EFECTO DE LOS CAMBIOS BRUSCOS DE CARGA SOBRE EL COMPORTAMIENTO EN FATIGA DE ACERO PERLITICO TREFILADO

J.C. Matos1, B. González2, F.J. Ayaso2, J. Toribio2

1 Departamento de Informática y Automática (Universidad de Salamanca), E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo, 33,

49022 Zamora. España. Correo-e: jcmatos@usal.es

2 Ingeniería de Materiales (Universidad de Salamanca),

E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo, 33, 49022 Zamora. España.

Correo-e: bgonzalez@usal.es

RESUMEN

Este artículo analiza el efecto que producen los cambios bruscos de carga ( max ó ) sobre la fatiga de acero perlítico trefilado. Para ello se han realizado, sobre probetas cilíndricas, ensayos de fatiga en control de fuerza empleando dos escalones con tensiones diferentes, observándose la aparición de un estado transitorio en la curva de propagación de fisuras por fatiga (da/dN- K) al decrecer bruscamente el parámetro Kmax K, una suerte de efecto de retardo por sobrecarga que ha permitido calcular el tamaño de zona plástica. El estudio de la superficie de fractura por fatiga en los cambios bruscos de Kmax ó K muestra: (i) que la microrrugosidad del patrón de microdesgarros dúctiles es función de Kmax y (ii) la existencia, en algunos ensayos, de una pequeña zona con fractografía de iniciación de fatiga relacionada con la disminución de la apertura de la punta de fisura, fenómeno similar al de crecimiento a partir de una microentalla.

ABSTRACT

This paper analyzes the effect produced by sudden load changes ( max or ) on the fatigue of cold drawn pearlitic steel. To this end, fatigue tests were performed on cylindrical samples under load control, using two fatigue steps with different stress amplitude, and observing the appearance of a transient state in the fatigue crack propagation curve (da/dN- K) when suddenly decreasing the parameter Kmax K, a sort of overload retardation effect that allowed the calculation of the plastic zone size. The study of the fatigue fracture surface associated with sudden changes of Kmax or

K shows: (i) that the micro-roughness of ductile micro-tearing patterns is a function of Kmax and (ii) the existence, in some tests, of a small zone with fatigue initiation fractography related to the decrease of crack tip opening displacement, a phenomenon similar to that of crack initiation and growth from a micro-notch. PALABRAS CLAVE: Fisuración por fatiga, Cambios bruscos de carga, Acero perlítico trefilado.

1. INTRODUCCIÓN El fenómeno de propagación de fisuras por fatiga implica dos fuerzas motrices en la punta de fisura, K y Kmax [1-3], mostrando este último parámetro una gran influencia. Por ello existen dos valores para el umbral de propagación, K*th (daño cíclico) y K*max (daño estático), que son las condiciones mínimas para que la fisura avance, dependientes de la historia de carga y del medio ambiente [4-7]. Para materiales dúctiles la fuerza motriz de fatiga es dominada por K, mientras que en materiales frágiles Kmax es el parámetro relevante [8]. La razón principal del retardo en el avance de la fisura por sobrecarga, además del cierre en la punta de la fisura, son las ramificaciones en la misma y el contacto entre las superficies, de fractura rugosa, después de la

sobrecarga [9]. Así, un bloque de ciclos de sobrecarga a compresión puede provocar retardo en la velocidad de crecimiento inicial de la fisura, debido al cierre inducido por el óxido que genera partículas residuales o debris [10]. Por el contrario, otros autores mantienen que toda desviación del comportamiento de crecimiento de fisuras largas puede relacionarse con la presencia de tensiones residuales en el material [6]. El efecto del retardo por sobrecarga aumenta con el número de ciclos de sobrecarga hasta alcanzar un valor máximo y existe una distancia característica entre sobrecargas que asegura el mayor efecto del retardo [11]. Una sobrecarga a tracción seguida de una sobrecarga a compresión produce la aceleración de la velocidad de crecimiento de fisuras por fatiga para valores negativos del factor R [12].

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El objetivo de este artículo es analizar el efecto de los cambios bruscos de carga en la fatiga de alambres de acero perlítico trefilado, a partir de ensayos con dos escalones de carga con tensiones max ó diferentes, estudiando el efecto de los últimos ciclos de un escalón sobre los primeros ciclos del siguiente. Para ello se han examinado: (i) la velocidad de crecimiento de la fisura, (ii) el tamaño de la zona plástica, (iii) el patrón de micro-desgarros y (iv) la apertura del extremo de la fisura. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1. Material de análisis El material de estudio ha sido acero de pretensado de composición eutectoide (tabla 1), resultado de siete pasos de trefilado más un tratamiento de termo-relajación que elimina las tensiones residuales que se provocan con el proceso de trefilado. Este acero es el producto comercial final.

Tabla 1. Composición química del acero (% peso).

% C % Mn % Si % Cr % V 0.789 0.681 0.210 0.218 0.061

Las propiedades mecánicas características del material, obtenidas con el ensayo de tracción simple, son: módulo de Young (E=214 GPa), límite elástico ( Y=1480 MPa) y resistencia a tracción ( max=1820 MPa). 2.2. Ensayos de fatiga Las probetas de ensayo fueron varillas de sección circular de 300 mm de longitud y diámetro 5.1 mm. Previo al ensayo de fatiga, se efectuó a las probetas de forma mecánica un corte transversal en la zona media de su longitud, para determinar en ese punto la iniciación de la fisura por fatiga. La influencia de Kmax y K sobre la fatiga se ha estudiado a partir de ensayos en los cuales se realizó carga de tracción en la dirección axial en dos escalones, con max y constantes en cada escalón y diferentes entre los dos escalones (variando uno o ambos parámetros). La frecuencia utilizada fue de 10 Hz con una forma de onda sinusoidal y la tensión máxima estuvo siempre por debajo del límite elástico del material. Cada paso de carga se mantuvo el tiempo suficiente para apreciar avance de fisura. Los tipos de ensayo diseñados se esquematizan en las figuras 1, 2 y 3. Los ensayos A y A' (figura 1) presentan un cambio en la carga máxima de fatiga ( max), los ensayos B y B' (figura 2) en el intervalo de oscilación de tensiones ( ) y los ensayos C y C' (figura 3) en ambos parámetros. En todos ellos, el cambio en las condiciones de carga de un paso al siguiente ha sido de forma brusca. Para los ensayos A, B y C con un descenso de

max o de del 50% de su valor anterior, mientras que en los ensayos A', B' y C' ha existido un aumento del 30% de su valor anterior, puesto que existe un mayor riesgo de que se produzca la fractura del alambre.

N

N

Figura 1. Escalones de carga para los ensayos A y A’. Ensayo A: disminución de max e igual .

Ensayo A’: aumento de max e igual .

N

N

Figura 2. Escalones de carga para los ensayos B y B’. Ensayo B: disminución de e igual max.

Ensayo B’: aumento de e igual max.

N

N

Figura 3. Escalones de carga para los ensayos C y C’. Ensayo C: disminución de max y .

Ensayo C’: aumento de max y . 2.3. Análisis fractográfico Mediante microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido (x1000) se observaron las superficies de fractura producto de la fatiga, en los alambres de acero de pretensado objeto de estudio, para los cambios de escalón de los distintos ensayos. También se realizaron varios cortes longitudinales en secciones perpendiculares al frente de fisura de algunas de las probetas ensayadas a fatiga. Tras una adecuada preparación (embutición, desbaste, pulido especular y ataque con nital al 5% durante unos segundos), se observaron también con microscopía electrónica de barrido (x1000). En todas las fotografías de la superficie de fractura y de los cortes fracto-materialográficos mostradas en este artículo, el avance de la fisura de fatiga sucede siempre de izquierda a derecha.

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Velocidad cíclica de crecimiento de fisuras La curva de crecimiento de fisuras por fatiga en el régimen de Paris, da/dN- K, para el acero perlítico trefilado se muestra en la figura 4. Esta representación es la misma para distintos valores del factor R [13], por lo que la velocidad cíclica de crecimiento de fisuras depende fundamentalmente del intervalo de oscilación del factor de intensidad de tensiones, K, y apenas de la intensidad máxima de la fatiga, Kmax.

10-9

10-8

10-7

10-6

10 20 30 40 50

da/d

N (

m/c

iclo

)

K (MPam1/2)

Figura 4. Curva da/dN- K en el régimen de Paris.

El ajuste de la curva de Paris para el acero de pretensado es [13],

dadN

= 4.1 10 12 K 3.0 (1)

donde las unidades de los coeficientes C y m de Paris son las correspondientes para que da/dN esté en m/ciclo y K en MPam1/2.

10-9

10-8

10-7

10-6

10 20 30 40 50

da/d

N (

m/c

iclo

)

K (MPam1/2)

rama estacionaria

estadotransitorio

Figura 5. Curva da/dN- K:

rama estacionaria + estado transitorio.

El efecto producido por la variación brusca de carga sobre la curva de crecimiento de fisuras por fatiga en el régimen de Paris, es la inducción de un estado transitorio en el avance de la fisura, donde la velocidad de propagación muestra una suerte de retardo. Una vez atravesada esta zona se restablece de nuevo la velocidad correspondiente a la rama estacionaria [14,15]. El estado transitorio se muestra en la curva da/dN- K en forma de ramales que se unen a la rama estacionaria, como se puede observar en la figura 5. 3.2. Zona plástica Se ha realizado una estimación experimental del tamaño de zona plástica (rP) en la punta de fisura, durante los ensayos realizados en los alambres de acero de pretensado, al considerar que es la principal responsable del estado transitorio de acuerdo con un mecanismo análogo al de retardo por sobrecarga que se genera por la zona plástica próxima al extremo de la fisura [16]. Se considera que el retardo se produce mientras la zona plástica originada en la punta de fisura por los últimos ciclos de un escalón es atravesada por la zona plástica, de menor tamaño, consecuencia de los ciclos iniciales del escalón posterior (figura 6). El fenómeno de retardo por sobrecarga se ha comprobado que depende del número de ciclos que lo provocan [11], aunque se admitió que el último ciclo de carga es el principal responsable de este hecho.

Figura 6. Propagación a través de la zona plástica por sobrecarga.

Utilizando las hipótesis anteriores, la expresión obtenida de forma experimental para el tamaño de zona plástica del acero perlítico trefilado es la siguiente,

rp = 0.14Kmax K

Y + R

2

2 (2)

donde el tamaño de zona plástica es directamente proporcional al factor Kmax K, que tiene en cuenta los dos parámetros que gobiernan los mecanismos en la punta de fisura [1-3]. Además, su valor es inversamente proporcional al valor medio del límite elástico y de la resistencia a tracción del acero perlítico trefilado (obtenidos a través del ensayo de tracción simple), ya que este material presenta endurecimiento por deformación. La expresión muestra un coeficiente de 0.14, muy próximo al de otros modelos [17,18].

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3.3. Patrón de microdesgarros dúctiles En la figura 7 se muestran las superficies de fractura por fatiga en los alambres, para los distintos casos de carga en dos escalones, tras la separación de la probeta en dos partes mediante la aplicación de carga creciente hasta rotura. En ellas se observa la existencia, sobre la superficie de fatiga de todos los ensayos (excepto B’) de un frente de fisura de forma semielíptica que se corresponde con el cambio brusco de escalón. El frente de fisura visible es posible atribuirlo a la variación fractográfica a un nivel microscópico y al cambio en la apertura de la punta de fisura, que ocurren con el cambio de escalón en algunos ensayos.

Figura 7. Superficie de fractura por fatiga. A y A’ (arriba), B y B’ (centro), C y C’ (abajo).

La superficie de fatiga en el acero perlítico está formada por microdesgarros, mecanismo de fractura dúctil con evidencia de flujo plástico que proporciona una apariencia típica al proceso de fatiga. El modo de propagación de las fisuras para este acero no muestra estrías, cómo ocurre en metales puros y aleaciones dúctiles. Los microdesgarros en el acero perlítico trefilado presentan un tamaño más pequeño y curvado que en el alambrón del que procede, debido a los cambios microestructurales (orientación de las láminas de perlita y disminución de su espaciado interlaminar) y a la deformación plástica que ha sufrido el acero durante el proceso de trefilado [13].

Las figuras 8, 9 y 10 muestran el patrón de micro-desgarros dúctiles para varias intensidades de fatiga. Su observación, junto al hecho de que en los ensayos B y B’ (donde Kmax es constante) no aparezca un cambio fractográfico a nivel microscópico, conduce a pensar que la forma del patrón de los microdesgarros está determinada, fundamentalmente, por la intensidad máxima de fatiga Kmax, y apenas por el intervalo de oscilación del factor de intensidad de tensiones K.

Figura 8. Fractografía,

Kmax =20 MPam1/2 y K=20 MPam1/2.

Figura 9. Fractografía,

Kmax=54 MPam1/2 y K= 27 MPam1/2.

Figura 10. Fractografía,

Kmax=40 MPam1/2 y K=40 MPam1/2.

B B'

A A'

C C'

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Para algunos de los ensayos (concretamente A y C) la superficie de fractura en el cambio de escalón muestra una pequeña zona de aproximadamente 20 μm (figura 11), con una topografía de iniciación de fatiga formada por microdesgarros dúctiles bastante planos y con orientación en la dirección principal del avance de la fisura (figura 12), denominada en inglés tearing topography surface o TTS [19-22].

Figura 11. Fractografía en el cambio de

Kmax=54 a 27 MPam1/2 con =27 MPam1/2.

Figura 12. Fractografía de iniciación de fatiga, TTS.

3.4. Apertura en la punta de fisura Una posible explicación de esta región con fractografía de iniciación, es la disminución brusca en la apertura de la punta de fisura (crack tip opening displacement o CTOD) en el inicio del segundo escalón de algunos ensayos, que hace que la fisura tenga que originarse de nuevo a partir de otra con un CTOD tal, que puede considerarse una microentalla. El retardo en el avance de la fisura por sobrecarga lo gobiernan, además de la zona plástica, los micromecanismos de crecimiento cerca del umbral [9]. Este fenómeno aparece de forma muy intensa en el ensayo A, donde se ha observado mediante cortes longitudinales de las probetas que la variación de la apertura de fisura es muy acusada cuando cambia el escalón de carga (figura 13).

Figura 13. Fracto-materialografía en la disminución

brusca de Kmax con constante.

La apertura máxima en la punta de fisura, max, en condiciones de deformación plana, se puede calcular con la expresión siguiente, donde E es el módulo de Young y Y el límite elástico,

max

Kmax2

2 Y E (3)

siendo el desplazamiento cíclico de apertura en la punta de fisura,

t

K 2

4 Y E (4)

Con estas ecuaciones se realizó una estimación del cambio en la apertura de la punta de fisura con la variación brusca de carga al pasar de un escalón al siguiente para los ensayos realizados (figura 14).

A

A'

B

B'

C

C'

Figura 14. CTOD para Kmin. A y A’ (arriba), B y B’ (centro), C y C’ (abajo).

Se observa en los ensayos A, B’ y C que existe una reducción del CTOD en el cambio brusco de carga, siendo este fenómeno más acusado en el ensayo A, donde tal efecto se ha observado experimentalmente (figura 13). En cambio en los ensayos A’, B y C’ existe un CTOD mayor después del cambio de escalón, hecho que se muestra sobre su superficie de fatiga (figura 7).

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4. CONCLUSIONES La velocidad de crecimiento de fisuras por fatiga en el régimen de Paris, da/dN, obedece fundamentalmente al

parámetro K y apenas se ve afectado por el cambio de la intensidad máxima de fatiga Kmax. El descenso brusco en Kmax K produce un estado transitorio en la curva. El tamaño de zona plástica depende del producto de ambos parámetros característicos de fatiga, Kmax K. Su descenso brusco provoca el efecto de retardo por sobrecarga, debido al cambio en el tamaño de la zona plástica, permitiendo calcular su valor. La superficie de fractura por fatiga en la perlita presenta un patrón de microdesgarros dúctiles, cuyo aspecto y microrrugosidad cambia con Kmax. En cambio K apenas afecta al aspecto de la superficie de fractura por fatiga. El cambio brusco de carga en algunas ocasiones produce una zona cuya fractografía es de iniciación de fatiga, consistente con tearing topography surface o TTS. Ésta se atribuye a la disminución brusca en la apertura de fisura, lo que produce un fenómeno similar al de crecimiento de una fisura a partir de una entalla.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean hacer constar su agradecimiento por la financiación aportada por las siguientes instituciones: MCYT (Proyecto MAT2002-01831), MEC (Proyecto BIA2005-08965), MCINN (Proyecto BIA2008-06810), JCyL (Proyectos SA067A05, SA111A07 y SA039A08), y por el suministro de acero por parte de TREFILERÍAS QUIJANO (Los Corrales de Buelna, Cantabria, España).

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