_ INGENIERIA MECANICA

Efectos delTRATAMIENTO

TERMICOen la Fractura de Aceros

Héctor Hernández A.Profesor Asociado, Departamento de Ingenier{a

Mecánica, Universidad Nacional

INTRODUCCION

Frecuentemente la fractura de un elementoestructural está asociada a la presencia de una

discontinuidad. Los esfuerzos límites de fracturason afectados por parámetros geométricos de ladiscontinuidad, naturaleza y tipo de carga, y propie-dades mecánicas del material.

En este trabajo se estudia el efecto del tratamientotérmico de temple-revenido de los aceros en los es-fuerzos límites de falla por fractura para carga detracción estática y carga de fatiga uniaxial del ciclosimétrico con la presencia de-una entalla severa. Paralas condiciones de ensayo empleadas en este estudio,con carga estática se encuentra que entre 32 y 43HRC, una entalla no afecta significativamente el es-fuerzo de fractura en relación con la resistencia a latracción; mientras que para una dureza de tratamien-to térmico mayor que 43 HRC, el esfuerzo nominalde fractura tiende a disminuir al aumentar la dureza.Para una carga de fatiga con entalla severa, al aumen-tar la dureza entre 32 y 54 HRC, sólo se tiene la ten-dencia a un aumento ligero del esfuerzo de fractura.En los estudios de tenacidad se encuentra que al au-mentar la dureze disminuye la tenacidad de fracturalo cual se traduce en que al aumentar la dureza dismi-nuye el tamaño de la zona de propagación de grietaspor fatiga, haciendo más difícil la detección de grietasde tamaño subcrítico.

RESUMEN

No obstante de los avances logrados en otros tipos dealeaciones, los aceros se siguen utilizando en formaextensiva en la construcción de elementos estructura-les, porque con una adecuada selección y tratamientotécnico, los aceros permiten obtener una convenientecombinación de propiedades mecánicas ante unasexigencias específicas de servicio.

La fractura en elementos de máquinas frecuentemen-te se encuentra asociada a una discontinuidad, la cualprovoca una concentración de esfuerzo, lo que puedeoriginar sitios de iniciación de una falla por fractura.La carga límite de fractura es afectada por parámetrosgeométricos, naturaleza y tipo de carga y propiedadesmecánicas del material.

La mayoría de fallas por fractura de elementos de má-quinas son fallas por fatiga; por lo general una fractu-ra por fatiga tiene lugar por una progresiva generacióny crecimiento de grietas hasta obtenerse una condi-ción crítica de fractura súbita de la sección residualresistente. Frecuentemente en una fractura por fatigase observan marcas de playa como se ilustra en laFigura 1, las cuales son evidencias de la posición delfrente de grietas antes que se alcance la condición defractura súbita final.

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Figura 1. Marcas de playa en fractura por fatiga decigueñal.

En este trabajo se muestra como el tratamiento térmi-co de temple y revenido de los aceros afecta el esfuer-zo límite de falla por fractura para carga de tracciónestática y carga de fatiga uniaxial con la presencia deuna entalla severa. También se estudia el efecto deltratamiento térmico en la tenacidad de fractura, pro-piedad que cuantifica la resistencia al crecimientosúbito de una grieta bajo carga estática.

DISCONTINUIDADES EN LA RESISTENCIA A LAFRACTURA

Frecuentemente en elementos estructurales se en-cuentra discontinuidades las cuales conducen a un es-tado complejo de esfuerzos cerca de la discontinuidadcon esfuerzos locales altos, donde justamente se pue-de iniciar un fractura, Figura 2.

t t

Para el caso considerado en Figura 2, se demuestraque el esfuerzo elástico máximo-en los extremos deleje mayor de la discontinuidad es dado por:

(1 )

Donde a esfuerzo máximo en los extremos delmax eje mayor

an = esfuerzo nominal aplicadoa = semieje mayorr = radio de curvatura en los extremos de la

perforación.

Se define como factor elástico de concentración deesfuerzo Kt a la relación entre el esfuerzo eláctico má-ximo y el esfuerzo nominal en la sección neta, Kt =amax/an' Donde el esfuerzo nominal se caulculasin tener en cuenta el efecto de concentración de es-fuerzo.

Los esfuerzos entorno de una discontinuidad pudenser de tal magnitud que provoquen una deformaciónplástica produciéndose una redistribución de esfuerzocomo se ilustra en la Figura 2. (b). Entonces en lo queconcierne a una falla por fractura por carga estática lacarga límite de falla es influenciada tanto por la geo-metría de la discóntinuidad como por comportamien-to de material. Para un material que ofrezca un com-portamiento dúctil se puede presentar una redistribu-ción conveniente de esfuerzos por deformación plás-tica tal que la carga de falla solo se vea afectada en

t (J ty

~/Zona plástica

Figura 2. Ilustración esquemática de: (a) distribución de esfuerzos elásticos enuna placa delgada infinita con una perforación elíptica sometida a unacarga simple de tracción, (b) redistribución del esfuerzo ay por defor-mación plástica.

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una rrururna proporcion en relación con la carga defalla libre de discontinuidades; en cambio con unmaterial con comportamiento frágil la presencia deuna discontinuidad puede reducir ostensiblemente lacarga de falla.

El tipo de carga también influye en el efecto de unadiscontinuidad en la carga de falla por fractura, así escorno con una carga de fatiga aún con un materialdúctil la carga de falla se puede reducir significativa-mente por la presencia de una discontinuidad.

Para cuando se presenta una discontinuidad tipogrieta en aceros de alta resistencia el esfuerzo nomi-nal de falla por crecimiento súbito de grieta, usual-mente es controlado por la tenacidad de fractura detal manera que:

Donde Kc= tenacidad de fracturaa = tamaño de grietay = factor adimensional que depende de

parámetros geométricos, forma y tama-ño de grieta.

of = esfuerzo nominal remoto de falla

PROPIEDADES MECANICAS EN LA RESISTEN-CIA DE FRACTURA

En general se sabe que en los aceros para maquinariase pueden modificar las propiedades mecánicas me-diante el tratamiento térmico de temple-revenido. Entérminos generales se encuentra que al aumentar losniveles de resistencia a carga estática dismi nuye la ca-pacidad de deformación plástica, de tal forma quecuando se tiene la presencia de una discontinuidad unaumento de resistencia no necesariamente conduce aun aumento de capacidad de soporte de carga ante lafalla por fractura por carga estática.

Con una carga de fatiga se puede presentar una frac-tu ra con un esfuerzo fluctuante menor que la resisten-cia última o resistencia a fluencia bajo carga estática.En aceros de temple revenido se encuentra que laresistencia a la fractura por fatiga con la presenciade una entalla no severa tiende a reducirse por unfactor igual al factor elástico de concentración deesfuerzo respecto a la resistencia a la fatiga sinpresencia de discontinuidades.

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En general en los aceros comunes de temple-revenidose ha observado una relación inversa entre la tenaci-dad de fractura y la resistencia a la tracción. Para me-jorar simu Itáneamente estas dos propiedades se en-cuentra que se debe reducir el contenido de elemen-tos que reducen la tenacidad tal como el azufre enlos aceros o con un refinamiento m icroestructura 1,con el cual se encuentra que aumenta tanto la tena-cidad como los niveles nominales de resistencia.

ENSA YOS DE FRA CTURA

Para estudiar la influencia del tratamiento térmico deun acero en la resistencia a la fractura ante carga está-tica y carga de fatiga cuando está presenta una discon-tinuidad se han realizado ensayos de fractura en ba-rras de sección circular con una discontinuidad en for-ma de entalla severa tipo tringular, Figura 5, para lacual se encuentra un factor teórico de concentraciónde esfuerzo 4.5.

Como material de trabajo se seleccióno el acero AISI4140 de fabricación nacional y de uso masivo en laconstrucción de elementos de máquinas. Se maquina-ron las probetas por métodos convencinales y se so-metieron al tratamiento térmico de temple en bañode sales a una temperatura de 8400C con un tiempode sostenimiento de 12 minutos y luego se templaronen aceite, enseguida se sometieron al tratamiento derevenido a las temperaturas indicadas en la tabla 1 porun tiempo de dos (2) horas.

Figura 3. Montaje de ensayos de fatiga. Una masaexcéntrica que gi ra a 1800 rpm genera enla probeta una fuerza cíclica sinusoidal.

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Se realizaron los ensayos de fractura a carga estáticade tracción y a carga de fatiga uniaxial de ciclo si-métrico para una vida de 106 ciclos de esfuerzo ob-teniéndose los resu Itados consignados en la Tabla 1.La resistencia a la fractura se cuantifica como el es-fuerzo nominal de falla en el núcleo de la entalla,G F/ A, donde F es la fuerza de falla y A es elárea de la sección transversal en el núcleo de laentalla.

Esfuerzo nominal de fracturaTempera- Dureza CarliJél Carga de fatiga paratura reve- estática una vida de 106 ciclosOc HRC kgf/mm2 kgf/mm2

Figura 4. Probetade ensayo de tenacidad. Se obser-va de izquierda a derecha entalla, grieta

200 54 37, 39 11, 14, 19 de fatiga y crecimiento de grieta en el en-

250 53 43 sayo de tenacidad de fractura.

300 50 47 11.5, 14, 23320 48 72 TABLA 2. Tenacidad de fractura en relación con la ternperatu-350 47 101, 134 ra de revenido de acero AISI 4140. Temperatura de400 47 58 io. lO, 12.5 temple = 840oC.450 43 163, 160480 42 160 Temperatura Dureza Resistencia Tenacidad Tamaño500 42 101, 134 de revenido a tracción de fractu- crítico de

520 40 147 10.2, 11.5, 11.5 ra, KIC grieta, ac550 37 156 16.5, 16.5, 17.8 Oc HRC Gu' kgf/rnm

2kgty!Tiñl mm600 38 150 mm2

650 33 136, 126 11.4, 8.9, 10.2Entreqa!") 32 135 12.7, 11.4, 14 200 53 188 136 4.2Entrega(*) 30 11.8, 10.2, 10.2 300 49 167 148 6.2

350 45 153 154 8.1400 40 130 214 21.6

TABLA 1. Esfuerzo nominal de fractura en sección reducida Entrega 31 102 262 52.5(*) Bonificado.

También se realizaron ensayos de tenacidad de frac-tura siguiendo el procedimiento recomendado por lanorma ASTM E-399 y cumpliendo con los requeri-mientos de tenacidad de fractura para deformaciónplana. Se empleo una probeta de forma de disco com-pacto con entalla aguda a partir de la cual se generauna grieta por fatiga, Figura 4. Luego cada probeta,una vez tratada termicamente, se somete a una cargade tracción progresivamente creciente hasta obtenerla carga iniciación de crecimiento de grieta a partirde la cual se calcula la tenacidad de fractura KIC . Enla tabla 2 se dan los valores de tenacidad de fracturaencontrados experimentalmente, como también eltamaño crítico de grieta de falla por crecimiento súbi-to de grieta calculado a partir de la ecuación (2) paray = LO, KC KIC y un esfuerzo aplicado deGf = 0.2ou, donde Gá es la resistencia a la tracción.

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DISCUSION DE RESULTADOS

En la Figura 5 se presentan los resultados experimen-tales en forma gráfica con el fin de facilitar un análisisgeneral. En esta figura se presenta en el eje de las abs-cisas la dureza de tratamiento térmico y en el eje delas ordenadas la resistencia a la fractura calculadocomo el esfuerzo nominal de fractura en el núcleo dela entalla.

En general se observa que la resistencia a la fracturapor carga estática es mayor que la resistencia a lafractura por carga fluctuante de fatiga. La fracturacon carga estática es repentina una vez que se aplicala carga crítica de falla, mientras que la fractura porfatiga tiene lugar bajo carga cíclica sostenida despuésde 106 ciclos de esfuerzo.

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160

140

120

"EE 80 O;¡¡.~~au

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20~ F

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»:•30 40

Dure ... HRC

•

60

Figura 5. Efecto de la dureza de tratamiento tér-mico en la resistencia a la fractura. Radiode raíz de entalla = 0,2 mm.

La resistencia a la fractura por fatiga solo tiende a au-mentar ligeramente con el aumento de dureza de tem-ple-revenido. Este comportamiento se considera quese debe a que la discontinuidad por ser una entallaparticularmente aguda, al aumentar la dureza aumen-ta la reducción de la resistencia a la fatiga por la pre-sencia de la discontinuidad, esto conduce a reducir elaumento de la resistencia a la fatiga del material quese puede obtener por el aumento de dureza.

Para carga estática se observa dos intervalos de durezade comportamiento diferente: (a) entre 32 y 43 HRCse cuentra que al aumentar la dureza y en efecto alaumentar la resistencia a la tracción del acero, aumen-ta la resistencia a la fractura, (b) entre 43 y 54 HRCse observa que al aumentar la dureza tiende a dismi-nuir la resistencia a la fractura. Este comportamientose considera que se debe a que en el caso (a) el mate-rial tiene suficiente capacidad de deformación plásticapara lograr una más conveniente distribución de es-

fuerzos antes de la fractura, mientras que, en el caso(b) la reducción de la ductilidad al aumentar la dure-za, es tal que se reduce el relevo de los picos de es-fuerzo por deformación plástica, lo que se traduce enuna calda de esfuerzo de rotura al aumentar la dureza.

Tanto con carga estática como con carga de fatiga seobserva una dispersión significativa del esfuerzo defractura respecto a la dureza, se considera que esto sedebe a variaciones tanto de detalles metalúrgicos ygeométricos como de alineamiento de carga.

En la tabla 2 se observa que al aumentar la dureza detratamiento térmico disminuye la tenacidad de frac-tura disminuyendo el tamaño crítico de grieta de fallapor crecimiento súbito e inestable de grieta, es decirque el acero se hace menos tolerante a la presencia dedefectos tipos grieta, entonces en el caso de una frac-tura por fatiga la zona de crecimiento estable de grie-ta para una dureza baja es mayor que para una durezaalta, lo cual se traduce en que para una dureza baja esmás fácil detectar una grieta antes que ésta alcance eltamaño crítico de fractura súbita final.

Los niveles mayores de resistencia a la fractura en losensayos a carga estática se encuentran aproximada-mente entre 39 y 43 HRC, Figura 5. Es interesanteobservar que según norma ASTM de pernos y torni-llos, el grado de mayor resistencia, ASTM A574, es-pecifica una dureza en el núcleo entre 39 y 45 HRC.

Figura 6. Fractura por fatiga de perno de aceroAISI 4140 con dureza 31 HRC. Se ob-serva una zona suave de crecimiento es-table de grieta considerable.

CONCLUSIONES

En este trabajo se muestra que el efecto de una dis-continuidad en la resistencia a la fractura es influen-

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ciado tanto por el tipo de carga como por las propie-dades mecánicas del material, las cuales en los acerosson controladas por tratamiento térmico.

Para todos los valores de dureza de tratamiento térmi-co seencuentra que la resistencia a la fractura por car-ga de fatiga es menor que la resistencia a la fracturapor carga estática, este evento es consistente con elhecho que frecuentemente las fracturas en elementosde máquinas tiene lugar por fatiga. Con una carga defatiga aún con un esfuerzo nominal relativamente ba-jo se puede presentar una falla por fractura, de aquíque en las fracturas por fatiga de servicio usualmentese presente una zona de propagación subcrítica degrietas.

En los ensayos de fatiga en este trabajo se ha tomadocomo vida de referencia 106 ciclos, para una vida ma-yor podría bajar aún más el esfuerzo de falla. Por otraparte se ha usado como discontinuidad una entallaaguda, para entallas menos severasse espera que au-mente la resistencia a la fractura por fatiga.

Un acero puede tener la suficiente ductilidad para queuna discontinuidad no reduzca significativamente laresistencia a la fractura estática, pero cuando el aceroofrece un comportamiento frágil (alta dureza) lapresencia de una discontinuidad reduce ostensible-mente la resistencia a la fractura estática.

Para un acero de alta resistencia al aumentar ladureza de tratamiento térmico de temple-revenido,disminuye la tenacidad de fractura disminuyendoel tamaño de grieta crítico de fractura súbita final,lo cual puede hacer más difícil la detección de unagrieta de tamaño subcrítico.

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