811L) y la sometemos a una tensión cercana al límite de fatiga estimado. Decidimos que cada 10�ciclos se incremente la carga aplicada un 10% de la primera. Por la evolución de la probeta, se decide tras el cuarto ensayo que la siguiente carga sea el doble de la primera ya que se requerirían muchos ensayos solo aumentando un 10%. Este fue el único ensayo realizado en la MTS 810.

Figura 6-5. Probeta ensayada en la MTS 810

Se ensaya la probeta 816L en la Rumul Testronic (como los siguientes), ya que su mayor frecuencia permite disminuir el tiempo de ensayo. Se parte de un valor de tensión cercano al límite de fatiga y se aumenta un 10% tras 10�ciclos.

Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 6-3. Siendo “Run Out” la no ruptura de la probeta.

Tabla 6-3. Ensayos de prueba para curva S-N

Queda entonces la curva S-N estimada de la siguiente forma:

Figura 6-6. Curva S-N con los ensayos de control

Como vemos con los resultados de los ensayos, se comprueba que la curva S-N estaba bien estimada.

27


Ensayos de la norma JSME 002-1981 6.3.

Este método se ha explicado en el apartado 3.3. Por ello aquí se desarrollarán los cálculos y resultados únicamente.

Como se ha dicho anteriormente, todos los ensayos salvo el primero se llevan a cabo en la Rumul, por lo que se muestra en la siguiente imagen una probeta ensaya en dicha máquina:

Figura 6-7. Probeta ensayada en la Rumul Testronic

6.3.1 1ª Fase: Diagonal de la curva S-N

En esta fase se calculan las tensiones de los nueve primeros ensayos, pero siguiendo la normativa, solo contarán como parte de esta fase ocho.

Basándonos en la curva S-N de nuestro acero y sabiendo que dichas curvas cumplen:

� = � · ��

Siendo C y b constantes se tiene que:

588,6 · 10�� = 43,7 · 10�� C=4140 y b= 0,28

Una vez sabemos cómo se modula la curva S-N podemos empezar a calcular las tensiones necesarias:

�� = �(� = 5 · 10�) = 195 ��

�� = �(� = 1 · 10�) = 43,7 ��

�� =�� − ��

3= 50,43 ~50

�� = �� − �� = 145 ��

Siendo �� = �� + �� (i= ±1, ±2,…) obtenemos las siguientes tensiones para los cuatro niveles:

Figura 6-8. Niveles de tensiones para los ensayos en la diagonal

Tabla 6-4. Tensiones para la diagonal no válidas

Siguiendo el método propuesto no obtenemos unas tensiones válidas (las que vemos en la tabla 6-4) ya que �� debe encontrarse cerca del límite de fatiga y sin embargo nos saldría a 0 porque habría que bajar un nivel más del 3-6.

Es por ello que decidimos modificar un poco el método y adaptarlo a nuestro caso.

Partimos cumpliendo dos condiciones:

La tensión del nivel más alto (�� = ��) coincide con el valor de ��.

La tensión 4 debe estar por debajo del límite de fatiga, por ello y para que cumpla siempre que no se rompe, tomamos un valor seguro de �� = 30 ��.

Teniendo estos dos extremos, dividimos entre 4 la resta de estos extremos para hallar el paso adecuado:

�� =�� − ��

4= 41,25 ��

Saliendo unos valores que redondearemos como se ve en la figura 6-9:

Tabla 6-5. Tensiones para la diagonal

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Realizamos entonces los ensayos en el orden estipulado, obteniendo los siguientes resultados, donde ninguna probeta rompe:

Tabla 6-6. Resultados de los ensayos 1ª Fase

6.3.2 2ª Fase: Línea horizontal

Para calcular las tensiones de la línea horizontal, debemos calcular la desviación de los ensayos de la diagonal. Usando las ecuaciones explicadas en el apartado 3.3.1, obtenemos una desviación de 2,12 MPa. Este valor es demasiado pequeño para el número de ensayos que tenemos, por lo que tomamos como desviación la estándar del 8% del valor del límite de fatiga, es decir, 3,5 MPa.

6.3.2.1 1ª Parte: seis probetas

En esta parte contamos solo con seis probetas y partimos desde la tensión 4 calculada en el apartado 6.3.1. Cada tensión depende de la anterior, por lo que vamos incrementando o disminuyendo según si la probeta rompe o no. Nos quedan entonces los siguientes resultados:

Tabla 6-7. Resultados de los ensayos 2ª Fase 1ª Parte

6.3.2.2 2ª Parte: cuatro probetas

Esta segunda parte se lleva a cabo de la misma forma que la anterior pero partiendo de la tensión del ensayo número 14. Se hace la separación porque la norma que seguimos para la resolución de estos ensayos requieren catorce especímenes, por lo que en la anterior parte habríamos terminado. Sin embargo, se decide usar cuatro probetas más para ver cómo influiría en el valor del K umbral. Mostramos los resultados:

Tabla 6-8. Resultados de los ensayos 2ª Fase 2ª Parte

Una vez tenemos todos los datos, simplemente los introducimos en la curva S-N calculada con la regresión lineal. Se puede ver que los ensayos tienen una desviación mínima.

Figura 6-9. Curva S-N con los ensayos realizados

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7 OBTENCIÓN DEL KTH

En este capítulo calcularemos �� a partir del límite de fatiga hallado de dos formas: usando la norma JSME 002-1981 y la norma ASTM E739. A su vez, con cada norma obtendremos dos valores pues usaremos los datos de catorce ensayos primero y de dieciocho después. Con esto podremos comparar cómo varía al aumentar el número de especímenes de estudio y según la norma.

Como lo que obtendremos de ambas normas es el nuevo límite de fatiga, recordamos la expresión del K umbral:

�� = ��√��

Obtención del K umbral con la Norma JSME 002-1981 7.1.

En el apartado 3.3.2. se explica como calcular el límite de fatiga. Por ello en estos apartados veremos los datos que introducimos y cómo varía con el aumento de cuatro probetas en el ensayo.

S (1) es el valor que no rompe a la tensión más alta de los ensayos de la parte de la pendiente, siendo 30 MPa. Como los ensayos de la parte horizontal no siguieron exactamente la norma, el valor S (2) se obtiene directamente al ser el primer ensayo que se realizó de esa parte, sin sumar escalones a S (1).

Con 14 probetas:

S (2)= 43,7 MPa

S (3)= 40,2 MPa

S (4)= 36,7 MPa

S (5)= 33,2 MPa

S (6)= 36,7 MPa

S (7)= 40,2 MPa (el único no ensayado de esta parte, se sabe el valor porque el anterior no rompe).

Así �� =�

�(43,7 + 40,2 + 36,7 + 33,2 + 36,7 + 40,2) = 38,45 ��

Y por tanto:

�� = 19,54 ��√�

Con 18 probetas:

A los datos anteriores, le sumamos los nuevos, aunque como último valor dejamos el S(6)= 36,7 MPa. Ya que el siguiente ensayo que en el punto anterior se daba por sabido, aquí se lleva a cabo.

S (7)= 40,2 MPa

S (8)= 36,7 MPa

S (9)= 40,2 MPa

S (10)= 36,7 MPa

S (11)= 40,2 MPa (como en el caso anterior, este no se ensaya pero se sabe su valor porque la anterior probeta no rompe).

Así obtenemos:

�� =1

10(43,7 + 40,2 + 36,7 + 33,2 + 36,7 + 40,2 + 36,7 + 40,2 + 36,7 + 40,2)

= 38,45 ��

Y por tanto:

�� = 19,54 ��√�

Obtención del K umbral con la Norma ASTM E739 7.2.

Usando las ecuaciones propias de esta norma y escritas a continuación [14]:

Ya han sido definidos los términos en otro apartado, así que aquí recogemos los datos, sabiendo que los ensayos que cuentan son aquellos válidos y que dan lugar a fractura y no a run out.

Con 14 probetas:

�� = 43,87 ��

�� = 22,29 ��√�

Con 18 probetas:

�� = 42,44 ��

�� = 21,57 ��√�

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8 MICROGRAFÍAS

Como parte final del proyecto, se observan con el microscopio dos probetas que han roto, una de ellas separada en dos trozos por la mitad.

Usamos el microscopio de código OPT02 para todas las vistas de las grietas salvo una que se fotografía con el OPT01 porque la distancia entre la línea que quería verse y la lente era demasiado grande y solo con este se pudo enfocar bien (se señalará en el apartado 8.2). Todas las micrografías se han tomado con una lente de aumento x10.

Figura 8-1. Microscopio Nikon OPT02

Figura 8-2. Microscopio Nikon OPT01

Probeta 809L 8.1.

Estudiamos la probeta 809L ya que rompió y puede verse claramente la grieta, aunque no esté separada. Vemos a continuación la foto de la probeta y la de la grieta con el microscopio en ambas caras. Se observa que la grieta comienza en el borde de la entalla y que crece en dirección perpendicular a la de aplicación de la carga, como se esperaba.

Figura 8-3. Probeta 809L con la grieta aumentada

Figura 8-4. Probeta 809L en el microscopio

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Figura 8-5. Probeta 209L cara trasera con la grieta aumentada

En la foto de la probeta (figura 8-5) hemos orientado la entalla al lado contrario que la otra cara para que se entendiese mejor que era la cara trasera. Sin embargo, en el microscopio hemos cogido la misma orientación de fotografía para ambas caras por una mejor comparación visual, así vemos que ambas son muy parecidas.

Figura 8-6. Probeta 209L cara trasera en el microscopio

Probeta 811L 8.2.

La probeta 211L sí que está separada, por lo que podemos observar la superficie de fractura.

Figura 8-7. Probeta 811L con la grieta aumentada

Figura 8-8. Probeta 811L en el microscopio

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Figura 8-9. Probeta 811L cara trasera con la grieta aumentada

Figura 8-10. Probeta 811L cara trasera en el microscopio

Además de ver la zona de fractura por ambas caras, interesa ver la línea frontal de la superficie de fractura (señalada en figura 8-11).

Figura 8-11. Probeta 811L vista frontal

Como se comentaba al principio, resultaba imposible con los microscopios que teníamos ver esa línea, ya que la distancia entre ella y la lente es de aproximadamente 1cm. Esto hacía que se enfocase la primera línea que encontramos y no la de la superficie de fractura. Para poder tener dicha imagen lo que se hizo fue cortar la probeta como se muestra en la imagen, primero el corte marcado por rojo y luego el azul.

Figura 8-12. Corte de la probeta 811L

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Para el corte hemos usado la cortadora de la imagen siguiente, donde la vemos descubierta porque ya ha acabado la operación.

Figura 8-13. Cortadora

Finalmente obtenemos estas vistas. Siendo la 8-15 una correlación hecha con el programa Perfect Image, que nos permite unir varias fotografías.

Figura 8-14. Probeta 811L frontal

Figura 8-15. Correlación de la probeta 811L en su línea frontal entera

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9 CONCLUSIONES

omo conclusión de este trabajo podemos observar las variaciones de �� para un mismo método solo con cambiar el número de probetas y también entre distintos métodos. Además compararemos los datos con las estimaciones.

La conclusión principal que se obtiene es que el �� calculado por ambos métodos varía muy poco al aumentar el número de especímenes ensayados, por lo que dado el tiempo que se dedica a cada ensayo y el coste que supone, no es rentable pues no supone una diferencia significativa.

Entre ambos métodos hay una diferencia de apenas un 15%. Así pues, el obtenido con la norma JSME 002-1981 es más recomendable en este caso pues se han seguido sus pasos para los ensayos y no supone una precisión mucho menor.

Como mejora para otros ensayos, propondría seguir los pasos del método elegido sin mezclar conceptos o estadísticas para obtener una mayor precisión, aunque como hemos visto, las variaciones entre valores similares de tensión son muy pequeñas.

C

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REFERENCIAS

[1] http://dle.rae.es/

[2] RANKINE, W., J., M., Citado en: NORTON, R. L., 1999, “Diseño de máquinas”

[3] WHÖLER, A., 1871, “Test to determine the forces acting on railway carriage axles and the capacity of resistance of the axles”.

[4] IRWIN, G. R., 1957, “Analysis of stresses and strains near the end of a crack traversing a plate”.

[5] ASTM E 647-05, “Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates”.

[6] N. E. FROST, “A relation between the critical alternating propagation stress and crack length for mild steel”.

[7] JSME 002-1981, “Statistical S-N Testing Method with 14 Specimens”.

[8] Clase 11

[9] WILLIAM F. SMITH AND JAVAD HASHEMI, “Foundations of Materials Science and Engineering”.

[10] NAVARRO A, VALLELLANO C, DE LOS RIOS ER, XIN XJ, 1997, “ Notch sensitivity and size efects by a short crack propagation model”. In: Engineering against Fatigue, proc of an international conference. Rotterdam, Sheffield (UK): A.A. Balkema Publishers

[11] ANSYS_INC, 2009, “ANSYS Mechanical APDL Element Reference”.

[12] PAOLO MILELLA, “Fatigue and corrosión in metal”.

[13] http://www.esi2.us.es/ingmec/html/laboratorio/equipos/testronic.htm

[14] ASTM E 739-06, “Standard Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress-Life (S-N) and Strain-Life (E-N) Fatigue Data”.

GLOSARIO

AISI:AmericanIronandSteelInstitute.

ASTM:AmericanSocietyforTestingMaterials.

CAM:CentroAndaluzdeMetrologı́a.

JSME:TheJapanSocietyofMechanicalEngineers.

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