Universidad Nacional de Trujillo Escuela: Ingeniera Metalrgica

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 tensin

constante

Integrantes:

Luis H. Hernndez Vsquez

Gleny Janet Prez Yrene

INTRODUCCIN En el Per el uso de altas temperatura en las industrias: Industrias qumicas,

refinera del petrleo, centrales trmicas de energa industrial, turbinas de gas,

motores de reaccin, etc. han impulsado el desarrollo de materiales que conservan

las propiedades a altas temperaturas bajo la accin de esfuerzos inferiores a la

tensin de fluencia por largos periodos de tiempo, y tambin toda la vida para la cual

fueron proyectadas.

Las temperaturas afectan las propiedades mecnicas de los metales, la movilidad de los tomos (dislocaciones) aumenta rpidamente y las propiedades se modifican

significativamente.

Los movimientos de los tomos inducen una deformacin muy lenta llamada termofluencia, que provocan fallas que pueden ser catastrficas.

El tamao de grano de un material influye en termofluencia, un material de grano grueso es ms resistente a la ruptura por termofluencia, debido a que hay mayor

espacio para que las dislocaciones formadas por temperaturas y esfuerzos altos

pueden movilizarse fcilmente sin encontrar muchos obstculos (lmites de grano).

La termofluencia es causada por el movimiento de las dislocaciones, la cuales ascienden en la estructura cristalina a causa de la difusin, la dislocacin se mueve

perpendicularmente a su plano de deslizamiento.

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

Demostraron que la tensin 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 investigacin de la tensin en

termofluencia del acero Inoxidable AISI

304 concluye: que el parmetro Larson

Miller para este acero obedece a la

siguiente ecuacin: T(log t+19)x103/K-

h y que la velocidad de deformacin

obedece a la siguiente expresin: s = 3.1484 x 10-11 2.5253.

Lopez, J. y Carbonell, R. (2001). Afirma que a medida que aumentan la

temperatura de austenizacin aumenta

el tamao de grano y la templabilidad

siendo los valores finales siguientes: a

1000C tamao de grano 4; 950C

tamao de grano 5; 900C tamao de

grano 6; 850C tamao de grano 7.

Alcntara, R. y Rios, E. (2001). Demostraron que al incrementar la

temperatura se reduce el tiempo de

rotura de 172 h con 650 C a 0.159 h

con 800 C e incrementa la rapidez de

termofluencia de 1,598x10-2%/h a

36,8%/h.

Martnez L. (1983). En su investigacin 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 energtico del proceso y de la

continuidad de flujo atmico, y que la

termofluencia es causada por proceso

difusivo que son trmicamente

activados.

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

con un contenido de carbono hasta 2.06%C.

Aceros Hipoeutectoides.

Aceros Eutectoides.

Aceros Hipereutectoides.

La reaccin eutectoide es fundamental en el estudio de los aceros, sta ocurre a 723 C y 0.8% C

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

Los movimientos de los tomos inducen una deformacin muy lenta, (termofluencia), si el material est sometido a esfuerzos. Esta deformacin termina por causar

problemas dimensionales en la estructura o componente, lo cual provoca un mal

funcionamiento o falla.

La termofluencia es la deformacin plstica que puede sufrir un material a temperatura elevada y durante periodos largo de tiempos, an 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 difusin en la estructura

cristalina

Ensayo de Termofluencia:

Para determinar el comportamiento de un material se aplica una carga axial

constante, normalmente en forma de

tensin a una probeta cilndrica de

material.

Se mide la deformacin 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 duracin de los ensayos puede ir

desde menos de un minuto hasta ms

de un ao, o varios aos.

CURVA DE TERMOFLUENCIA :

El grfico: Muestra una curva deformacin por

termofluencia o respuesta de comportamiento de

deformacin. Al someter al material a una carga (esfuerzo),

la respuesta inmediata es una deformacin instantnea o,

que puede ser elstica o plstica (incluida una parte

elstica); se compone de tres regiones, que tiene como base la

razn de cambio de deformacin.

La primera regin de 0 a 1, se describe como la

termofluencia primaria y se caracteriza por una pendiente o

velocidad de deformacin inicial muy grande, que despus

disminuye de manera gradual hasta 1, ocurre debido a una

transformacin de la microestructura y al reacomodo de la

subestructura de dislocaciones y vacancias inicial en el

material.

La segunda regin de 1 a 2, se le conoce como

termofluencia secundaria o estacionaria y se

caracteriza por una pendiente constante o velocidad

de deformacin constante, aqu el equilibrio

alcanzado entre los mecanismos de dislocacin y

vacancias y mecanismos de aniquilacin de

dislocaciones, llevan a una velocidad de deformacin

constante.

La tercera regin de 2 a r, denominada

termofluencia terciaria o inestable, se caracteriza por

una pendiente o velocidad de deformacin creciente

hasta que el material se fractura en r se llama

tiempo de ruptura; en la ltima regin, la

deformacin se localiza y el espcimen se adelgaza

como en el ensayo de tensin o bien se forma

cavidades en su interior o pueden ocurrir ambos

casos, aqu ocurre un dao severo en los lmites de

grano. Este diseo consiste en la formacin de

cavidades que al crecer e interconectarse provoca la

fractura intergranular del material

Mecanismos de termofluencia

El movimiento de las molculas en lo slidos amorfos (termofluencia viscosa) constituye un proceso de difusin favorecido por los incrementos de temperatura.

Donde:

:Velocidad de termofluencia

Q: es la energa de activacin en cal/mol

R: constante de los gases

T: es la temperatura absoluta

A: constante

La termofluencia por difusin implica el movimiento de vacancias a travs de los granos a lo largo de los lmites de grano. El movimiento de vacancias a travs de los

granos se denomina mecanismo de Nabarro Herring, en tamao que el que se produce a lo largo de los lmites de grano se conoce como mecanismo de:

. Nabarro Herring

.

Coble

Fractura en termofluencia

La fractura transgranular se produce

cuando los granos son ms dbiles

que sus lmites, mientras que en la

fractura intergranular los lmites de

grano son los de mayor debilidad.

Jeffries introdujo el concepto de temperatura equicohesiva (TEC).

Fractura de tipo intergranular; el proceso est dado por:

Deslizamiento de lmites de grano

Cavitacin de lmites de grano

Formacin de subgranos.

Flujo difusivo

Producen cavidades: dados por los siguientes mecanismos:

Deslizamiento del lmite de grano.

Flujo y condensacin de vacancias en lmite de grano.

La termofluencia del material alrededor de la cavidad.

Temperatura equicohesiva

Esfuerzo ruptura

Diagrama tpico de esfuerzo ruptura

La causa comn para un cambio en la pendiente de la curva esfuerzo ruptura, es un desplazamiento en el

mecanismo de fractura segn cambian

las condiciones de ensayo.

Las fracturas transgranulares se caracterizan usualmente por la

estriccin de la probeta y gran

ductilidad. Las fracturas intercristalinas

muestran poca estriccin y con

frecuencia fallan con poco

alargamiento

Influencia de la tensin y de la temperatura

Tanto la temperatura como el nivel de la tensin aplicada influyen en las

caractersticas del comportamiento

bajo fluencia en caliente

Logaritmo de la tensin frente a la velocidad de deformacin para una

aleacin de nquel con bajo contenido

de carbono a tres temperaturas

Logaritmo de la tensin frente al tiempo de ruptura para una aleacin de nquel con bajo contenido de carbono a tres temperaturas.

Tensin vs. Tiempo de ruptura

Mtodos de extrapolacin de resultados:

La informacin necesaria sobre la fluencia de los materiales no se puede obtener de manera prctica mediante ensayo de laboratorio.

Parmetro 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 regeneracin o de austenizacin completa, consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a AC3 y se mantiene a esa temperatura hasta

lograr la estructura austentico en toda la masa del acero y luego enfriar lentamente

a lo largo del intervalo de transformacin, preferentemente en el horno o en cualquier

material que sea buen aislante del calor. Por lo general el enfriamiento lento contina

a temperatura ms baja.

Por razones tcnicas el recocido de regeneracin, solo se emplea en aceros hipoteutectoides (AISI 1045) cuando se desea obtener perlita laminar gruesa y

tamao de grano grandes.

FASES:

Recuperacin: No se presenta ningn cambio microestructural considerable.

Recristalizacin: La recristalizacin es un proceso cuya extensin 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

recristalizacin.

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 tamao de grano mximo, punto donde

estos dos efectos estn en equilibrio.

Efecto de la temperatura sobre el

tamao de grano recristalizado

Problema

Cmo afecta la temperatura de recocido sobre el tiempo de ruptura

del acero AISI 1045 sometido a un

proceso de termofluencia?

Hiptesis

El incremento de la temperatura de recocido en el rango de 850 a 1000 C

aumenta el tiempo de ruptura del

acero AISI 1045 sometido a

termofluencia, debido al aumento del

tamao de grano.

Objetivos

Objetivos Generales:

Evaluar como la temperatura de recocido en el rango de 850 a 1000 C

afecta el tiempo de ruptura del acero

AISI 1045. Mediante ensayos de

termofluencia a 600 C y 70 MPa.

Objetivos Especficos:

Evaluar experimentalmente mediante ensayos de termofluencia el efecto de la

temperatura de recocido sobre el tiempo

de ruptura.

Determinar cul es la temperatura de recocido adecuada para obtener el ms

alto tiempo de ruptura, bajo las

condiciones del ensayo de termofluencia.

Determinar la velocidad mnima de fluencia en el acero en estudio.

Mostrar los resultados bajo curvas y graficas de termofluencia: Deformacin

vs Tiempo de ruptura.

MATERIALES Y MTODOS

Materiales y Equipos:

Material de estudio:

En esta investigacin se utiliz el acero AISI 1045 (Bohler) en forma de barra de 20 mm. De dimetro y 3.0 m de longitud.

Las propiedades qumicas y mecnicas de este acero se especifican en las tablas 2.1 y 2.2 respectivamente.

Composicin qumica del acero AISI 1045

Propiedades Mecnicas del acero AISI 1045 (estado recocido)

Muestra

Para el presente trabajo de investigacin se maquinaron 12 probetas segn la norma

ASTM E 139 Fig. 2.1

Probetas segn norma ASTM E139

De corte a)Mquina cortadora de disco Metasinex.

b)Arco de sierra marca Sanflex.

c)Cuchillas de torno HSS de d)Brocas de corte 10 mm.

EQUIPOS, MATERIALES Y MTODO EXPERIMENTAL

Ensayo de termofluencia:

Horno elctrico pequeo 5.5 KW. 220 V

Equipo de tensin,

Pesas de 5 000, 10 000, 15 000 , 20 000 Psi

Termocuplas de registrador de temperatura de 0- 1000 C

Anlisis metalogrfico:

Microscopio metalogrfico Leica

Cmara fotogrfica: Canon 8MPX.

Anlisis microestructural:

Almina (Al2O3) grado : 0.5 , 1.0 , 1.5

Reactivo : Nital 3%

Resina epxica, perxido de Co y Co.

Alcohol etlico 90

Agua destilada

algodn

Mtodo Experimental

Para el experimento se utiliz un diseo unifactorial, considerando la

temperatura de recocido como nico

factor, realizndose tres repeticiones

obteniendo un total de 12 probetas.

Variable Independiente:

Temperatura de Recocido (C): 850-900-950-1000.

Variable Dependiente:

Tiempo de ruptura (min)

Variable Paramtricas:

Temperatura de termofluencia : 600C

Tensin: 70 Mpa.

Modelo experimental Unifactorial

Donde: R =Temperatura de

Recocido

Tr = tiempo de ruptura

PROCEDIMIENTO De la barra de 20mm de dimetro 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 trmico de recocido (3c/u) a las temperaturas de austenizacin de 850, 900, 950, 1000 C por espacio de 1 hora y se

dejaron enfriar dentro del horno hasta temperatura ambiente.

Despus de estas barras se prepararon probetas de dimetro de 20 mm. x 10 mm. de altura y se realiz el anlisis metalogrfico.

Luego estas barras fueron maquinadas segn la Norma ASTM E139 (segn figura 2.1). Obtenindose 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 realiz segn la norma ASTM E139, el equipo para el ensayo de termofluencia consiste en una mquina de traccin y un horno elctrico, en

el cual se sometieron las probetas a temperatura y tensin constante (600C 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 medicin de la deformacin en funcin 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 desplaz y se

pudo obtener el desplazamiento en funcin del tiempo

Para el centrado de la probeta en el equipo de termofluencia, se comprob aplicando la mnima carga (5000 Psi) a 25C, luego se elimin la carga y se encendi el horno

de termofluencia, la temperatura aument hasta 600C (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 , recin se aplico la carga predeterminada (70 MPa) para cada corrida experimental, e inmediatamente se registro el valor de deformacin

instantnea (o) que se produjo al momento de aplicar la carga.

Se midi y registro los valores de deformacin a intervalos regulares de tiempo, hasta la ruptura de la probeta.

Anlisis de resultados: una vez obtenido la deformacin y el tiempo de ruptura para cada probeta ensayada, se analiz el efecto que tiene la temperatura de recocido en

el acero AISI 1045, sobre el tiempo de ruptura y mediante frmulas matemticas se

puede calcular la velocidad mnima de fluencia para cada temperatura.

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

El anlisis de datos se evalu estadsticamente usando un nivel de confianza del 95%, se utiliz el anlisis 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 continuacin 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 600C y

70 MPa. Tabla 3.1

|T Recocido Tiempo de ruptura

(C) 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

GRFICOS

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.11

0.12

0.13

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

Tiempo de ruptura (min)

de

form

ac

ion

po

r t

erm

ofl

ue

nc

ia

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045 recocida

a 1000C y sometidas a termofluencia a

600C y tensin de 70 MPa. Fig. 3.1

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045

recocida 950 C y sometidas a

termofluencia a 600C y tensin de 70

MPa. Fig. 3.2

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045,

recocidas a 900C y sometidos a

termofluencia a temperatura de 600C y

tensin de 70 MPa. Fig. 3.3

Curva de termofluencia hasta la ruptura para el acero AISI 1045,

recocida a 850Cy y sometidas a

termofluencia a temperatura de 600C

y tensin de 70 MPa. Fig. 3.4

Valores obtenidos de deformacin instantnea (o) de termofluencia a temperatura de 600 C y una tensin 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 instantnea (o) para el acero AISI 1045, sometido a temperatura de 600C y tensin 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 C,

sometidos a termofluencia 600 C y

tensin 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 600C y tensin 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 600C y tensin de 70

MPa. Fig. 3.8.

DISCUSIN DE RESULTADOS

La variacin de la deformacin real con respecto al tiempo de ruptura por

termofluencia, los que corresponde a

cada temperatura de recocido

ensayado 1000C, 950C, 900C, y

850C. respectivamente, podemos

observar en cada caso una curva

tpica de termofluencia que produce

inicialmente una deformacin

instantnea (o) 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 regin de pendiente

decreciente, la velocidad de

deformacin disminuye rpidamente

desde un valor muy grande.

La etapa II o etapa secundaria o estacionaria: aqu la velocidad de

deformacin se hace constante ,

debido a que existe en equilibrio entre

la generacin de dislocaciones que se

apilan entre los lmites 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

aceleracin de la velocidad de

deformacin.

El proceso de flujo se vuelve catastrfico, acelerndose la

deformacin hasta que ocurre la

fractura.

La tabla 3.2 y figura 3.5, muestra que a medida que aumenta la temperatura de

recocido la deformacin

instantnea(o) disminuye de tal manera que para la temperatura de

recocido de 850Ces 0.023 y para

1000C 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 850C es 501 min. y

para la temperatura de recocido de

1000C 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 600 C y 70

MPa.

La Fig. 3.8 se observa que la velocidad de fluencia secundaria (%hr)

para las probetas recocidas a 850C

es 86x10-2(%)/h y para 1000C 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 600C y 70 MPa. nos

demuestra que a medida que aumenta

la temperatura de recocido desde

850C hasta 1000C. 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 deformacin instantnea (o) 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 1000C, la

etapa II es la ms prolongada debido

al mayor tamao 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 deformacin (s) 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 tamao de grano

grandes y esto es favorable en

termofluencia.

Recomendaciones:

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

Evaluar el efecto de la tensin y temperatura en el comportamiento a termofluencia de un acero AISI 1045 para poder obtener el parmetro Larson -Miller y el valor de

la constante C.

Fig. A.1 Microestructura del acero AISI 1045, recocida a

850C (tamao de grano aprox.ASTM7) Muestra

ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 208 HB

ataque qumico: Nital 3% 200X

Fig. A.2 Microestructura del acero AISI 1045,

recocida a 900C (tamao de grano aprox.ASTM6).

Consta ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura).

Dureza 196 HB ataque qumico: Nital 3% 200X

FOTOMICROGRAFAS

FOTOMICROGRAFAS

Fig. A.3 Microestructura del acero AISI 1045, recocida

a 950C (tamao de grano aprox. ASTM 5). Esta

consta de ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura).

Dureza 178 HB ataque qumico: Nital 3% 200X

Fig. A.4 Microestructura del acero AISI 1045, recocida

a1000C (tamao de grano aprox. ASTM 4). Consta

ferrita(zona clara) y perlita (zona oscura). Dureza 158

HB ataque qumico: Nital 3% 200X