Máquinas y equipos de laboratorio empleados

4.2.1

Máquina universal de ensayos

Los ensayos de fatiga se realizaron en el Laboratorio de Ensayos Mecánicos del Área de materiales metálicos del INTA, con la asistencia de técnicos especializados en ensayos mecánicos, mediante máquinas hidráulicas universales (ver Figura 4.10).

Se utilizaron máquinas tipo MTS 810 modelo 318.10. Estas máquinas tienen control hidráulico para las mordazas, haciendo que la presión de apriete sea ajustable a la particularidad de cada ensayo. Cuenta con una celda de carga de 100kN modelo MTS 661.20F-03 y un controlador tipo MTS TestStart IIs.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 120 Mom ento por pa nde o (N.m ) Carga a compresión (kN) Carga crítica de Pandeo (≈80kN) Carga Última (47.5kN)

Figura 4.10 Máquina Universal MTS 810 modelo 318.10 y software de control.

Para realizar los ensayos de fatiga, la máquina se pone en modo control de fuerza. Los datos de fuerza que se introducen a la máquina dependen de si son de tipo CAL o de tipo VAL. Para las cargas de tipo CAL, se introducen los datos necesarios para crear fuerza ondulatoria sinusoidal, a partir de la frecuencia y los valores de fuerza máxima y fuerza mínima. Para las cargas tipo VAL, se introduce un archivo que tiene los valores fuerza de todos los picos y valles ordenados según la secuencia de cargas. Después de decidir la frecuencia, estos valores de pico y valle son suavizados automáticamente por el controlador de la máquina a una onda sinusoidal de amplitud variable.

Durante el ensayo de fatiga, la máquina deja registro informático del valor de fuerza aplicado y el desplazamiento que realiza para ejercer dicha fuerza. Con estos valores de fuerza y desplazamiento es posible monitorizar el cambio de rigidez que va sufriendo la muestra a medida que se va degradando por el daño por fatiga.

Este procedimiento de determinar el cambio de rigidez mediante los desplazamientos es aceptable porque la rigidez del tren de carga (bastidor, varas y mordazas), es bastante mayor que la de la probeta. Además, el error cometido por la flexibilidad del bastidor es repetitivo en cada medición consecutiva en la misma probeta, y puede considerarse como un off-set que se puede restar. De esta manera se obtiene el cambio de la rigidez de la probeta. El Anexo A.3 muestra una justificación de la validez de la metodología empleada.

El uso de extensómetros para medir deformaciones sería un método más correcto para eliminar errores por las deformaciones del tren de cargas, pero puede causar otros errores debidos a la frecuente recolocación del extensómetro después de haber sacado la probeta de la máquina para efectuar las mediciones ópticas. El uso de galgas extensométricas o fibras ópticas se ha descartado porque, por una parte las

galgas están muy afectadas por la fatiga misma y porque la zona donde se pegarían sería en el estrechamiento de la probeta, haciendo que obstaculizara las mediciones ópticas. Por esta razón se realizan las mediciones de desplazamiento con los datos de la cruceta de la máquina.

La lectura de fuerza y desplazamiento, se hace de manera diferente para las cargas tipo CAL que para las cargas tipo VAL. Para las cargas tipo CAL, el valor del desplazamiento se mide de manera periódica cada 100 ciclos. En este caso, los valores de desplazamiento son bastante repetitivos entre una medida y otra, y las curvas de degradación de rigidez se pueden determinar directamente con estos datos ver sección 5.1.3. Para el caso del VAL, el valor de desplazamiento queda registrado para todos los picos y valles. Al tener una carga variable los valores de rigidez no son repetitivos de un ciclo a otro, presentando una dispersión mucho más alta que con los ensayos a CAL. En este caso las curvas de degradación de rigidez son calculadas mediante algoritmos de ajuste y suavizado como se explicará en la sección 5.2.3.

La razón de la mayor dispersión en las cargas VAL, es que la máquina de ensayo, durante los primeros ciclos necesita ajustar las ganancias de operación. Para las cargas de amplitud constante, este ajuste se hace automáticamente mediante el software de control haciendo que la amplitud de la carga vaya aumentando de manera paulatina hasta llegar al valor de carga establecido para el ensayo y que el sensor de desplazamiento mida correctamente, este proceso tarda aproximadamente unos 100 ciclos. Para las cargas de amplitud variable, este proceso es más lento debido a que las cargas proceden de un archivo y se aplican en su verdadera magnitud desde el principio. Como las cargas van variando en magnitud, la máquina tarda más tiempo en estabilizarse (unos 500 ciclos) aunque nunca logra hacerlo completamente, esto es lo que genera los valores dispersos en la medida de rigidez. Este factor es importante tenerlo en cuenta cuando la carga cíclica es muy cercana al límite de rotura del material y el número de ciclos es muy bajo. La aplicación de extensómetros podría bajar la dispersión, pero introduciría los problemas mencionados anteriormente.

4.2.2

Microscopio Confocal

Para realizar la NDE del daño acumulado por fatiga mediante el análisis de la topografía superficial del material, se ha empleado la tecnología confocal. El microscopio empleado es el “PLµ 2300 Optical Imaging Profiler” de la marca Sensofar®. (ver Figura 4.11)

El microscopio que se utiliza para el presente trabajo, utiliza una tecnología más moderna que la tradicional, antes mencionada en la sección 3.3.3. En este caso el pinhole es reemplazado por una serie de ranuras paralelas y el fotodiodo es remplazado por una cámara CCD. Esto hace que se puedan medir todos los puntos

que están contenidos en las ranuras paralelas al mismo tiempo, y utiliza un algoritmo de alto contraste que según el fabricante, mejora en un 30% la resolución axial con respecto a la tecnología confocal clásica.

Figura 4.11 Microscopio Confocal, modelo Sensofar Plµ 2300 con objetivo de aumento ×50

5.

Metodología

En este capítulo se describe la metodología empleada para realizar los ensayos de fatiga y caracterizar la vida a fatiga del material tanto en carga de amplitud constante como variable. También se describe el procedimiento empleado para verificar la validez del método convencional de estimación de daño, caracterizar la degradación de rigidez y ver la relación con la degradación de la resistencia mecánica. Y por último se describe la metodología utilizada para estudiar la validez de emplear parámetros de rugosidad superficial como evaluación no destructiva para estimar el daño por fatiga.