CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL EN SU ESTADO DE SUMINISTRO

La caracterización de las propiedades mecánicas y microestructurales del acero F1272 han sido el punto de inicio de la investigación. Los cambios que introducen los procesos de shot peening en propiedades como la rugosidad, la dureza y el perfil de tensiones residuales de compresión han permitido estudiar y comprender cómo el proceso de shot peening modifica el comportamiento bajo cargas cíclicas del material objeto de estudio y definir el tratamiento de shot peening óptimo.

4.1.1. Caracterización microestructural y mecánica

El desarrollo del trabajo se ha realizado a partir de barras de 16 mm del acero F1272. Como se expuso en el capítulo anterior, este material es un acero de construcción de grado medio de carbono, aleado principalmente con níquel, cromo y molibdeno (NiCrMo4). Es un acero equivalente al SAE 4340, cuya composición química suministrada por el fabricante se muestra en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1. Composición química del acero F1272

Elemento C Mn Si P S Cr Ni

Composición (%) 0,410 0,710 0,260 0,013 0,024 0,870 1,920

Elemento Mo V Cu Al Sn Ti Nb

Composición (%) 0,235 0,005 0,210 0,016 0,040 0,008 0,010

En base al certificado de calidad suministrado por el fabricante (ver Anexo 1) es un acero templado y revenido. En él, se hace referencia a que el tratamiento de temple se había ejecutado a una temperatura y durante un tiempo de austenización de 850ºC y 45 minutos respectivamente; el medio de enfriamiento empleado fue agua a 20 ºC y el tratamiento de revenido se había llevado a cabo durante 2 horas y 30 min a 590 ºC.

Se hace necesario recordar que los procesos de revenido que se realizan sobre aceros previamente endurecidos consisten en mantener el acero, durante un tiempo determinado, a una temperatura por debajo de la temperatura crítica inferior y posteriormente realizar un enfriamiento lento.

través de la red cristalina del hierro y la precipitación de Fe3C u otros carburos de elementos de

aleación (cromo, molibdeno). Como consecuencia de dichas modificaciones microestructurales, se disminuye progresivamente su resistencia y el nivel de tensiones internas, a la vez que se incrementan su tenacidad y ductilidad [62].

La Figura 4.1 muestra la microestructura de este acero, en estado de suministro, tras el ataque de las probetas con Nital al 2%.

Figura 4.1. Microestructura del acero F1272. Reactivo de ataque Nital 2%. a) Aumentos: 500x. b) Aumentos: 1000x

Nótese que la microestructura del acero objeto de estudio consiste en martensita revenida de aspecto uniforme, siendo característica de un tratamiento de temple y revenido. Las agujas de martensita aparecen rodeadas por pequeños carburos, que apenas son visibles en el microscopio óptico.

Los resultados obtenidos en los ensayos de tracción realizados, bajo las condiciones y características descritas en el apartado 3.1.2, se muestran en la Tabla 4.2, mientras que en la Figura 4.2 se expone el registro gráfico tensión-deformación obtenido en cada uno de los dos ensayos realizados. En estos ensayos de tracción uniaxial se ha determinado el límite elástico (𝜎𝑦), la resistencia a la tracción (𝜎𝑟), el alargamiento (A), la estricción (Z) y las constantes k y

n de la ley de endurecimiento plástico tipo Hollomon (𝜎 = 𝑘𝜀_𝑝𝑙𝑛_{) del acero F1272 en el estado}

de suministro. Se hace notar que las propiedades a tracción obtenidas con las dos probetas ensayadas han sido casi idénticas pero, de cualquier manera, en lo sucesivo se hará uso del valor medio de las mismas.

Tabla 4.2. Resultados de los ensayos de tracción acero F1272

E (GPa) 𝝈𝒚 (MPa) 𝝈𝒓 (MPa) A (%) Z (%) n k

Probeta 1 193 924 1.205 11,3 50,4 0,111 1926

Probeta 2 192 904 1.189 11,4 47,5 0,114 1919

MEDIA 193 914 1.197 11,4 48,9 0,112 1923

Figura 4.2. Gráficos de tracción del acero F1272 en el estado de suministro

De igual manera, se realizaron medidas de dureza Rockwell C, dureza Vickers y microdureza Vickers sobre probetas cilíndricas, cortadas transversalmente de las barras de acero. Los resultados medios obtenidos se representan en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3. Resultados de los ensayos de dureza realizados sobre el acero F1272

Dureza Carga (kgf) Resultados

Rocwell C 150 32

Vickers 31,25 326

Microdureza Vickers 0,2 357

Se hace notar que al comparar los resultados obtenidos con el certificado de calidad (Anexo 1) se presentan diferencias que se han destacado en la Tabla 4.4. La conversión de las durezas Rockwell y Vickers a dureza Brinell se ha realizado mediante el uso de tablas de equivalencia de durezas aplicables a aceros.

Tabla 4.4. Comparación de las propiedades mecánicas experimentales y las referidas por el fabricante

Propiedad Certificado de calidad Experimental Variación (%)

𝝈𝒚 (MPa) 1058 914 13,0 𝝈𝒓 (MPa) 1125 1197 6,4 A (%) 14,5 11,4 21,3 Z (%) 56,8 48,9 14,0 Dureza 310 HB 32 HRC=297 HB 326HV=305 HB 4,0 2,0

Las variaciones que se destacan en la Tabla 4.4 podrían deberse a la metodología empleada durante la realización del tratamiento aplicado a las barras. Según las especificaciones suministradas por el fabricante, las barras han sido sometidas a un proceso de estirado antes de realizar el tratamiento térmico. Sin embargo, no hay constancia de la correspondencia entre el número de lote del certificado de calidad y el de las barras suministradas.

4.1.2. Ensayos de fatiga rotativa

Los ensayos de fatiga rotativa se realizaron sobre probetas mecanizadas del acero F1272, estos resultados han sido utilizados como referencia para valorar el efecto de los tratamientos de shot peening. En el apartado 3.3.4 se ha descrito la morfología de la probeta estándar utilizada; siendo destacable que el acabado superficial de las probetas, en la zona calibrada, correspondió a un mecanizado tipo N7 (Ra: 1,6 m) [63, 64]. Los ensayos, para evaluar el comportamiento ante cargas cíclicas del acero de partida, se realizaron a tres niveles de tensión diferentes, equivalentes a porcentajes de la tensión de rotura a tracción comprendidos entre el 45% al 52%, bajo una relación R=-1. Los resultados obtenidos se muestras Tabla 4.5, y son la referencia para valorar el efecto de los tratamientos de shot peening sobre la vida a fatiga del acero de estudio.

Tabla 4.5. Resultados medios de los ensayos de fatiga rotativa (acero F1272)

𝑺𝒂 Carga (kg) Tensión (MPa) N de Ciclos Desviación (S) (MPa)

40%𝝈𝒓 20,4 479 121 208 24 341

45%𝝈𝒓 23,0 539 97 091 44 403

50%𝝈𝒓 25,5 599 41 650 17 030

Figura 4.3. Representación gráfica de la resistencia a la fatiga del acero F1272. a) Números de ciclos a rotura en función de la tensión alterna aplicada. b) Resultados de fatiga ajustados según la ley de Basquin

Los resultados de los ensayos de fatiga graficados en la Figura 4.3 se han ajustado a una ley de Basquin (ecuación 4.1)

𝑆𝑎 = 𝜎𝑓(2𝑁)𝑏 Ec. 4.1

De este modo se obtuvo que el coeficiente de resistencia a la fatiga (𝜎_𝑓) para el material de partida es de 5890 MPa y el exponente de Basquin o exponente de resistencia a la fatiga (𝑏) es -0,2.

4.2. TRATAMIENTOS DE SHOT PEENING