Universidad Nacional de TrujilloEscuela: Ingeniería Metalúrgica

Tesis:

“Efecto de la temperatura de recocido en el comportamiento de termofluencia de un

acero AISI 1045 sobre el tiempo de ruptura sometido a temperatura y tensión

constante”

Integrantes:

Luis H. Hernández Vásquez

Gleny Janet Pérez Yrene

INTRODUCCIÓN En el Perú el uso de altas temperatura en las industrias: Industrias químicas,

refinería del petróleo, centrales térmicas de energía industrial, turbinas de gas, motores de reacción, etc. han impulsado el desarrollo de materiales que conservan las propiedades a altas temperaturas bajo la acción de esfuerzos inferiores a la tensión de fluencia por largos periodos de tiempo, y también toda la vida para la cual fueron proyectadas.

Las temperaturas afectan las propiedades mecánicas de los metales, la movilidad de los átomos (dislocaciones) aumenta rápidamente y las propiedades se modifican significativamente.

Los movimientos de los átomos inducen una deformación muy lenta llamada termofluencia, que provocan fallas que pueden ser catastróficas.

El tamaño de grano de un material influye en termofluencia, un material de grano grueso es más resistente a la ruptura por termofluencia, debido a que hay mayor espacio para que las dislocaciones formadas por temperaturas y esfuerzos altos pueden movilizarse fácilmente sin encontrar muchos obstáculos (límites de grano).

La termofluencia es causada por el movimiento de las dislocaciones, la cuales ascienden en la estructura cristalina a causa de la difusión, la dislocación se mueve perpendicularmente a su plano de deslizamiento.

ANTECEDENTES Correa, A. y Valiente, W. (2001).

Demostraron que la tensión influye en el tiempo a la rotura siendo los valores de 20000Psi (2,31h), 15000(5,022h),10000(14,20h)y 5000(131,86h).

Salvador - De la Cruz (2007). En su investigación de la tensión en termofluencia del acero Inoxidable AISI 304 concluye: que el parámetro Larson Miller para este acero obedece a la siguiente ecuación: T(log t+19)x103/ºK-h y que la velocidad de deformación obedece a la siguiente expresión: εs = 3.1484 x 10-11σ 2.5253.

Lopez, J. y Carbonell, R. (2001). Afirma que a medida que aumentan la temperatura de austenización aumenta el tamaño de grano y la templabilidad siendo los valores finales siguientes: a 1000ºC tamaño de grano 4; 950ºC tamaño de grano 5; 900ºC tamaño de grano 6; 850ºC tamaño de grano 7.

Alcántara, R. y Rios, E. (2001). Demostraron que al incrementar la temperatura se reduce el tiempo de rotura de 172 h con 650 ºC a 0.159 h con 800 ºC e incrementa la rapidez de termofluencia de 1,598x10-2%/h a 36,8%/h.

Martínez L. (1983). En su investigación concluye: Que el modelo de fractura de metales por crecimiento difusivo de cavidades intergranulares supone las cavidades crecen en forma de grietas que se propagan a lo largo de las fronteras de grano debido a un balance energético del proceso y de la continuidad de flujo atómico, y que la termofluencia es causada por proceso difusivo que son térmicamente activados.

MARCO TEÓRICO Aceros: Se denomina acero a la aleación de hierro con carbono y otros elementos,

con un contenido de carbono hasta 2.06%C. • Aceros Hipoeutectoides. • Aceros Eutectoides. • Aceros Hipereutectoides.• La reacción eutectoide es fundamental en el estudio de los aceros, ésta ocurre a 723

ºC y 0.8% C

Termofluencia:La termofluencia se define como la deformación permanente y dependiente del tiempo cuando son sometidos a una tensión constante.

• Los movimientos de los átomos inducen una deformación muy lenta, (termofluencia), si el material está sometido a esfuerzos. Esta deformación termina por causar problemas dimensionales en la estructura o componente, lo cual provoca un mal funcionamiento o falla.

• La termofluencia es la deformación plástica que puede sufrir un material a temperatura elevada y durante periodos largo de tiempos, aún cuando el esfuerzo aplicado sea menor que su resistencia a la fluencia. La termofluencia es causada por el movimiento de las dislocaciones, las cuales ascienden por difusión en la estructura cristalina

Ensayo de Termofluencia:

• Para determinar el comportamiento de un material se aplica una carga axial constante, normalmente en forma de tensión a una probeta cilíndrica de material.

• Se mide la deformación por termofluencia con el tiempo y se registra el tiempo para la ruptura o fractura, habitualmente los ensayos sobre un material dado se llevan a cabo diversas temperaturas, esfuerzos y la duración de los ensayos puede ir desde menos de un minuto hasta más de un año, o varios años.

•CURVA DE TERMOFLUENCIA :

El gráfico: Muestra una curva deformación por termofluencia o respuesta de comportamiento de deformación. Al someter al material a una carga (esfuerzo), la respuesta inmediata es una deformación instantánea εo, que puede ser elástica o plástica (incluida una parte elástica); se compone de tres regiones, que tiene como base la razón de cambio de deformación.

La primera región de ε0 a ε1, se describe como la termofluencia primaria y se caracteriza por una pendiente o velocidad de deformación inicial muy grande, que después disminuye de manera gradual hasta ε1, ocurre debido a una transformación de la microestructura y al reacomodo de la subestructura de dislocaciones y vacancias inicial en el material.

La segunda región de ε1 a ε2, se le conoce como

termofluencia secundaria o estacionaria y se caracteriza por una pendiente constante o velocidad de deformación constante, aquí el equilibrio alcanzado entre los mecanismos de dislocación y vacancias y mecanismos de aniquilación de dislocaciones, llevan a una velocidad de deformación constante.

 La tercera región de ε2 a εr, denominada

termofluencia terciaria o inestable, se caracteriza por una pendiente o velocidad de deformación creciente hasta que el material se fractura en εr se llama tiempo

de ruptura; en la última región, la deformación se localiza y el espécimen se adelgaza como en el ensayo de tensión o bien se forma cavidades en su interior o pueden ocurrir ambos casos, aquí ocurre un daño severo en los límites de grano. Este diseño consiste en la formación de cavidades que al crecer e interconectarse provoca la fractura intergranular del material

Mecanismos de termofluencia• El movimiento de las moléculas en lo sólidos amorfos (termofluencia viscosa)

constituye un proceso de difusión favorecido por los incrementos de temperatura.

• Donde:

ε :Velocidad de termofluencia

Q: es la energía de activación en cal/mol

R: constante de los gases

T: es la temperatura absoluta

A: constante

La termofluencia por difusión implica el movimiento de vacancias a través de los granos a lo largo de los límites de grano. El movimiento de vacancias a través de los granos se denomina mecanismo de Nabarro – Herring, en tamaño que el que se produce a lo largo de los límites de grano se conoce como mecanismo de:

…. …… Nabarro – Herring

.

…… Coble

Fractura en termofluencia La fractura transgranular se produce

cuando los granos son más débiles que sus límites, mientras que en la fractura intergranular los límites de grano son los de mayor debilidad.

Jeffries introdujo el concepto de temperatura equicohesiva (TEC).

Fractura de tipo intergranular; el proceso está dado por:

• Deslizamiento de límites de grano• Cavitación de límites de grano• Formación de subgranos.• Flujo difusivo Producen cavidades: dados por los

siguientes mecanismos:• Deslizamiento del límite de grano.• Flujo y condensación de vacancias en

límite de grano.• La termofluencia del material

alrededor de la cavidad.

Temperatura equicohesiva

Esfuerzo – ruptura

Diagrama típico de esfuerzo – ruptura

• La causa común para un cambio en la pendiente de la curva esfuerzo – ruptura, es un desplazamiento en el mecanismo de fractura según cambian las condiciones de ensayo.

• Las fracturas transgranulares se caracterizan usualmente por la estricción de la probeta y gran ductilidad. Las fracturas intercristalinas muestran poca estricción y con frecuencia fallan con poco alargamiento

Influencia de la tensión y de la temperatura

Tanto la temperatura como el nivel de la tensión aplicada influyen en las características del comportamiento bajo fluencia en caliente

Logaritmo de la tensión frente a la velocidad de deformación para una aleación de níquel con bajo contenido de carbono a tres temperaturas

Logaritmo de la tensión frente al tiempo de ruptura para una aleación de níquel con bajo contenido de carbono a tres temperaturas.

Tensión vs. Tiempo de ruptura

Métodos de extrapolación de resultados:

• La información necesaria sobre la fluencia de los materiales no se puede obtener de manera práctica mediante ensayo de laboratorio.

Parámetro de Larson Miller.

Donde :

C es una constante.

T en grados Kelvin y el tiempo a la ruptura tr en horas.

Recocido:

• El recocido de regeneración o de austenización completa, consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a AC3 y se mantiene a esa temperatura hasta lograr la estructura austenítico en toda la masa del acero y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante del calor. Por lo general el enfriamiento lento continúa a temperatura más baja.

• Por razones técnicas el recocido de regeneración, solo se emplea en aceros hipoteutectoides (AISI 1045) cuando se desea obtener perlita laminar gruesa y tamaño de grano grandes.

FASES:

Recuperación:No se presenta ningún cambio microestructural considerable.

Recristalización:La recristalización es un proceso cuya extensión depende tanto de la temperatura como

del tiempo.

Crecimiento de granos: Se da con un calentamiento continuo a temperatura por encima de la temperatura de

recristalización.

Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de la red disminuye y la rapidez de crecimiento de grano es mayor. A cualquier temperatura dada existe un tamaño de grano máximo, punto donde estos dos efectos están en equilibrio.

Efecto de la temperatura sobre el tamaño de grano recristalizado

Problema ¿Cómo afecta la temperatura de

recocido sobre el tiempo de ruptura del acero AISI 1045 sometido a un proceso de termofluencia?

Hipótesis El incremento de la temperatura de

recocido en el rango de 850 a 1000 ºC aumenta el tiempo de ruptura del acero AISI 1045 sometido a termofluencia, debido al aumento del tamaño de grano.

Objetivos Objetivos Generales: Evaluar como la temperatura de

recocido en el rango de 850 a 1000 ºC afecta el tiempo de ruptura del acero AISI 1045. Mediante ensayos de termofluencia a 600 ºC y 70 MPa.

 Objetivos Específicos:Evaluar experimentalmente mediante ensayos de termofluencia el efecto de la temperatura de recocido sobre el tiempo de ruptura.Determinar cuál es la temperatura de recocido adecuada para obtener el más alto tiempo de ruptura, bajo las condiciones del ensayo de termofluencia.Determinar la velocidad mínima de fluencia en el acero en estudio.Mostrar los resultados bajo curvas y graficas de termofluencia: Deformación vs Tiempo de ruptura.

MATERIALES Y MÉTODOS Materiales y Equipos:

Material de estudio:

• En esta investigación se utilizó el acero AISI 1045 (Bohler) en forma de barra de 20 mm. De diámetro y 3.0 m de longitud.

•  Las propiedades químicas y mecánicas de este acero se especifican en las tablas 2.1 y 2.2 respectivamente.

• Composición química del acero AISI 1045

• Propiedades Mecánicas del acero AISI 1045 (estado recocido)

Muestra

Para el presente trabajo de investigación se maquinaron 12 probetas según la norma ASTM E 139 Fig. 2.1

 

Probetas según norma ASTM E139

•De cortea)Máquina cortadora de disco Metasinex.b)Arco de sierra marca Sanflex.c)Cuchillas de torno HSS de ½”d)Brocas de corte Ø 10 mm.

EQUIPOS, MATERIALES Y MÉTODO EXPERIMENTAL

• Ensayo de termofluencia:

Horno eléctrico pequeño 5.5 KW. 220 V• Equipo de tensión, • Pesas de 5 000, 10 000, 15 000 , 20

000 Psi• Termocuplas de registrador de

temperatura de 0- 1000 ºC•  Análisis metalográfico:• Microscopio metalográfico Leica • Cámara fotográfica: Canon 8MPX.• Análisis microestructural:

– Alúmina (Al2O3) grado : 0.5 μ , 1.0 μ , 1.5 μ

– Reactivo : Nital 3%– Resina epóxica, peróxido de Co y

Co.– Alcohol etílico 90º– Agua destilada– algodón

Método Experimental• Para el experimento se utilizó un

diseño unifactorial, considerando la temperatura de recocido como único factor, realizándose tres repeticiones obteniendo un total de 12 probetas.

• Variable Independiente: • Temperatura de Recocido (ºC): 850-

900-950-1000.• Variable Dependiente:• Tiempo de ruptura (min)• Variable Paramétricas:• Temperatura de termofluencia

: 600ºC• Tensión: 70 Mpa.

Modelo experimental Unifactorial

Donde: R =Temperatura de Recocido Tr = tiempo de ruptura

PROCEDIMIENTO• De la barra de 20mm de diámetro x 3.0 m. de longitud, del acero AISI 1045 se

seccionaron 12 partes de 230 mm. de longitud.• Luego se introdujeron en el horno de tratamiento térmico de recocido (3c/u) a las

temperaturas de austenización de 850, 900, 950, 1000 ºC por espacio de 1 hora y se dejaron enfriar dentro del horno hasta temperatura ambiente.

• Después de estas barras se prepararon probetas de diámetro de 20 mm. x 10 mm. de altura y se realizó el análisis metalográfico.

• Luego estas barras fueron maquinadas según la Norma ASTM E139 (según figura 2.1). Obteniéndose las probetas para el ensayo de termofluencia.

• Seguidamente las 12 probetas se codificaron, y se sortearon las probetas una a una para conseguir la aleatoriedad, es decir la secuencia de prueba del ensayo.

• El ensayo de termofluencia se realizó según la norma ASTM E139, el equipo para el ensayo de termofluencia consiste en una máquina de tracción y un horno eléctrico, en el cual se sometieron las probetas a temperatura y tensión constante (600ºC y 70 MPa). Los extremos de la probeta se mantuvieron sujetos en forma vertical por 02 mordazas y pasadores resistente a alta temperatura (AISI D3).

• Para la medición de la deformación en función del tiempo el equipo de termofluencia cuenta con un calibrador o vernier, que esta fijo a la columna del equipo quedando paralelo a la probeta y al aplicar la carga, la corredera del Vernier se desplazó y se pudo obtener el desplazamiento en función del tiempo

• Para el centrado de la probeta en el equipo de termofluencia, se comprobó aplicando la mínima carga (5000 Psi) a 25ºC, luego se eliminó la carga y se encendió el horno de termofluencia, la temperatura aumentó hasta 600ºC (temperatura de ensayo), donde se mantuvo a esta temperatura por 10 minutos con el fin de que la temperatura se homogenice en toda la probeta.

• Concluida la etapa anterior , recién se aplico la carga predeterminada (70 MPa) para cada corrida experimental, e inmediatamente se registro el valor de deformación instantánea (εo) que se produjo al momento de aplicar la carga.

• Se midió y registro los valores de deformación a intervalos regulares de tiempo, hasta la ruptura de la probeta.

• Análisis de resultados: una vez obtenido la deformación y el tiempo de ruptura para cada probeta ensayada, se analizó el efecto que tiene la temperatura de recocido en el acero AISI 1045, sobre el tiempo de ruptura y mediante fórmulas matemáticas se puede calcular la velocidad mínima de fluencia para cada temperatura.

• las pruebas experimentales se realizaron siguiendo el diagrama de bloques del ensayo de termofluencia hasta la ruptura.

• El análisis de datos se evaluó estadísticamente usando un nivel de confianza del 95%, se utilizó el análisis de varianza y probabilidad normal de residuos.

RESULTADOS– Resultados Experimentales

• Los resultados del ensayo de termofluencia correspondiente a los procesos experimentales se presentan en la tabla y figuras que a continuación se detallan.

Resultados obtenidos del tiempo de ruptura en probetas de acero AISI 1045. Recocidas a las temperaturas de estudio y sometidas a termofluencia a 600ºC y 70 MPa. Tabla 3.1

 |T° Recocido Tiempo de ruptura

(ºC) tr1 tr2 tr3

Promedio

Minutos Horas

1000 998 1126 1188 1104 18.40

950 865 749 870 828 13.80

900 725 690 655 690 11.50

850 495 575 433 501 8.35

GRÁFICOS

0.000.010.020.030.040.050.06

0.070.080.090.100.110.120.13

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Tiempo de ruptura (min)

defo

rmac

ion

por t

erm

oflu

enci

a

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045 recocida a 1000ºC y sometidas a termofluencia a 600ºC y tensión de 70 MPa. Fig. 3.1

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045 recocida 950 ºC y sometidas a termofluencia a 600ºC y tensión de 70 MPa. Fig. 3.2

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045, recocidas a 900ºC y sometidos a termofluencia a temperatura de 600ºC y tensión de 70 MPa. Fig. 3.3

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045, recocida a 850ºCy y sometidas a termofluencia a temperatura de 600ºC y tensión de 70 MPa. Fig. 3.4

Valores obtenidos de deformación instantánea (εo) de termofluencia a temperatura de 600º C y

una tensión 70 MPa. Para el acero AISI 1045 a las diferentes temperaturas de recocido. Tabla. 3.1

Efecto de la temperatura de recocido, sobre la velocidad instantánea (εo) para el acero AISI 1045,

sometido a temperatura de 600ºC y tensión de 70 MPa.

Efecto de la temperatura de recocido sobre el tiempo de ruptura de termofluencia de un acero AISI 1045.Fig. 3.6

Velocidades de fluencia secundaria y tiempo de ruptura para el acero AISI 1045. Recocidas a 1000-950-900-850 ºC, sometidos a termofluencia 600º C y tensión 70 MPa. Tabla 3.3.

Efecto de la temperatura de recocido sobre el tiempo de ruptura para el acero AISI 1045, sometidos a termofluencia a 600ºC y tensión de 70 MPa. Fig. 3.7.

Efecto de la temperatura de recocido sobre la velocidad de fluencia secundaria (%/h) para el acero AISI 1045 a temperatura de 600ºC y tensión de 70 MPa. Fig. 3.8.

 DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La variación de la deformación real con respecto al tiempo de ruptura por termofluencia, los que corresponde a cada temperatura de recocido ensayado 1000ºC, 950ºC, 900ºC, y 850ºC. respectivamente, podemos observar en cada caso una curva típica de termofluencia que produce inicialmente una deformación instantánea (εo) en un tiempo t=0. Y luego tres etapas bien definidas.

La etapa I o etapa primaria o transitoria: ocurre al comienzo del ensayo, es una región de pendiente decreciente, la velocidad de deformación disminuye rápidamente desde un valor muy grande.

La etapa II o etapa secundaria o estacionaria: aquí la velocidad de deformación se hace constante , debido a que existe en equilibrio entre la generación de dislocaciones que se apilan entre los límites de grano.

La etapa III, terciaria, inestable o de fractura; es donde ocurre, que la pendiente se eleva con rapidez hasta que se fractura. Se produce una aceleración de la velocidad de deformación.

• El proceso de flujo se vuelve catastrófico, acelerándose la deformación hasta que ocurre la fractura.

La tabla 3.2 y figura 3.5, muestra que a medida que aumenta la temperatura de recocido la deformación instantánea(εo) disminuye de tal manera que para la temperatura de recocido de 850ºCes 0.023 y para 1000ºC es 0.0080.

En la figura 3.6 se observa que el tiempo de ruptura aumenta, conforme aumenta la temperatura de recocido, de tal manera que para la temperatura de recocido de 850ºC es 501 min. y para la temperatura de recocido de 1000ºC es 1104 min.

La tabla 3.3 y fig. 3.7 se observa que el tiempo de ruptura por termofluencia (tr) aumenta con el aumento de la temperatura de recocido de forma lineal para el rango de temperatura de recocido en estudio, para 600º C y 70 MPa.

La Fig. 3.8 se observa que la velocidad de fluencia secundaria (%hr) para las probetas recocidas a 850ºC es 86x10-2(%)/h y para 1000ºC es de 32x10-2 (%)/h Se analiza que al aumentar la temperatura de recocido la velocidad de fluencia secundaria disminuye aumentando el tiempo de ruptura.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Conclusiones:

De los resultados obtenidos se confirma el efecto de la temperatura de recocido en el comportamiento a termofluencia del acero AISI 1045 sometido a 600ºC y 70 MPa. nos demuestra que a medida que aumenta la temperatura de recocido desde 850ºC hasta 1000ºC. aumenta significativamente el tiempo de ruptura.

Los tiempos de ruptura cortos en termofluencia para el acero AISI 1045 se debe al alto porcentaje de perlita en su estructura, que inhibe el deslizamiento de las dislocaciones.

La deformación instantánea (εo) disminuye con el aumento de la temperatura de recocido

Para todos los niveles de temperatura de recocido en estudio. La etapa II es la etapa controlante. Pero para la temperatura de recocido de 1000ºC, la etapa II es la más prolongada debido al mayor tamaño de grano producido a esta temperatura.

Para el acero AISI 1045 el tiempo de ruptura aumenta al incrementarse la temperatura de recocido debido al crecimiento de grano.

La velocidad de deformación (εs) por termofluencia, para el acero AISI 1045 aumenta a medida que disminuye la temperatura de recocido .Esto debido a que las temperturas de recocido altas produce tamaño de grano grandes y esto es favorable en termofluencia.

•Recomendaciones:

Estudiar el efecto del tamaño de grano en el comportamiento a termofluencia de un acero AISI 1045 sobre el tiempo de ruptura sometido a 450 ºC y 70 MPa.

Evaluar el efecto de la tensión y temperatura en el comportamiento a termofluencia de un acero AISI 1045 para poder obtener el parámetro Larson -Miller y el valor de la constante C.

Fig. A.1 Microestructura del acero AISI 1045, recocida a 850ºC (tamaño de grano aprox.ASTM7) Muestra ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 208 HB ataque químico: Nital 3% 200X

Fig. A.2 Microestructura del acero AISI 1045, recocida a 900ºC (tamaño de grano aprox.ASTM6). Consta ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 196 HB ataque químico: Nital 3% 200X

FOTOMICROGRAFÍAS

FOTOMICROGRAFÍAS

Fig. A.3 Microestructura del acero AISI 1045, recocida a 950ºC (tamaño de grano aprox. ASTM 5). Esta consta de ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 178 HB ataque químico: Nital 3% 200X

Fig. A.4 Microestructura del acero AISI 1045, recocida a1000ºC (tamaño de grano aprox. ASTM 4). Consta ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 158 HB ataque químico: Nital 3% 200X