COMPORTAMIENTO EN FRACTURA DE MUESTRAS PRISMÁTICAS ENTALLADAS DE ACERO PERLÍTICO TREFILADO SOMETIDAS A SOLICITACIONES DE FLEXIÓN

R. Rodríguez, F. J. Ayaso y J. Toribio.

Ingeniería de Materiales, Universidad de Salamanca E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo 33, 49022 Zamora

Correo-e: rociorg@usal.es

RESUMEN

El presente artículo se centra en el estudio del comportamiento mecánico, y en fractura, de muestras prismáticas entalladas de acero perlítico trefilado sometidas a solicitaciones de flexión en cuatro puntos. Se han estudiado dos tipos de entallas que poseen diferentes radios de curvatura, lo cual permite estudiar el comportamiento mecánico y en fractura bajo distinto grado de constreñimiento tenso-deformacional. Los materiales objeto de estudio son alambres perlíticos procedentes de una cadena real de trefilado con distinto grado de trefilado, analizándose desde el alambrón inicial hasta el alambre de pretensado comercial incluyendo dos pasos intermedios del proceso.

ABSTRACT

This paper is focused on the study of the mechanical and fracture behaviour of notched prismatic samples made of pearlitic steel subjected to four point bending tests. Two types of notched samples with different curvature radius were studied, thus allowing the analysis of the mechanical and fracture behaviour under different degrees of stress and strain constraint. The materials used in this work were pearlític steel wires taken from a real cold drawing chain covering from the initial product (hot rolled bar) to the final product (prestressing steel wire) including two intermediate steps of the cold drawing (manufacturing) chain. PALABRAS CLAVE: Acero perlítico trefilado, Flexión cuatro puntos, Triaxialidad tensional, Fractografía. 1. INTRODUCCIÓN El trefilado produce cambios microestructurales en el acero tales como la re-orientación de las colonias de perlita y de las láminas que las conforman en la dirección del eje longitudinal del alambre, así como una disminución progresiva del espaciado ínterlaminar y un aumento en la esbeltez de las colonias [1, 2]. Cabe destacar la existencia de pseudocolonias perlíticas cuyas láminas no se han orientado en la dirección del proceso de trefilado, las cuales presentan un espaciado ínterlaminar anómalo, de un valor mucho mayor que el resto de la microestructura [3, 4]. En un trabajo previo [5] se analizó el comportamiento localmente anisótropo en fractura de probetas entalladas con simetría de revolución de aceros progresivamente trefilados; obteniendo por un lado la influencia de la delaminación microestructural previa a la generación de la zona de proceso de fractura (ZPF), y por otro lado la influencia tanto del cambio micro-estructural como de los micro-defectos generados por el propio proceso de trefilado. Deben mencionarse también estudios sobre el comportamiento localmente anisótropo en fractura de aceros perlíticos trefilados prefisurados por fatiga [6], a

Cabe señalar estudios el estudio [7] en el cual se formula un criterio de fractura basado en la deformación máxima y en la influencia del radio de curvatura en los procesos de fractura de probetas de acero sometidas a ensayos de flexión en cuatro puntos. El presente artículo se centra en el comportamiento de probetas prismáticas entalladas sometidas a ensayos de flexión en cuatro puntos. Las entallas analizadas poseen distintos radios de curvatura e igual profundidad, lo cual permite estudiar el comportamiento mecánico y en fractura bajo distinto grado de constreñimiento tenso-deformacional. Las probetas fueron obtenidas mediante mecanizado a partir de alambres procedentes de una cadena real de trefilado. El estudio se centra en el alambrón inicial sin trefilar (deformación plástica previa nula), dos pasos intermedios (grado de deformación plástica medio) y el producto final o acero de pretensado comercial (grado de deformación plástica elevado). El estudio se completa con un examen fractográfico mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) así como de análisis de imagen, con el programa informático AnaliSIS©, i.e., fractografía cualitativa y cuantitativa.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se ha empleado acero perlítico eutectoide perteneciente a una cadena real de trefilado formada por siete hileras de trefilar. Las probetas entalladas se han mecanizado a partir del alambrón inicial, dos pasos intermedios y el alambre de pretensado comercial. La nomenclatura utilizada para identificar las probetas estudiadas consta de una letra (en este caso acero tipo E), que identifica la composición del acero (Tabla 1), y de un número representativo del paso de trefilado al que pertenece el alambre en cuestión: 0 para el alambrón inicial, 7 para el producto final, y 3 y 4 para los alambres correspon-dientes a los dos pasos intermedios analizados. Las propiedades mecánicas más representativas para cada uno de los materiales estudiados se dan en la Tabla 2.

Tabla 1. Composición Química del Acero E (%).

C Mn Si P S Al Cr V

0.79 0.68 0.21 0.01 0.01 0.003 0.22 0.06

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero tipo E.

Acero

φ (mm) E

(GPa) σY

(GPa) σR

(GPa) εP

acum (%)

E0

11.03 199 0.72 1.23 0.00

E3

8.21 192 0.93 1.41 0.59

E4

7.49 196 1.02 1.50 0.78

E7

5.04 208 1.49 1.83 1.57 En el presente estudio se han utilizado probetas prismáticas entalladas con las geometrías mostradas en la Figura 1 y mecanizadas a partir de los alambres señalados en la Tabla 2. Las probetas de tipo PA poseen un radio de curvatura menor que las de tipo PC, por el contrario ambas poseen una relación semejante entre la profundidad y el diámetro del alambre del cual proceden. Cada entalla ha sido mecanizada manteniendo constantes las siguientes relaciones: B/φ = 0.375, W/φ = 0.75; C/φ = 0.14, R/φ = 0.05 (para las probetas PA) y R/φ = 0.55 (para las probetas PC); siendo C la profundidad de la entalla, R el radio de curvatura, B el espesor de la probeta, W la anchura de la misma y φ el diámetro del alambre a partir del cual se mecanizan las distintas probetas estudiadas. Ambos tipos de muestras entalladas han sido sometidas a ensayos bajo solicitación de flexión por cuatro puntos. Dichos ensayos se han realizado bajo control de velocidad de desplazamiento del actuador de la máquina de ensayo (control de desplazamiento), siendo de 0.01 mm/s en las probetas de tipo PA y de 0.025 mm/s en las probetas de tipo PC. El alargamiento en las proximidades de la entalla se ha medido con la ayuda de un extensómetro del tipo COD acoplado en las proximidades de la entalla, tal y como se indica en la

Figura 2. La distancia entre los apoyos inferiores del utillaje de flexión es de 80 mm, mientras que la distancia entre los apoyos superiores (carga aplicada F) es de 25 mm. La distancia inicial ó base inicial de medida del extensómetro es de 12 mm.

PA PC

Figura 1. Esquema de las probetas con geometrías de entalla PA y PC.

Figura 2. Disposición del ensayo bajo solicitación de flexión por cuatro puntos.

3. RESULTADOS 3.1. Curvas carga-desplazamiento. Tras la realización de los ensayos de flexión por cuatro puntos se han obtenido las curvas carga-desplazamiento (curvas F-u), las cuales se muestran en la Figura 3. En las curvas F-u obtenidas, para cada tipo de entalla y paso del proceso de trefilado estudiado, se observa una disminución en el desplazamiento registrado por el extensómetro en función del grado de trefilado para ambos tipos de entalla. A su vez, se puede observar como las probetas de tipo PC (gran radio de curvatura) experimentan mayores desplazamientos. Esto se debe a que estas entallas son capaces de soportar mayores deformaciones que en el caso de las probetas tipo PA (pequeño radio de curvatura).

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10

PA0PA3PA4PA7

F (k

N)

u (mm) (a)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10

PC0PC3PC4PC7

F (k

N)

u (mm) (b)

Figura 3. Curvas F-u resultantes de los ensayos de flexión: (a) probetas tipo PA, (b) probetas tipo PC.

A partir del análisis de las curvas F-u se ha obtenido el momento flector máximo Mfmáx=F·(L–D)/4, siendo Fmáx la carga máxima aplicada durante los ensayos, L la longitud entre apoyos inferiores y D la distancia entre los apoyos superiores. Los resultados se muestran en la Tabla 3; se observa que los valores más elevados se corresponden con las probetas del tipo PC (gran radio de curvatura) gracias a que éstas soportan mayor Fmáx. Tabla 3. Valores de Mfmáx para las probetas PA y PC.

Mfmax PA (kN mm)

Mfmax PC (kN mm)

E0 62.93 73.36 E3 29.37 35.58 E4 23.39 25.46 E7 7.27 9.60

3.2. Análisis fractográfíco

Las probetas ensayadas se han llevado hasta la fractura final por separación total de superficies y posterior-mente se han examinado sus superficies de fractura en el MEB. En el análisis de las distintas superficies de fractura se pueden distinguir tres zonas comunes en

ambos tipos de probetas entalladas, Figura 4: zona de proceso de fractura (ZPF), zona intermedia (ZINT) y corona exterior (CE). La fractura se inicia en la ZPF y se propaga atravesando la probeta (ZINT) hasta alcanzar la parte de la misma opuesta a la ubicación de la entalla. La presencia de mayor o menor labio dúctil, a modo de corona exterior es función de la probeta considerada. En todas las probetas analizadas la corona exterior está formada por crecimiento y coalescencia de microhuecos (CMH), la ZPF constituida por CMH de gran tamaño (CMH*) y la ZINT formada por clivaje (C). En cuanto a la zona de propagación de la fractura ó zona intermedia (ZINT) se observa que la presencia de clivaje es máxima para las probetas mecanizadas a partir del alambrón inicial (PA0 y PC0) y mínima en aquellas mecanizadas a partir del alambre de pretensado ó producto final del proceso de trefilado (PA7 y PC7). La merma en la presencia del la fractura por clivaje se compensa con la presencia cada vez más notoria de la fractura por CMH.

(a)

(b)

(c)

Figura 4. Superficie de fractura de las probetas; (a) corona exterior (CE), (b) zona intermedia (ZINT ) y (c)

zona de proceso de fractura (ZPF).

La Figura 5 muestra las superficies de fractura de las probetas entalladas estudiadas. La zona de CE aparece principalmente en los bordes anexos a la entalla, encontrándose además unida a la propia entalla (paralela a la misma) en las probetas PC. La zona de proceso de fractura ZPF muestra una disminución del tamaño de los microhuecos CMH* a medida que aumenta el grado de trefilado del cual procede la probeta (véase la Figura 6).

CEZPF

Z INT

CEZPF

Z INT

PA0 PC0

PA3 PC3

PA4 PC4

PA7 PC7

Figura 5. Probetas entalladas fracturadas.

(a) PA0

(b) PA7

Figura 6. Fractura por CMH*: probetas procedentes del alambrón (a) y del alambre de pretensado (b).

Para comparar del comportamiento en fractura de ambos tipos de probetas entalladas se han medido las áreas de las diferentes zonas de la superficie de fractura de forma adimensional, teniendo en cuenta la relación A/AS, siendo A el área de cada zona medida y AS el área de la superficie de fractura de cada probeta.

0

0.5

1

1.5

2

CEPA

ZPFPA

ZINT PA

CE PC

ZPFPC

ZINT PC

A/A

s

E0 E3 E4 E7 Figura 7. Evolución (adimensional) de las distintas

zonas fractográfícas existentes.

En ambos tipos de probetas entalladas se observa un comportamiento análogo en cuanto a la tendencia decreciente de la ZINT y la tendencia creciente del área del labio dúctil (CE) a medida que avanza el proceso de trefilado. La excepción, para ambos tipos de probetas, se encuentra en aquellas que provienen del alambre de pretensado comercial (PA7 y PC7), las cuales presentan una tendencia contraria a la anteriormente citada, esto se puede deber al tratamiento termo-mecánico posterior (Stelmor) al cual ha sido sometido el material base. Ambos tipos de probetas muestran una pequeña variación, aunque creciente, del área de la ZPF.

3.3 Análisis de la fractura anisótropa El acero analizado, en forma de probetas prismáticas entalladas, puede presentar dos tipos de fractura: isótropa, en la cual la superficie de rotura está contenida en un plano transversal al eje longitudinal; anisótropa en la cual la superficie de fractura presenta multitud de irregularidades (crestas y valles). Las probetas PA y PC muestran fracturas localmente anisótropas en aquellas mecanizadas a partir de los últimos pasos del proceso de trefilado, como se observa en la Figura 8. Este efecto aparece en las probetas mecanizadas a partir del cuarto y último paso del proceso de trefilado en las de tipo PA (PA4-PA7). Sin embargo, las probetas tipo PC muestran este comportamiento anisótropo en fractura únicamente en el aquellas pertenecientes al último paso del proceso de trefilado PC7 (en las PC4 se produce una deflexión del camino de fractura despreciable).

PA4 PA7

PC4 PC7

Figura 8. Comportamiento anisótropo en fractura de las PA y PC: vista en perfil de la fractura.

Para cuantificar de alguna manera el estudio de la deflexión del camino de fractura, se ha realizado primero la medida del ligamento resistente b seguida de la de la altura máxima h, siendo ésta la vertical desde el centro de entalla (fondo de la entalla) hasta el punto más alto de la superficie anisótropa de fractura, según el esquema de la Figura 9. De esta forma se obtiene el parámetro adimensional h/b, Tabla 4.

Figura. 9. Esquema de la medida de la deflexión del

camino de fractura: fractura anisótropa.

Tabla 4. Medida de la deflexión del camino de fractura.

PA3 PA4 PA7 PC4 PC7 h/b 0.67 0.77 2.25 0.36 1.38

En las paredes verticales de la superficie de fractura de aquellas probetas que presentan un comportamiento anisótropo se observan clivajes elongados en la dirección principal de la probeta (eje longitudinal del correspondiente alambre de acero a partir del cual han sido mecanizadas). Dicha orientación es más acusada en las probetas de los alambres pertenecientes al último paso del proceso de trefilado (Figura 10). Ambos tipos de probetas presentan CMH más elongados, esta apariencia es tanto más acusada cuanto mayor es el grado de trefilado al cual pertenece el alambre empleado para mecanizar las correspondientes probetas, y esto ocurre tanto en la ZPF como en la CE.

PA4

PA7

Figura 10. Clivaje en las superficies de fractura de las paredes verticales de las probetas PA4 y PA7.

4. DISCUSIÓN En las probetas de tipo PA se observa un menor alargamiento previo a rotura en comparación con las de tipo PC, lo cual es provocado por el menor radio de curvatura que presentan las primeras, i.e., cuanto menor es el radio de curvatura menor grado de deformación plástica previa a rotura es capaz de soportar la probeta en particular. Este hecho se ve reflejado en el estudio fractográfico, las probetas entalladas tipo PA muestran una zona de fractura por clivaje mayor en la ZINT de la superficie de fractura, evidenciando un comportamiento de tipo frágil. Las probetas entalladas tipo PC, capaces de admitir deformaciones mayores previas a rotura, presentan una menor zona de fractura por clivaje en la ZINT de sus superficies de fractura.

En cuanto a las variaciones de área de las distintas zonas de la superficie de fractura (ZPF, ZINT y CE), los dos tipos de probetas analizados, PA y PC, presentan tendencias similares; incremento de CE y disminución de ZINT a medida que avanza el proceso de trefilado, a excepción del último paso del proceso de trefilado debido al tratamiento termo-mecánico (Stelmor) al que ha sido sometido. El menor tamaño de CMH en la ZPF y CE, así como la mayor elongación de los clivajes en la ZINT a medida que aumenta el proceso de trefilado, está asociada a los cambios micro-estructurales que se producen en el proceso de trefilado; disminución del espaciado interlaminar, orientación de las colonias y láminas de perlita y aumento de la esbeltez de las colonias a favor de la dirección del proceso. En las probetas entalladas sometidas a ensayos de flexión por cuatro puntos se producen concentraciones de tensiones en las proximidades de la entalla que dependen del radio de curvatura. Por este motivo, en las probetas de tipo PA, con un menor radio de curvatura, se produce una mayor concentración de tensiones en el fondo de la entalla, lo cual puede explicar el aumento del comportamiento frágil en la rotura de las probetas mecanizadas con este tipo de entalla tal como se ha comentado anteriormente. Además, el hecho de que se genere una mayor concentración de tensiones en el fondo de la entalla en las probetas con menor radio de curvatura tiene influencia en la fractura localmente anisótropa, haciendo que ésta se presente de forma más temprana y acusada en las probetas procedentes de los alambres pertenecientes a los últimos pasos del proceso. 5. CONCLUSIONES Las probetas entalladas con menor radio de curvatura producen una mayor concentración de tensiones, la cual conlleva una fractura más frágil, acompañada de una mayor presencia de clivajes en la ZINT. La variación del área para las diferentes zonas de la superficie de fractura, presentes en ambos tipos de probetas entalladas sometidas a solicitaciones de flexión, es independiente del radio de curvatura. La mayor concentración de tensiones (producida por un menor radio de curvatura de entalla) potencia la fractura localmente anisótropa (que de por sí tiene el acero trefilado debido a los cambios microestructurales que experimenta en el proceso de conformado), haciendo que aparezca en alambres procedentes de pasos de trefilado inferiores y produciendo mayor deflexión del camino de fractura para entallas de pequeño radio.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean hacer constar su agradecimiento a las siguientes instituciones: MCYT (MAT2002-01831), MEC (BIA2005-08965), MICINN (BIA2008-06810 y BIA2011-27870), JCYL (SA067A05, SA111A07 y SA039A08). Además, agradecen el suministro de acero por parte de las empresas TREFILERÍAS QUIJANO (Cantabria) y EMESA TREFILERÍA (La Coruña).

REFERENCIAS

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[3] Toribio, J., Ovejero, E. and Toledano, M., Microstructural bases of anisotropic fracture behaviour of heavily drawn steel. Int. J. Fract., 87, L83-L88, 1997.

[4] Toribio, J., Ovejero, E., Ayaso, F. J. y Rodríguez, R., Identificación de nuevas unidades micro-estructurales en aceros eutectoides trefilados, 5º Jornadas Internacionales de Materialografía y Caracterización Microestructural, San Sebastian, CD-ROM, 2008.

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