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Ensayo de tracción bajo la Norma ASTM E8 A cada una de las microestructuras a estudiar se le realizó ensayo de tracción en una máquina Universal Shimadzu AG-100kNX localizada en Instituto Tecnológico Metropolitano, en este ensayo se obtuvieron datos como esfuerzo de fluencia, esfuerzo último a tensión, esfuerzo último a fractura, % de elongación, % de reducción de área y coeficiente de endurecimiento por deformación; en investigaciones hechas con anterioridad [7,25,42,43] relacionan estas propiedades con la resistencia a desgaste por rodadura y deslizamiento en aceros ferroviarios; en otros trabajos [44-46] relacionan algunas de estas propiedades en modelos que buscan describir el desgaste por fatiga y/o cambios superficiales en el material asociados al contacto rodante-deslizante, logrando estimar que tanto puede una propiedad influir sobre la resistencia al desgaste y/o cambios superficiales en el material bajo condiciones especificas de contacto. Las dimensiones y geometría de las probetas de tracción se pueden apreciar en la figura 3.40.

Figura 3.40 Dimensiones y geometría de probetas de ensayo de tracción.

Ensayo de Tenacidad a la fractura bajo la Norma ASTM E1820 La tenaciadad a la fractura de las microestructuras a estudiar fue evaluada en el laboratorio de Propiedades Mecánicas de la Universidad Nacional del Comahue localizado en la ciudad de Neuqén- Argentina. Esta propiedad se hace importante dado que permite valorar cual microestructura puede soportar tamaños de grietas mayores antes de fallar por fractura frágil; diferentes trabajos han buscado ralacionar esta propiedad en materiales de rueda y riel con el desempeño durante su vida últil [25, 47].

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Figura 3.41 Dimensiones y geometría de probetas de ensayo de Tenacidad a la fractura.

La figura 3.41 muestra la geometria y dimensiones de las probetas empleadas en los ensayos de tenacidad a la fractura. Antes de los ensayos las probetas fueron preagrietadas por fatiga en la máquina mostrada en la figura 3.42a, allí se generaron grietas de longitudes permitidas y sugeridas por la norma, tomandose entre entre 130.000 y 180.000 ciclos para la respectiva fisuración. Luego de esto se realizó el ensayo de tenacidad a la fractura en la prensa mostrada en la figura 3.42b.

Figura 3.42 a) Máquina de preagrietamiento b) Prensa de ensayos de tenacidad a la fractura

a) b)

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Ensayo de impacto Charpy bajo la Norma ASTM E23 Las microestructuras a estudiar fueron sometidas a ensayos de impacto Charpy, esto con el fin de contrastar los resultados con trabajos anteriores [19, 48] en los cuales buscaban relacionar la propiedad de resistencia al impacto con el desempeño a desgaste y modo de propagación de las grietas en los materiales. Las dimensiones y geometría de las probetas de ensayo Charpy se pueden apreciar en la figura 3.43.

Figura 3.43 Dimensiones y geometría de probetas de ensayo Charpy.

3.4 ENSAYOS DE DESGASTE EN EL TRIBÓMETRO DISCO-DISCO

La máquina de pruebas disco sobre disco es un dispositivo donde dos discos son puestos a rodar uno contra otro mediante la aplicación de una carga determinada. La Figura 3.44 muestra un las probetas en contacto de un ensayo en una máquina disco sobre disco.

Carga

Probeta rueda

Probeta riel

Lubricante

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Figura 3.44 Probetas en contacto en ensayos Disco sobre Disco [49].

Usualmente uno de los discos presenta una velocidad de rotación mayor que el otro, con el propósito de promover un porcentaje de deslizamiento en el contacto rodante como frecuentemente pasa en las aplicaciones reales. El porcentaje de deslizamiento se define ajustando la velocidad de cada eje y está dado por la ecuación (2.1).

WWRR

WWRR

NRNR

NRNRD

+

−=

)(200(%)

ecuación 2.1 (2.1) Donde RR y RW son los radios de las probetas de los materiales que simulan el riel y la rueda respectivamente, NR y NW son las revoluciones (rpm) a las que giran ambas probetas. Un porcentaje de deslizamiento negativo significa que la probeta que simula el material de la rueda está ejerciendo una fuerza de tracción sobre la probeta que simula el material del riel.

Para evaluar la resistencia al desgaste se utilizó el tribómetro Disco sobre Disco que se muestra esquemáticamente en la figura 3.45, este dispositivo se encuentra en el laboratorio de Tribología y Superficies de la Universidad Nacional sede Medellín (ver figura 3.46); allí se probaron las probetas bajo condiciones de esfuerzo, % de deslizamiento, lubricación, acabado superficial, velocidad lineal que son representativas y de interés para los sistemas ferroviarios.

Figura 3.45 Esquema de la máquina de ensayos Disco sobre Disco

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Figura 3.46 Máquina de ensayos Disco sobre Disco instalada en el laboratorio de tribología y

superficies de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. Con el fin de obtener datos en línea durante el ensayo que puedan suministrar información de la variación en las condiciones de contacto, la máquina disco sobre disco fue dotada de un transductor de torque cuya función es medir las variaciones en el par que ejerce el motor causado por el contacto entre las probetas y el porcentaje de deslizamiento entre ellas, el hecho de medir estas variaciones fue útil para poder calcular con mayor precisión los coeficientes de fricción que se presentaron entre las probetas durante los ensayos.

3.5 DISEÑO EXPERIMENTAL

Se evaluaron en la máquina disco sobre disco dos materiales, con dos microestructuras diferentes cada uno bajo dos porcentajes de deslizamiento. Para ello se planteó realizar un diseño de experimentos factorial 23, los niveles asociados a los factores se presentan a continuación:

MATERIALES: Se estudiaron los aceros R-260 y 370LHT, estos son empleados en la industria ferroviaria para la fabricación de rieles [39]. En todos los casos, el contracuerpo fue el material de fabricación de la rueda P-2079 R8T suministrada por el Metro de Medellín. MICROESTRUCTURAS: Cada acero fue tratado térmicamente para obtener microestructuras bainíticas y perlíticas. % DESLIZAMIENTO: Los ensayos fueron hechos en condiciones de rodadura pura y rodadura-deslizamiento buscando evaluar la resistencia a desgaste por fatiga con rodadura pura y con deslizamiento.

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El porcentaje de deslizamiento para los ensayos rodante-deslizantes fue del -2% establecido con base en trabajos experimentales y simulaciones de laboratorio así como en mediciones realizadas en campo [31-33, 50]. FACTORES FIJOS La presión de contacto durante los ensayos fue mantenida constante y se definió a partir de la información disponible en la literatura acerca de valores de presión críticos que se presentan en sistemas ferroviarios urbanos [51-53]. La combinación de velocidad de deslizamiento y presión de contacto ubica los materiales en regímenes de transición y desgaste [54], en los ensayos se buscaba someter a los materiales a un régimen de desgaste severo; lo que ayudó a tener un punto de apoyo en la selección de estas dos variables. El acabado superficial inicial de cada probeta es importante en el desempeño a desgaste de los materiales [31,55-58] por ello en estos experimentos se tuvo en cuenta y se generaron valores similares a los presentados en campo del parámetro de rugosidad Ra que poseen las ruedas y rieles al entrar en funcionamiento después de ser reperfiladas. Para obtener estos valores del parámetro de rugosidad se hicieron visitas a las instalaciones del Metro de Medellín para hacer la caracterización y mediciones de las mismas. Las condiciones ambientales de temperatura y humedad se mantuvieron constantes dentro del laboratorio con el fin de evitar efectos en los resultados asociados a la variabilidad de estas condiciones. Durante los ensayos se registró la temperatura ambiente, humedad y presión atmosférica usando un equipo Speedtech. En ensayos disco-disco la dependencia de la tasa de pérdida de masa sobre el número de ciclos está descrita por cuatro estados: desgaste de películas superficiales, periodo de running-in, tasa de desgaste mínima y tasa de desgaste cuasi-estable, esta última puede tardar más de 100.000 ciclos [59], adicionalmente cuando a fallas de fatiga en el material se refieren se ha encontrado en ensayos de laboratorio que las primeras fallas se dan aproximadamente a los 30.000 ciclos [60]; también se encontró en simulaciones de contacto en seco a escala real que la tasa de desgaste se comienza a estabilizar a los 100.000 ciclos [61], además de esto se encontró en trabajos que buscaban comparar diferentes microestructuras bajo condiciones de contacto similares a las presentadas en este trabajo que los ensayos de desgaste estaban en su mayoría hasta menos de 100.000 ciclos, aunque se realizaron ensayos hasta 500.000 ciclos [50]. Por lo anterior buscando llevar los materiales hasta una tasa de desgaste cuasi-estable y generar grietas asociadas a la fatiga, los ensayos fueron llevados hasta 200.000 ciclos, con mediciones intermedias cada 50.000 ciclos con el fin de obtener la curva de pérdida de masa acumulada y cambio superficial del material en el tiempo; aunque esto no tenga influencia directa sobre los resultados es de

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importancia conocer el comportamiento del material en el tiempo para hacer análisis y comparaciones entre la evolución del desgaste en cada microestructura. Ensayos de laboratorio realizados por diversos investigadores [62, 63] mostraron que la velocidad de rotación no tiene un impacto significativo sobre las tasas de desgate bajo las mismas condiciones de contacto; igualmente se ha mostrado que un incremento en la frecuencia de ensayo no superior a 5 veces no afecta significativamente el desempeño a fatiga de los materiales [64], según lo anterior los ensayos serán corridos a 1000RPM buscando no generar altas vibraciones en la máquina disco sobre disco y recalentamientos asociados a los motores eléctricos de la misma. Todos los ensayos fueron realizados bajo condición de lubricación seca, dado que no es objeto de este estudio analizar el desempeño a desgaste en condiciones lubricadas. VARIABLES DE SALIDA Pérdida de masa Una medida del desgaste en las probetas durante los ensayos disco sobre disco es la pérdida de masa [7, 50, 59] la cual fue evaluada utilizando una balanza electrónica SARTORIUS con poder de resolución de 0.01 mg. Acabado superficial El cambio del acabado superficial es una variable importante sobre la respuesta del material a condiciones específicas de contacto [31,65], por lo tanto la rugosidad de las superficies fue medida antes y después de cada ensayo usando la estación semi-automática Mitutoyo SV-3000 ubicada en el Laboratorio de Tribología y Superficies. Cambios microestructurales La determinación de los cambios microestructurales en la superficie de contacto causada por los esfuerzos de trabajo es una práctica común para evaluar la resistencia al desgaste de los materiales en ensayos asociados a fatiga de contacto [36,60,61], cada muestra metalográfica extraída de las probetas de ensayo se analizó en un corte longitudinal con respecto a la dirección de giro (Figura 3.47), con el propósito de identificar los inicios de la falla y su evolución en las microestructuras ensayadas, para esto se uso el microscopio estereoscópico Leica GZ6 y el microscopio electrónico de barrido JEOL JSM 5910LV instalados en el Laboratorio de Metalografía y de Microscopía Avanzada, respectivamente, buscando establecer relaciones entre mecanismos de desgaste y fallas en la microestructura, vale aclarar que la preparación metalográfica fue igual a la realizada para el análisis de las microestructuras iniciales de ensayo.

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Investigaciones realizadas con anterioridad se apoyan en los cambios microestructurales para estimar el esfuerzo cortante bajo la superficie desgastada [65-68] este planteamiento se usó para las microestructuras ensayadas buscando comparar la respuesta a los esfuerzos cortantes generados durante los ensayos.

Figura 3.47 Representación del procedimiento de extracción de probetas para análisis metalográfico.

Microdureza bajo la superficie En pasados trabajos [60, 65] se llevaron a cabo mediciones de microdureza bajo la superficie del material para evaluar la respuesta del mismo a los esfuerzos que se presentan durante el contacto, ayudando a predecir las distancias bajo la superficie a las que se pueden presentar las fallas por fatiga, además de la cuantificación del endurecimiento por trabajo (acritud) de cada una [69, 70] dado que este dato es de suma importancia para la evaluación del desgaste asociado a fatiga y deslizamiento [71]. En este trabajo se realizaron mediciones de microdureza bajo la superficie en un corte longitudinal con respecto a la dirección de giro (Figura 3.47), buscando hacer evaluaciones y comparaciones similares a las planteadas en trabajos anteriores, estas mediciones se llevaron a cabo en un microdurómetro SHIMADZU serie M con una resolución de 0.5 µm y con una carga de 100 gf siguiendo los lineamientos de la norma ASTM E-384-09. En la figura 3.48 se muestra el esquema de diseño de experimentos planteado para este trabajo. Se planeó hacer 3 repeticiones por corrida para garantizar datos con mayor confiabilidad estadística llegando así a resultados más claros y precisos en la investigación. Luego de tener las probetas en condiciones óptimas se desarrollaron los ensayos, para lo cual se hizo un arreglo aleatorio del orden de las corridas en el programa estadístico MINITAB (ver tabla 3.39).

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Figura 3.48 Esquema de diseño de experimentos para el enfrentamiento del problema.

Tabla 3.39 Orden aleatorio de los ensayos.

Orden Estadístico Orden Corrida Material Microestructura % Deslizamiento

20 1 370LHT Bainita 0

4 2 370LHT Bainita 0

7 3 R-260 Bainita -2

19 4 R-260 Bainita 0

22 5 370LHT Perlita -2

1 6 R-260 Perlita 0

17 7 R-260 Perlita 0

14 8 370LHT Perlita -2

5 9 R-260 Perlita -2

21 10 R-260 Perlita -2

2 11 370LHT Perlita 0

13 12 R-260 Perlita -2

24 13 370LHT Bainita -2

12 14 370LHT Bainita 0

6 15 370LHT Perlita -2

3 16 R-260 Bainita 0

23 17 R-260 Bainita -2

15 18 R-260 Bainita -2

9 19 R-260 Perlita 0

8 20 370LHT Bainita -2

16 21 370LHT Bainita -2

11 22 R-260 Bainita 0

10 23 370LHT Perlita 0

18 24 370LHT Perlita 0

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Procedimiento de Ensayo Cuando se tuvo la probeta con la microestructura, dureza y acabado superficial deseados se montó en el tribómetro disco sobre disco para hacer el respectivo ensayo; luego de ser montada se verificaron las condiciones ambientales (humedad y temperatura) seguido del establecimiento de los parámetros de carga, porcentaje de deslizamiento y velocidad angular en la máquina. Dado que se tiene conocimiento de la velocidad angular de la probeta se estipuló el tiempo del ensayo para cada número de ciclos donde se hicieron las mediciones intermedias hasta llegar a 200.000 ciclos. Cuando la probeta fue ensayada hasta el número de ciclos de interés, se le realizó una limpieza con ultrasonido durante 5 minutos en un baño de alcohol con el fin de desprender virutas y suciedades que hicieran parte de la misma, luego se pesó para evaluar la pérdida de masa y por último se hizo la medición del acabado superficial. Todos los datos de pérdida de masa y acabado superficial final fueron ingresados al programa de diseño de experimentos para hacer el análisis estadístico y técnico.

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4. RESULTADOS

4.1 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL

Microestructuras Rueda Brasilera La microestructura de la rueda brasilera después de ser sometida a los respectivos tratamientos térmicos se muestra en las figuras 4.49a y 4.49b, donde es posible apreciar granos de perlita rodeados por ferrita proeutetoide. Al realizar diferentes tomas de dureza sobre las probetas (ver figuras 3.37a y 3.37b) se obtuvieron valores entre 260 y 280 Vickers, los cuales son del mismo orden que presentan las ruedas empleadas por el Metro de Medellín.

a)

b)

Figura 4.49 Microestructura de las probetas que simulan la rueda. Nital 2% a) 3000X b) 5000X Microestructuras Riel R260

a)

b)

Figura 4.50 Microestructura perlítica del riel R260. Nital 2% a) 5000X b) 8500X La microestructura del riel R260 se muestra en las figuras 4.50b y 4.50b, se observa en su mayoría microestructura perlítica dado que es un acero con

Ferrita Proeutectoide

Perlíta

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composición química muy cercana a la de un acero eutectoide, adicionalmente las tomas de dureza mostraron valores entre 340 y 360 Vickers, dureza semejante a la que presentan algunos rieles del Metro de Medellín. La figura 4.51 muestra la microestructura del acero R260 después de someterse a tratamientos térmicos que buscaban la transformación en bainita superior, allí se observaron algunas regiones compuestas por agujas bainíticas pero no fue posible determinar de manera contundente el tipo de bainita observado, dado que para una fácil y correcta identificación de esta se hace necesario el uso de microscopía de transmisión en busca de observar la forma y tamaño de los carburos precipitados [72]. Adicionalmente en esta microestructura se realizaron observaciones de microscopia óptica con el fin de apoyar la observación de las agujas bainíticas (ver figuras 4.52a y 4.52 b), las durezas encontradas en esta microestructura estuvieron entre 350 y 370 Vickers.

Figura 4.51 Microestructura Bainítica del riel R260 1000X, Picral 3%

a) b)

Figura 4.52 Microestructura Bainítica del riel R260, Picral 3% a) 1000X b) 1000X Microestructuras Riel 370LHT La microestructura perlítica del riel 370LHT se muestra en las figuras 4.53a y 4.53b, en general se observa una microestructura perlítica de igual forma que en

Agujas Bainíticas

Agujas Bainíticas

Agujas Bainíticas