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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.2 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000200005 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°2-2005, págs.: 29-34

MATERIALES

Evaluación del Endurecimiento de Barras de Acero y de Latón en Ensayos de Tracción y de Torsión Cíclica

Evaluation of the Hardening of Steel and Brass Bars in Tension and Cyclic Torsion Tests

E.C.S. Corrêa, M.T.P. Aguilar y P.R. Cetlin
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Escola de Engenharia, UFMG,
Rua Espírito Santo Nº 35, 2º andar, 30160-030, Belo Horizonte, Minas Gerais - Brasil.


Resumen

Se ha estudiado el comportamiento mecánico de muestras de acero de bajo carbono y de latón sometidas a pruebas sucesivas de tracción y de torsión cíclica. Se han empleado los siguientes experimentos: tracción axial, torsión cíclica pura, tracción-torsión cíclica, torsión cíclica-tracción y tracción-torsión cíclica-tracción. Los efectos de las alteraciones en la dirección de la deformación han sido observados en las curvas tensión efectiva-deformación efectiva, a través del análisis del límite elástico y de la velocidad de endurecimiento de los metales. Los resultados han evidenciado la influencia de la secuencia de deformación, de las características estructurales de los materiales y de la naturaleza de los esfuerzos en el endurecimiento durante la conformación de metales.


Abstract

A study was made of the mechanical behavior of low carbon steel and brass samples submitted to sequential tensile and cyclic torsion straining. The following experiments were conducted: pure tension, pure cyclic torsion, tension-cyclic torsion, cyclic torsion-tension and tension-cyclic torsion-tension. The effects of strain path changes on the work-hardening of these metals were verified on the effective stress-effective strain curves, through the analysis of the flow stress and the strain hardening rate. The results showed the influence of the deformation sequence, of the material characteristics and of the straining nature of the materials, on the hardening behavior of metals during forming.

Keywords: cyclic straining, metal hardening, tension test, cyclic torsion test, mechanical behavior


 

INTRODUCCIÓN

El endurecimiento de metales durante la deformación cíclica ha sido investigado en diversos experimentos, asociados a ensayos mecánicos de esfuerzos alternativos y a procesos de conformado. Los resultados sugieren el desarrollo de un comportamiento mecánico anormal, caracterizado por la ocurrencia de endurecimiento a niveles más bajos y por el ablandamiento del material.

Las pruebas cíclicas de tracción/compresión en muestras de acero (Sarma y Padmanabhan, 1997), de compresión en tres direcciones y de extrusión/compresión en probetas de aluminio (Armstrong et al., 1982; Richert et al., 1988; Richert 1990; Richert et al., 1998) indicaron la obtención de un estado de tensión constante a bajas deformaciones, lo cual no se observa en operaciones de deformación monótona. El endurecimiento anormal también se ha alcanzado en experimentos de deformaciones sucesivas. Los ensayos de tracción conducidos en distintas direcciones (Wilson et al., 1983), pruebas de tracción después de la laminación o de estado plano de deformación (Wagoner y Laukonis, 1983; Doucet y Wagoner, 1989; Vieira y Fernandes, 1995), y ensayos de tracción seguidos de cizallamiento en diferentes direcciones (Peeters et al., 2001; Rauch et al., 2002; Barlat et al., 2003) exhibieron la ocurrencia de transitorios en la curva tensión-deformación y en la velocidad de endurecimiento de los metales. Los resultados de los experimentos han sido asociados a cambios en la forma en la que las dislocaciones se distribuyen y interactúan entre sí.

Se ha observado que la asociación de los efectos obtenidos durante la deformación cíclica y la deformación sucesiva podría llevar al ablandamiento del material (Armstrong et al., 1982; Coffin y Tavernelli, 1959; Lukás y Kunz, 2002), indicado a través de la disminución en la resistencia mecánica. Sin embargo, el estudio del procesamiento cíclico de muestras predeformadas ha sido efectuado, en su mayor parte, a través de ensayos de esfuerzos de la misma naturaleza, para ambas etapas de deformación.

En el presente trabajo se presenta el comportamiento mecánico de muestras de acero de bajo carbono y de latón, sometidas a pruebas sucesivas de tracción y de torsión cíclica. Los resultados obtenidos son comparados con aquellos de las pruebas de tracción axial y de torsión cíclica pura.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

En este trabajo fueron utilizadas muestras de acero de bajo carbono y de latón. Los resultados del análisis químico de los materiales se presentan en la tabla 1.

Se emplearon probetas cilíndricas con radio R = 3,10mm y longitud de medida L = 44,70mm. Las muestras fueron recocidas a 1000°C (acero) durante 20 minutos al vacío y a 600°C (latón) durante 40 minutos en horno con atmósfera de argón.

Las pruebas de tracción y de torsión se realizaron en una máquina universal MTS, con velocidad de deformación inicial de 6,3x10-2s-1. Para efecto de evitar el envejecimiento estático, las probetas de acero fueron mantenidas, entre los ensayos, a una temperatura alrededor de 5°C.

Los valores de la fuerza P y del alargamiento DL, obtenidos en las pruebas de tracción, y de momento T y ángulo q, alcanzados en los ensayos de torsión, han sido transformados en valores de tensión y deformación efectivas, como sigue (Dieter, 1988; Cetlin et al., 1993):

Tracción:

 

(1)

 

(2)

 

(3)

 

(4)

 

Con el fin de averiguar los efectos de alteraciones en la dirección de la deformación, se llevaron a cabo tres grupos de ensayos: tracción-torsión cíclica, torsión cíclica-tracción y tracción-torsión cíclica-tracción. También fueron obtenidas las curvas de tracción uniaxial y de torsión cíclica pura.

 

Tabla 1: Composición química de los materiales (% en peso).

Acero

Latón

C

0.245

Cu

61.310

Mn

0.407

Zn

35.610

Si

0.155

Sn

0.316

S

0.008

Pb

2.260

 

Respecto a las pruebas de esfuerzos alternativos, la amplitud de deformación cíclica fue alrededor de 0,015 por uno. Para el análisis de los resultados se consideraron siempre positivos los valores de deformación y de tensión alcanzados en los ensayos. En la figura 1 se muestran la representación gráfica de los resultados obtenidos durante un ciclo de torsión y el tratamiento de los mismos o montaje de la curva.

 

Fig. 1: Representación gráfica de los resultados obtenidos durante un ciclo de torsión y de la preparación de la curva tensión efectiva-deformación efectiva.

 

El trazado de las curvas de los experimentos conducidos en dos o tres ensayos, se realizó de acuerdo con la secuencia de los mismos. La figura 2 señala la distribución de la deformación a lo largo de la sección transversal de la probeta. En el ensayo de tracción se produce una distribución homogénea en la muestra, mientras la torsión genera un gradiente lineal de deformación (figura 2a). Para los experimentos de tracción seguida de torsión (figura 2b), ese gradiente no ha sido considerado en el análisis de los resultados, dado que la deformación es uniforme en la primera prueba y su valor total (deformación impuesta por la tracción sumada a la de torsión) representa precisamente la situación en el borde de la barra. Sin embargo, para el montaje de la curva de torsión-tracción (figura 2c), ha sido utilizada la deformación promedio del primer ensayo, o sea, la deformación total del diagrama representa la mitad del valor obtenido en la prueba de torsión, sumado a la deformación alcanzada en la tracción.

 


(a)


(b)


(c)

Fig. 2: Representación esquemática de la distribución de la deformación a lo largo de la sección transversal de la probeta: (a) tracción uniaxial y torsión pura, (b) tracción seguida de torsión y (c) torsión seguida de tracción.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la figura 3 se muestran las curvas tensión efectiva-deformación efectiva obtenidas en los ensayos de tracción uniaxial y torsión cíclica para las barras de acero y de latón. Para una mejor comprensión de los resultados, se presentan los resultados completos de los esfuerzos alternativos. El análisis de las curvas de tracción expone la diferencia en el comportamiento mecánico de los dos materiales en pruebas de deformación monótona. La baja velocidad de endurecimiento del acero es asociada a la ocurrencia de los procesos de recuperación dinámica, fenómeno típico de metales con estructura cristalina cúbica de cuerpo centrado. En cambio, para el latón, material con estructura cristalina cúbica de caras centradas y baja energía de falla de apilamiento, el mecanismo de deslizamiento cruzado no suele ocurrir. En consecuencia, no se observa atenuación en la inclinación de la curva tensión efectiva-deformación efectiva. Sin embargo, en las pruebas de torsión cíclica, las probetas de acero y de latón desarrollaron comportamientos similares. En ambos metales fue alcanzado un estado de tensión constante (ss ~ 330MPa para el acero y ss ~ 225MPa para el latón), conocida como tensión de saturación, que generalmente se presenta en altas deformaciones.

En las figuras 4, 5 y 6 se muestran las curvas de los materiales sometidos a deformaciones sucesivas: tracción-torsión cíclica, torsión cíclica-tracción y tracción-torsión cíclica-tracción. A los efectos de comparar posibles diferencias en el comportamiento mecánico, los resultados exhibidos en la figura 3 también están representados en esas figuras. En las figuras que siguen se indican solamente los valores asociados a los puntos de tensión máxima de los ciclos de torsión, de acuerdo a la figura 1.

El acero pretraccionado (etra ~ 0,05), en la torsión cíclica, ha exhibido un valor de límite elástico mayor que el valor de la tensión asociado a la torsión pura, para la misma deformación (figura 4a). La velocidad de endurecimiento desarrollada ha sido negativa, llevando al ablandamiento del metal. Sin embargo, la situación es transitoria y el material vuelve a alcanzar un estado de tensión constante (ss ~ 445MPa), cuyo valor es superior al obtenido en la torsión pura. Para el latón (etra ~ 0,08) (figura 4b) también se ha observado un límite elástico mayor y un estado de tensión constante (ss ~ 304MPa). En cambio, no ha ocurrido el ablandamiento del material de la probeta. Los resultados de las pruebas en ambos metales sugieren que la tensión de saturación se puede obtener para todos los experimentos en los cuales el último (o único) ensayo es la torsión cíclica. Se observa también que el proceso de esfuerzos alternativos no ha sido suficiente para eliminar los efectos de la tracción, dado que se han desarrollado valores de tensión de saturación superiores a los valores de las pruebas de torsión pura (acero: Dss ~ 115MPa, latón: Dss ~ 79MPa).

Los ensayos de torsión cíclica-tracción del acero (etor ~ 0,05) (figura 5a) indican la ocurrencia de un comportamiento mecánico contrario al obtenido en la prueba de tracción-torsión cíclica. El material presenta un límite elástico mas bajo del valor alcanzado en la tracción axial y elevada velocidad de endurecimiento, llevando la curva tensión-deformación a niveles cerca del comportamiento a tracción pura. Los resultados muestran que la aplicación de esfuerzos de tracción ha permitido la eliminación de los efectos de la torsión. En cambio, para la probeta de latón (etor ~ 0,06) (figura 5b), estos efectos son permanentes. Aunque el límite elástico esté bajo, la alta velocidad de endurecimiento del material impone que los valores de tensión se queden en cima de la curva de tracción axial. Por lo tanto, la alteración en la dirección de la deformación ha llevado a un mayor endurecimiento del metal.

En las figuras 3 a la 6 el símbolo D es torsión cíclica, o es tracción, y g es torsión cíclica/tracción

 

Fig. 3: Curvas tensión efectiva-deformación efectiva obtenidas en los ensayos de tracción uniaxial y torsión cíclica: (a) acero y (b) latón.

 

Fig. 4: Curvas tensión efectiva-deformación efectiva obtenidas en los ensayos de tracción-torsión cíclica: (a) acero y (b) latón.

 

Fig. 5: Curvas tensión efectiva-deformación efectiva obtenidas en los ensayos de torsión cíclica-tracción: (a) acero y (b) latón.

 

En la figura 6 se puede observar que, en el ensayo de tracción-torsión cíclica- tracción, las muestras de acero y de latón exhiben comportamientos mecánicos similares. Son características para los dos materiales: valores del límite elástico próximos de los obtenidos en la prueba monótona, elevada velocidad de endurecimiento y curva tensión-deformación por arriba de la curva de tracción axial. Así como ha sido observado para las demás situaciones, el latón todavía se ha presentado más sensible a los experimentos.

 

Fig. 6: Curvas tensión efectiva-deformación efectiva obtenidas en los ensayos de tracción-torsión cíclica-tracción: (a) acero y (b) latón.

 

CONCLUSIONES

A partir de los resultados mostrados, de su análisis y de su discusión, se puede obtener las siguientes conclusiones:

Los efectos de la asociación de procesos cíclicos y monótonos en el endurecimiento de los metales dependen de la secuencia de deformación, de la naturaleza de los esfuerzos y de las características estructurales de los materiales.

La tensión de saturación ha sido obtenida en las pruebas de torsión cíclica pura y de tracción-torsión cíclica para ambos los metales.

Se ha observado un comportamiento transitorio/ablandamiento durante la torsión cíclica del acero pretraccionado.

Los efectos más acentuados han sido obtenidos para las muestras de latón.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la colaboración del Profesor José María Ramón Caccioppoli por la revisión de este manuscrito, del CNPq, del PRONEX/MCT y del CDTN/CNEN.

 

REFERENCIAS

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