CAPITULO I

CAPTULO I

INTRODUCCIN

1.1. Realidad problemtica Se ha observado que la causa principal de las rupturas producidas en estructuras y equipos de perforacin, barcos, aviones, tuberas, implantes y hasta componentes para la industria electrnica; es la corrosin bajo tensin y la corrosin por fatiga.

El diseo de stas estructuras o componentes tecnolgicos se ejecuta de manera tal para evitar que los materiales estn sometidos a estados de tensiones dentro de su zona de fluencia, ya que a partir de la misma los materiales se deformaran plsticamente, por el movimiento de dislocaciones, ocasionando una modificacin en sus dimensiones y con posterior ruptura del componente.

Sin embargo, desde hace ms de un siglo, se encuentra documentado en la literatura, que a pesar de que las condiciones a las que est sometido un material, cumplen con los requisitos de diseo enunciados, estos componentes en presencia de determinados medios y con tensiones mecnicas por debajo del lmite de fluencia, se rompen mediante el desarrollo de fisuras que se propagan a velocidades desde unos pocos milmetros por ao hasta varios milmetros por minuto. Este fenmeno de fragilizacin que sufren los materiales expuestos en forma simultnea a la accin de bajas tensiones mecnicas de traccin y a un medio corrosivo se le denomina Corrosin Bajo Tensin. Si bien es cierto, que en el diseo de componentes estructurales se tiene en cuenta, que las tensiones aplicadas estn muy por debajo de su lmite de fluencia, durante la fabricacin o manufactura de estos componentes, se puede generar la presencia de tensiones residuales importantes. Operaciones de fabricacin, tales como: conformado, estampado y rectificado que involucran deformaciones localizadas a temperaturas ambiente, generan tensiones residuales que pueden exceder el lmite de fluencia del material. Estas tensiones residuales condicionan su performance en servicio y son susceptibles a la corrosin bajo tensin. Tensiones residuales de tal magnitud, tambin pueden ser obtenidas mediante tratamientos trmicos o soldaduras aplicadas a los materiales. Son varios los medios conocidos para los aceros al carbono, en el cual es susceptible a la corrosin bajo tensin, entre ellos tenemos: soluciones de NaOH, Na2SiO2, NaNO3. HNO3, HCN, H2S, agua de mar, etc. El H2SO4, no es reportado como un medio susceptible a la corrosin bajo tensin, pero, si consideramos la presencia de tensiones residuales de magnitud cercan a la tensin de fluencia del material, este medio podra ser susceptible a la corrosin bajo tensin. Uno de los aceros ms usados en la fabricacin de componentes estructurales y partes de maquinaras, sometidos a esfuerzos normales, es el acero AISI 1045, ejemplo de ello tenemos: rboles de transmisin, ejes, pines de sujecin, pasadores, etc. Estos componentes durante su fabricacin, involucran operaciones de conformado y maquinado, que pueden dar origen a tensiones residuales de la magnitud anteriormente mencionada, hacindolo susceptible, segn el medio, a la corrosin bajo tensin.

Por este motivo es necesario un estudio minucioso del efecto de los tratamientos trmicos y del esfuerzo aplicado sobre el tiempo de ruptura en un proceso de corrosin bajo tensin en un acero AISI 1045.

1.2. Antecedentes

Herro H. (1995), indica que los primeros casos documentados sobre problemas ocasionados por la corrosin bajo tensin, datan del siglo pasado y se refieren a explosiones sufridas por calderas fabricadas con acero de bajo carbono (%C F,v1,v2 (tabular), con = 0.05, v1 = 3 y v2 = 32 grados de libertad; por lo tanto se rechaza la Hiptesis nula (H0) y se dice que existe evidencia emprica para decir que los tratamientos trmicos y la carga influyen significativamente en el tiempo de ruptura.CAPTULO V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. Conclusiones

Los tratamientos trmicos endurecieron o ablandaron, eliminaron las consecuencias de un mecanizado, modificando su estructura cristalina o modificaron total o parcialmente las caractersticas mecnicas del material, haciendo en algunos casos aumentar y en otros disminuir el tiempo de rotura del acero. Al aumentar la tensin de traccin, a una concentracin de H2SO4 constante, el tiempo de fractura disminuye, como resultado de procesos de fluencia.

Concluimos que el recocido fue el tratamiento que resiste mejor a la tensin aplicada, debido a que recupera todas las propiedades mecnicas y ablanda el acero, obtenindose el mayor tiempo para las distintas cargas aplicadas, con respecto a los dems tratamientos.

5.2. Recomendaciones

Recomendamos ampliar la investigacin con otros tipos de soluciones como agentes corrosivos (NaOH, HCN, Agua de mar, H2S) a tensiones constantes, variando la concentracin de la solucin.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Aceros Bhler del Per S.A. (1998). Manual de aceros especiales. Lima.

lvarez Pajuelo Pedro y Villanueva Oliva Oscar. (1998). Influencia de la concentracin de H2SO4 en el medio y de la tensin aplicada en el rango elstico-plstico, sobre el tiempo de fractura de un acero SAE 1045, sometido al proceso de corrosin bajo tensin. Universidad Nacional de Trujillo.

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Figura N 1. Curvas caractersticas de operacin para el anlisis de varianza del modelo de efectos fijos.

Tabla N 1. Puntos porcentuales de la distribucin F

Valores de distribucin F tales que la probabilidad a la derecha sea igual a la especificada (1)

f(0.05,v1,v2)

Grados deGrados de libertad del numerador v1

libertad v212345678910121520253040506080100120

1####################################################################################################6339.51

218,5119,0019,1619,2519,3019,3319,3519,3719,3819,4019,4119,4319,4519,4619,4619,4719,4819,4819,4819,4919,49

310,139,559,289,129,018,948,898,858,818,798,748,708,668,638,628,598,588,578,568,558,55

47,716,946,596,396,266,166,096,046,005,965,915,865,805,775,755,725,705,695,675,665,66

56,615,795,415,195,054,954,884,824,774,744,684,624,564,524,504,464,444,434,414,414,40

65,995,144,764,534,394,284,214,154,104,064,003,943,873,833,813,773,753,743,723,713,70

75,594,744,354,123,973,873,793,733,683,643,573,513,443,403,383,343,323,303,293,273,27

85,324,464,073,843,693,583,503,443,393,353,283,223,153,113,083,043,023,012,992,972,97

95,124,263,863,633,483,373,293,233,183,143,073,012,942,892,862,832,802,792,772,762,75

104,964,103,713,483,333,223,143,073,022,982,912,852,772,732,702,662,642,622,602,592,58

124,753,893,493,263,113,002,912,852,802,752,692,622,542,502,472,432,402,382,362,352,34

154,543,683,293,062,902,792,712,642,592,542,482,402,332,282,252,202,182,162,142,122,11

204,353,493,102,872,712,602,512,452,392,352,282,202,122,072,041,991,971,951,921,911,90

254,243,392,992,762,602,492,402,342,282,242,162,092,011,961,921,871,841,821,801,781,77

304,173,322,922,692,532,422,332,272,212,162,092,011,931,881,841,791,761,741,711,701,68

404,083,232,842,612,452,342,252,182,122,082,001,921,841,781,741,691,661,641,611,591,58

504,033,182,792,562,402,292,202,132,072,031,951,871,781,731,691,631,601,581,541,521,51

604,003,152,762,532,372,252,172,102,041,991,921,841,751,691,651,591,561,531,501,481,47

803,963,112,722,492,332,212,132,062,001,951,881,791,701,641,601,541,511,481,451,431,41

1003,943,092,702,462,312,192,102,031,971,931,851,771,681,621,571,521,481,451,411,391,38

1203,923,072,682,452,292,182,092,021,961,911,831,751,661,601,551,501,461,431,391,371,35

Fig. N 2. Probetas tratadas trmicamente para anlisis de corrosin bajo tensin

Fig. N 3. Probeta despus del ensayo de corrosin bajo tensin (temple 120Kg.)

Fig. N 4. Materiales e instrumentos utilizados en la preparacin de la solucin de H2SO4 A CONCENTRACION 3N

Fig. N 5. Preparacin de la solucin para las pruebas de corrosin bajo tensin.

Fig. N 6. Probeta colocada y se agrega la solucin para obtener el tiempo de rotura en el proceso de corrosin bajo tensin.

Fig. N 7. Equipo instalado.

Fig. N 8. Probeta fracturada bajo condiciones de 3N de H2SO4 recocida a 120 Kg de carga.

Fig. N 9. Probetas fracturadas bajo distintas condiciones de tratamiento trmico y carga aplicada. Probetas de la izquierda: recocidas y a 80 Kg de carga; y probetas de la derecha: revenidas y a 100 Kg de carga.

APENDICEAPENDICE A

PREPARACION DE LA SOLUCION DE H2SO4 A [3N] A PARTIR DE H2SO4 97% (Q.P.)

Datos del cido sulfrico Q.P.

= 1.8364 gr/ml

= 98 gr/mol

= 2

= 49gr H2SO4 => 1N49gr H2SO4 1N

X gr H2SO43N=> X = 147 gr H2SO4Ahora calculamos los ml de H2SO4 a utilizar, a partir de la densidad:1 ml H2SO41.8364 gr H2SO4 * 0.97

X ml H2SO4 147 gr H2SO4

=> X = 82.52 ml H2SO4APENDICE BANLISIS ESTADSTICO1. Clculo del tamao de muestra

2 =

Donde:

: Estimador de referencia.

r: Nmero de rplicas

a: Niveles de las filas.

b: Niveles de las columnas.

D: Diferencia mxima entre 2 valores medios de dos niveles cualquiera.

: Error estndar.

Reemplazando tenemos:

2 = = 2r

= 0.05

V1 = a-1 => V1 = 4-1 => V1 = 3V2 = a*b*(r-1) => V2 = 4*4*(r-1) => V2 = 16*(r-1)

Tabla B.1. Tabla de clculo del tamao de muestra.r2V2(1-)

242160.1650.835

362.45320.020.98

Los valores de se obtienen de las curvas caractersticas de operacin para el anlisis de varianza del modelo de efectos fijos. Donde r: tamao de muestra o rplicas es 3.2. Diseo bifactorial

Tabla B.2. Matriz del Diseo bifactorial con 4 niveles por cada factor.Bb1B2b3b4

A

a1a1b1a1b2a1b3a1b4

a2a2b1a2b2a2b3a2b4

a3a3b1a3b2a3b3a3b4

a4a4b1a4b2a4b3a4b4

Tabla B.3. Matriz de Corridas Experimentales. Tabla de Registro de datos.FACTOR AFACTOR BREPLICASTotalesPromed.

TRAT.TERM.CARGA123

RECOCIDO60954.52251011.51944996.9591672963.00111987.667036

80783.333333846.403333813.1858332442.9225814.3075

100607.533611571.116667583.9019441762.55222587.517407

120424.965278439.47458.2519441322.68722440.895741

NORMALIZADO60645.925556581.555833601.5069441828.98833609.662778

80517.539167545.176667492.3052781555.02111518.340371

100380.753333396.67382.1330561159.55639386.518796

120250.536667307.11309.258889866.905556288.968519

TEMPLE600.265555560.300555560.280.846111120.28203704

800.158333330.1850.186111110.529444440.17648148

1000.090555560.136111110.128333330.3550.11833333

1200.036111110.03250.044166670.112777780.03759259

REVENIDO60260.170833237.168611234.3425731.681944243.893981

80184.338889167.930833170.839167523.108889174.36963

100115.508333118.997222121.169444355.674999118.558333

12064.354166747.992222267.1375179.48388959.827963

15693.428326.94641

Modelo estadsticoYijk = + + j + ()ij + ijkDonde:

: Valor medio de todos los datos.

: Efecto i-simo nivel del factor a.

j: Efecto j-simo nivel del factor b.

()ij: Efecto de la interaccin entre los niveles y j.

ijk: Componente del efecto aleatorio del error del modelo.

r: nmero de rplicas.3. Anlisis de varianza

3.1. Prueba de hiptesis

A. Contrastacin de la hiptesis (prueba de hiptesis)

H0: 1 = 2 = 3 = 4 = 0 => = 0 1 = 2 = 3 = 4 = 0 => j = 0

()ij = 0

H1: Cuando menos un 0

Cuando menos un j 0

Cuando menos un ()ij 0

B. Nivel de significancia: = 0.05

C. Criterios de rechazo

Se rechaza hiptesis nula si: F0 > F,v1,v2 Para A: F0 > F, (a-1), a*b*(r-1) F0 > F0.05, 3, 32

F0 > 2.904

Para B: F0 > F, (b-1), a*b*(r-1)

F0 > F0.05, 3, 32

F0 > 2.904

Para AB: F0 > F, (a-1)*(b-1), a*b*(r-1)

F0 > F0.05, 9, 32

F0 > 2.192

Los valores de F,v1,v2 se obtienen de tabla: Puntos porcentuales de la distribucin F.D. Clculos para el anlisis de varianza Suma total de cuadrados

SST = -

SST= (954.52252 + 1011.519442 +... + 47.99222222 + 67.13752) -

SST = 4357618.08

Suma de cuadrados de los tratamientos

SSA = -

SSA=-

SSA = 3583838.11

SSB = -

SSB=-

SSB = 479444.298 Suma de cuadrados de la interaccin

SSAB = - - SSA - SSBSSAB=--3583838.11- 479444.298SSAB = 282622.75 Suma de cuadrados de los errores

SSE = SST SSA SSB - SSABSSE = 4357618.08 - 3583838.11 - 479444.298 - 282622.75

SSE = 11712.9207

Media de cuadrados de los tratamientos

MSA =

MSA = = 1194612.7MSB =

MSB = = 159814.766 Media de cuadrados de la interaccinMSAB =

MSAB = = 31402.5278 Media de cuadrados de los erroresMSE =

MSE = = 366.028772 Frmulas para el F0F0(A) = = = 3263.71257F0(B) = = = 436.618043F0(AB) = = = 85.7925119Tabla B.4. Tabla de anlisis de varianzaFuen.Var.Grad.Liber.Suma Cuad.Media Cuad.FoF, V1, V2

Trat.Termic.33583838.111194612.73263.712572.904

Carga3479444.298159814.766436.6180432.904

Interaccion9282622.7531402.527885.79251192.192

Error3211712.9207366.028772

Total474357618.08

E. Decisin

Del anlisis de varianza, puesto que F0 > F,v1,v2 (tabular), con = 0.05, v1 = 3 y v2 = 32 grados de libertad; por lo tanto se rechaza la Hiptesis nula (H0) y se dice que existe evidencia emprica para decir que los tratamientos trmicos y la carga influyen significativamente en el tiempo de ruptura.F. Comprobacin de la idoneidad del modelo

El modelo experimental usado, es un diseo factorial de dos factores con cuatro niveles y tres repeticiones, y las suposiciones que fundamentan el anlisis del modelo son que los datos estn descritos de manera adecuada por el modelo y que los errores sean independientes y estn normalmente distribuidos con media cero y varianza constante. = Yi + Yj - Yeijk = Yijk

Tabla B.5. Tabla del anlisis de residuosTRAT.TERM.CARGA APLICADA (Kg)

6080100120

Recocido113.4955325.884323-46.29512-153.1177

170.4924788.954323-82.71207-138.613

155.9321955.736823-69.92679-119.831

Normalizado61.62288816.814462-16.35109-70.822

-2.74683544.451962-0.434427-14.24866

17.204276-8.419427-14.97137-12.09977

Temple-133.3181-49.8473753.705133129.39645

-133.2831-49.820753.750689129.39284

-133.3037-49.8195953.742911129.40451

Revenido-22.4217-14.6756820.11404544.705642

-45.42392-31.0837323.60293428.343698

-48.25003-28.175425.77515647.488976

Ahora los residuos se ordenan en forma ascendente y se calcula sus puntos de probabilidad acumulada Pk.

Pk = (K ) / N

Donde:

K: Nmero de orden del residuo.

N: Nmero total de observaciones.

Con los datos obtenidos se construye la grfica de probabilidad normal de residuos, si la distribucin de errores es normal, esta se asemejara a una lnea recta. Si esto ocurre se puede decir que los datos se ajustan al modelo.

Tabla B.6. Tabla de residuos ordenados en forma ascendente

NResiduoPk=(K-1/2)/48Pk*100

1-153.117690.0104166671.04166667

2-138.6129680.031253.125

3-133.3181070.0520833335.20833333

4-133.3036630.0729166677.29166667

5-133.2831070.093759.375

6-119.8310240.11458333311.4583333

7-82.71206520.13541666713.5416667

8-70.82199640.1562515.625

9-69.92678820.17708333317.7083333

10-49.8473670.19791666719.7916667

11-49.82070040.2187521.875

12-49.81958920.23958333323.9583333

13-48.25002850.26041666726.0416667

14-46.29512120.2812528.125

15-45.42391750.30208333330.2083333

16-31.0837330.32291666732.2916667

17-28.1753990.3437534.375

18-22.42169550.36458333336.4583333

19-16.35109420.38541666738.5416667

20-14.97137120.4062540.625

21-14.6756770.42708333342.7083333

22-14.24866340.44791666744.7916667

23-12.09977440.4687546.875

24-8.419427070.48958333348.9583333

25-2.746834630.51041666751.0416667

26-0.43442720.5312553.125

2716.81446190.55208333355.2083333

2817.20427640.57291666757.2916667

2920.11404490.5937559.375

3023.60293390.61458333361.4583333

3125.77515590.63541666763.5416667

3225.88432290.6562565.625

3328.34369790.67708333367.7083333

3444.45196190.69791666769.7916667

3544.70564240.7187571.875

3647.48897570.73958333373.9583333

3753.70513310.76041666776.0416667

3853.74291080.7812578.125

3953.75068860.80208333380.2083333

4055.73682290.82291666782.2916667

4161.62288840.8437584.375

4288.95432290.86458333386.4583333

43113.4955270.88541666788.5416667

44129.3928410.9062590.625

45129.3964520.92708333392.7083333

46129.4045080.94791666794.7916667

47155.9321940.9687596.875

48170.4924670.98958333398.9583333

Fig. B.1. Grfica de la probabilidad normal de residuos

Fig. B.2. Grfica de Residuos eijk vs orden kVARILLA DE ACERO

MAQUINADO Y RECTIFICADO

TRATAMIENTOS TERMICOS

RECOCIDO

NORMALIZADO

TEMPLE

REVENIDO

ENJUAGUE

PREPARACION DE LA SOLUCION A 3N

MONTAJE

MEDICIN DEL TIEMPO

PAGE 39

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